专利名称：基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法
技术领域：
本发明设计一种基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法，适用于实时远程监控家庭火灾。
背景技术：
火灾是危害人们生命财产最为常见的一种灾害，如何有效地监控家庭火灾并杜绝灾害发生已成为家庭生活必须考虑的安全问题。传统的家庭火灾监测设备仅仅局限在家庭内部，人一旦离开监控区域，就难以获取监控信息而无法对险情采取及时、有效的处理措施。为此，采用Internet网络连接家庭火灾监控设备和远程监控中心以实现远程监控，拓 展监控范围，正逐步替代了传统火灾监控系统。目前，基于Internet网络的火灾监控系统往往采用分布式设计，火灾传感单元和数据采集处理工作站通过CAN总线通讯，而工作站通过Internet连接到远程监控中心。此类火灾监控系统数传感单元和工作站采用有线方式连接，布线成本高、结构不灵活。无线传感器网络广泛应用在山体滑坡、森林虫灾等灾害监控系统中，具有传输数据量少、传输延时小和功耗低等特点。无线传感器网络中的传感器节点可以随机分布于监测区域，以自组织方式构成无线网络系统，能有效避免基于Internet网络的火灾监控等传统方案带来的布线成本高，破坏家庭环境的缺点，并可实现对监测区域的多点连续测量。火灾的发生是一个随时间变化的复杂过程，在火灾发生的不同阶段，会产生不同的火灾特征信号。传统的火灾探测器往往是针对单一特征信号，如点型感烟探测器和点型感温探测器分别对烟雾粒子和热(温度)做出响应。单一参数火灾探测器对特征信号响应灵敏度不均匀而导致其探测能力受限，只能根据不同场所及该场所可能发生的火灾类型来选用探测器，一旦选择不当便会造成误、漏报。此外，单参数火灾探测器中采用的数据处理方式大多是阈值比较法，这种传统的火灾检测简单明了而且易于实现，但环境适应性和抗干扰能力较差。本发明基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法，利用DS证据理论融合多传感器数据进行火灾的判定，提供用户远程进行监控环境的能力，火灾监控准确性高、监控方便快捷。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法，将无线传感器ZigBee网络近距离通信和Internet的远程监控结合，实现用户对家庭环境的远程火灾监控。本发明解决上述技术问题的技术方案为，火灾检测硬件系统包括传感器终端节点和智能网关两部分。火灾发生是一个伴有光、烟、温度、辐射和气体浓度变化的综合过程，如释放出一氧化碳气体、二氧化硫等多种成分气体，冒出气溶胶等烟雾，出现明火火焰和温度快速上升。终端节点配置了一氧化碳传感器MQ-7，广谱气体传感器MQ-2，温度传感器DS18B20，分别感知一氧化碳、二氧化硫、烟雾和温度，并采用CC2430处理器完成传感器数据采集、预处理和传输。根据传感器测量的距离范围，对家庭房间划分为多个监控区域，在每个区域都安装了传感器终端节点。传感器终端和智能网关之间采用ZigBee协议组建无线传感器网络进行无线通信，满足了多个火灾传感器终端节点组网通信传输信息的需求。同时，家庭内部还安装了若干个路由节点进行数据交换，以增加传输距离和保证网络可靠性。网关担负着组织网路、处理多传感器数据和用户交互的任务，计算复杂度和密集度高。网关由ARMll处理器、射频收发模块CC2430、电源及复位模块、摄像头、GPRS模块(GTM900-C)、以太网接口(DM9000AEP)模块以及存储器模块组成。网关搭载嵌入式Linux系统作为网关部分的软件平台，在ARM嵌入式系统上移植Boa嵌入式Web服务器，以SQLite作为嵌入式数据库，应用CGI接口实现嵌入式Web服务器和用户浏览器之间的动态页面的交互。网关接收浏览器远程查询请求，实时显示当前传感器信息状况，融合多传感器数据决策火灾情况，并控制GPRS发送警报信息。摄像头用于视频监控，以便用户通过视频进一步 确认火灾状态。基于ZigBee无线传感器网络的火灾信息融合和检测的工作流程为网关首先启动建立一个新网络；当网络建立成功之后,接受多个终端节点和路由节点入网请求，并分配短地址；网关启动监控命令，定时接收终端节点上多个传感器数据，并进行D-S证据信息融合和推理决策是否发生火灾；其间，路由节点转发终端节点的信息。本发明还提出一种基于多传感器信息融合的火灾检测方法，即运用D-S证据理论对终端节点采集的一氧化碳浓度、温度和烟雾进行多传感器数据融合，依据各个信息表征火灾发生的信度函数，推理火灾是否发生。根据传感器输出响应特性和专家知识，选择高斯函数作为烟雾、温度、一氧化碳CO气体传感器输出表征火灾发生的信任度函数，其中横坐标为传感器输出值，纵坐标为火灾概率。信任度函数有三段，从左到右依次为无火灾、不确定、有火灾。当烟雾浓度大于2. 1%/英尺、一氧化碳CO输出大于150ppm或者温度超过
650C ,判定为有火灾，且信任度随传感器输出值增大而增加。在获取烟雾、温度、一氧化碳CO气体传感器输出后，可根据火灾发生的信任度函数获得当前火灾发生的信任度，分别记为《1={4，為，為I , 2和
=W2,C3I，其中4，為和4分别表示烟雾浓度判断有火，无火和不确定的概率；马，B2和分别表示温度判断有火，无火和不确定的概率；C1, C2和Ci分别表示一氧化碳CO气体判断有火，无火和不确定的概率。采取顺序方式融合三个传感器数据，即先融合烟雾和温度得到火灾发生信任函数，然后再将此信任函数与一氧化碳CO气体进行融合，融合的顺序不影响最终
结果。根据D-S理论，融合的信任度函数计算公式为《(為=Σ ' I 1，其中k= Σ ^￠4)^( )表示完全冲突假设d和R所有信任度乘积之和，且满足Σ 1(4Κ(5/)<ι o
^Π^,ι=^J= Lj1=I由此得到烟雾、温度和一氧化碳气体对火情的有火，无火和不确定的概率，进而判断火灾是否发生。本发明的软件技术方案主要包括两个流程，即ZigBee无线传感器网络的构建流程和网关D-S证据理论融合多传感器数据流程。ZigBee无线传感器器网络的构建流程如下
1)系统初始化，包括初始化协调节点、路由节点、终端节点设备类型；协调节点、路由节 点和终端节点LED指示灯亮，指示系统工作初始化工作完成；
2)协调节点组网，终端节点、路由节点发出加入网络申请；协调节点等待节点加入网
络；
3)终端节点和路由节点入网成功，进入下一步骤4)，否则返回步骤2)继续尝试加入网
络；
4)协调节点为终端节点和路由节点分配短地址，网络构建完成；
5)协调节点发送监控命令到终端节点，等待终端返回数据；
6)终端节点定时采集传感器数据，并向协调节点发送；路由节点转发终端节点的数
据；
7)协调节点接收终端节点发送的数据，将数据提交给网关进行处理。网关利用D-S证据理论融合多传感器数据流程如下
O网关接收传感器采集的数据，根据传感器输出响应特性和专家知识分配火灾发生的信任函数；
2)计算烟雾传感器和温度传感器证据的组合证据；
3)计算步骤2)中两个证据的不一致因子，进而得到烟雾和温度传感器融合结果；
4)重复步骤2)和步骤3)，融合第一次结果和一氧化碳CO气体传感器数据，得到最终融合结果;
5)继续接收传感器数据，进行下一次融合。
图I是本发明的拓扑结构图，包括所述各模块的逻辑连接示意 图2是本发明终端节点结构框图，在CC2430为核心的SOC芯片上，连接烟雾传感器MQ-2，温度传感器DS18B20、一氧化碳CO气体传感器MQ-7 ；
图3是ZigBee无线传感器网络的构建流程 图4是网关DS证据理论融合多传感器数据流程 图5是烟雾传感器输出表征火灾发生的信任度函数；
图6是温度传感器输出表征火灾发生的信任度函数；
图7是一氧化碳CO气体传感器输出表征火灾发生的信任度函数。
具体实施例方式为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。如图I所示为本发明基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法的拓扑结构。以CC2430为核心的终端节点上安装有多种传感器，布置在监控区域；为了扩展数据传输范围，设置若干个路由节点；ZigBee无线传感器网络的协调节点安装在网关上；网关一端通过串口接收协调节点的数据，另一端通过GPRS/GSM通讯模块GTM900-C连接到GPRS网络；通过DM9000AEP和网口连接到Internet网络。如图2所示为本发明基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法的终端节点结构框图。在CC2430为核心的SOC芯片上，连接烟雾传感器MQ-2，温度传感器DS18B20、一氧化碳CO气体传感器MQ-7。CC2430片上不仅包含ZigBee无线RF前端，还集成了一个8051内核，作为终端节点的处理器。
如图3所示为本发明基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法的ZigBee无线网络的构建流程图,流程如下
I)系统初始化，包括初始化协调节点、路由节点、终端节点设备类型；初始化结束后，协调节点、路由节点和终端节点LED指示灯亮，指示系统工作初始化工作完成；
2 )协调节点组网，终端节点、路由节点发出加入网络申请；协调节点等待节点加入网
络；
3)终端节点和路由节点入网成功，进入下一步骤4)，否则返回步骤2)继续尝试加入网
络；
4)协调节点为终端节点和路由节点分配短地址，网络构建完成；
5)协调节点发送监控命令到终端节点，等待终端返回数据；
6)终端节点定时采集传感器数据，并向协调节点发送；路由节点转发终端节点的数
据；
7)协调节点接收终端节点发送的数据，将数据提交给网关进行处理。如图4所示为本发明基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法的网关DS证据理论融合多传感器数据流程图，流程如下
1)、网关接收传感器采集的数据，根据传感器输出响应特性和专家知识分配火灾发生的信任函数；
2)计算烟雾传感器和温度传感器证据的组合证据；
3)计算步骤2)中两个证据的不一致因子，进而得到烟雾和温度传感器融合结果；
4)重复步骤2)和步骤3)，融合第一次结果和一氧化碳CO气体传感器数据，进而得到最终融合结果；
5)继续接受传感器数据，进行下一次融合。如图5所示为本发明基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法的烟雾表征火灾发生的信任度函数，其中横坐标为烟雾传感器输出值，纵坐标为火灾概率。信任度函数有三段，从左到右依次为无火灾、不确定、有火灾。当烟雾浓度大于2. 1%/英尺，判定有火灾，且信任度随传感器输出值增大而增加。如图6所示为本发明基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法的烟雾表征火灾发生的信任度函数，其中横坐标为温度传感器输出值，纵坐标为火灾概率。信任度函数有三段，从左到右依次为无火灾、不确定、有火灾。当温度超过,判定有火灾，且信任度随传感器输出值增大而增加。如图7所示为本发明基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法的一氧化碳CO表征火灾发生的信任度函数，其中横坐标为一氧化碳传感器输出值，纵坐标为火灾概率。信任度函数有三段，从左到右依次为无火灾、不确定、有火灾。当一氧化碳CO输出大于150ppm，判定有火灾，且信任度随传感器输出值增大而增加。权利要求
1.基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法，其特征在于，火灾检测系统利用无线监控终端节点检测火情环境参数，以嵌入式系统构建智能网关，实现无线传感器ZigBee网络、Internet网络和通用分组无线服务GPRS网络的互联，用户远程可获得实时监控信息，一旦火灾发生时，系统通过GPRS发送报警信息到用户手机上。
2.根据权利要求I所述的基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法，其特征在于，配置火灾检测终端节点，该检测终端节点以ZigBee片上系统CC2430为核心，外围配置检测火灾的多种传感器，包括烟雾传感器MQ-2、温度DS18B20和一氧化碳CO气体传感器MQ-7，以及板上供电系统。
3.根据权利要求I所述的基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法，其特征在于，配置智能网关，该网关以嵌入式芯片S3C6410为核心，外围设计包括Flash、SDRAM、GPRS模块GTM900-C、S頂手机卡及其卡槽、GPRS射频天线、网卡芯片DM9000AEP、带变压器的网口 HR911105A、摄像头、SD卡及其卡槽、USB2. O接口、ZigBee无线模块、电源芯片AMS1117、电源指示灯、GPRS/GSM网络连通与否指示灯、一个蜂鸣器、一个复位按键。
4.根据权利要求I所述的基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法，其特征在于,检测终端节点上电后,搜索射频范围内的可用网路,加入网关配置的ZigBee网络之后，处于接收网关命令状态，之后定时采集环境参数并发送到网关。
5.根据权利要求I所述的基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法，其特征在于，网关首先启动ZigBee网络的建立，发送终端节点进行数据采集的命令，之后处于等待接收状态，网关对接收到的数据进行DS证据理论融合判定，决策是否发生火灾，一旦认为险情发生，启动GPRS模块发送报警信息到用户手机上。
6.根据权利要求I所述的基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法，其特征在于，网关搭载嵌入式Linux系统作为网关部分的软件平台，在ARM嵌入式系统上移植Boa嵌入式Web服务器，以SQLite作为嵌入式数据库，应用CGI接口实现嵌入式Web服务器和用户浏览器之间的动态页面的交互，接收浏览器远程查询请求，在网页上实时显示当前各种传感器信息状况，融合多传感器数据决策火灾情况。
7.根据权利要求5所述的基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法，其特征在于，选择高斯函数作为烟雾、温度、一氧化碳CO气体传感器输出表征火灾发生的信任度函数，信任度函数有三段，从左到右依次为无火灾、不确定、有火灾，当烟雾浓度大于2. 1%/英尺、一氧化碳CO输出大于150ppm或者温度超过650C ,判定为有火灾，且信任度随传感器输出值增大而增加。
8.根据权利要求5所述的基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法，其特征在于，采用D-S证据理论以顺序方式融合烟雾、温度、一氧化碳CO气体传感器数据，即先D-S证据融合烟雾和温度得到火灾发生信任函数，然后再将此信任函数与一氧化碳CO气体进行D-S证据融合，由此得到烟雾、温度和一氧化碳气体对火情的有火，无火和不确定的概率，进而判断火灾是否发生。
全文摘要
本发明提出了一种基于无线多传感器信息融合的火灾检测系统及方法。系统分为传感器终端节点和智能网关，传感器终端节点利用ZigBee技术构建火灾监控现场的数据传输网络，智能网关以ARM11S3C6410芯片为基础接入Internet网和通用分组无线服务GPRS网络，用户远程登录嵌入式服务器可获得监控信息。一旦检测到火灾，报警信息通过GPRS模块发送到用户手机上。运用包括烟雾、温度、一氧化碳CO气体等多个传感器感知火燃烧状态，对是否发生火灾分配不同信任度函数，利用D-S证据理论融合三种传感器信息以判断火灾状态。该无线多传感器信息融合火灾检测系统及方法，改进了传统火灾监控系统有线方案的弊端，可广泛应用于布线不便、降低成本的家庭和工业环境中。
文档编号G08B25/10GK102737468SQ20121023876
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者刘勇, 唐岚, 方朝阳, 李正周, 甘平, 缪鹏飞, 黄扬帆 申请人:重庆大学