基于无线传感器网络的远距离古建筑火灾监控预警系统的制作方法

本发明涉及无线传感器网络和古建筑保护技术领域，尤其是基于无线传感器网络的远距离古建筑火灾监控预警系统。

背景技术：

中国古代建筑在世界建筑中自成体系，形成了固有的艺术风格与构造特征。而且，世界上没有哪一个民族的建筑文化像中国这样，在近现代西洋建筑东渐之前，如此漫长地热衷于土木结构及其群体组合。我国古建筑以木结构体系为主。木结构体系的优点很多：如维护结构与支撑结构相分离、抗震性能较高、取材方便、施工速度快等等；同时木结构也有很多缺点：易遭受火灾、白蚁侵蚀、雨水腐蚀等等。据统计，对木结构古建筑破坏性最大的就是火灾，火灾一旦发生，如若没有及时发现，往往会造成古建筑彻底毁坏，甚至有人员伤亡。类似的例子如全国重点文物保护单位—陕西省西安市碑林大成殿遭受雷击起火被毁，殿内263件文物也被烧毁。青岛市的崂山白云洞庙、安徽省的九华山十王殿、河北省的承德市普佑寺等，都曾经因为发生火灾而造成重大损失。我国有大量的古建筑分布在比较偏远的地方，保护人员配置少，发生火灾时很难及时发现并作出有效处理。即便是在发达地区的古建筑，各种保护措施齐全，在火势较小时，也很难人为发现异常。由此可见，对古建筑环境作出更可靠、及时的监控，确保第一时间发现险情并作出及时有效的处理措施是十分必要的。

传统的监控系统的传感器设备通过电缆来进行通信，而铺设电缆会耗费大量金钱和时间，不经济而且容易损坏。无线传感器网络是采用无线通信，可以很好的保证数据监控的实时性，再加上基站的应用，汇聚节点与可以接入Internet的电脑通过USB接口和仿真器连接，可以随时修改和发布控制指令，并将收集到的数据上传到可以接入Internet的电脑上至中心数据库，方便各种远程终端的查询和控制，会大大的拓长监控的距离，尤其是可以对一些偏远地区的古建筑做到统一监控，大大地节省了人力成本和经济成本，使资源利用最大化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的远距离古建筑火灾监控预警系统，能够将偏远地区的古建筑纳入统一监控平台，实现远距离监控古建筑内部的温度、湿度和烟雾浓度，如有异常立即预警，达到有效监控火灾、保护古建筑的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于无线传感器网络的远距离古建筑火灾监控预警系统，包括传感器节点、网关节点、基站、远程终端、供电系统、预警系统；

传感器节点包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块，处理器模块分别与传感器模块、无线通讯模块和能量供应模块相连；

网关节点包括中央处理单元、存储单元、射频收发模块、GPRS通信模块和数据采集模块，网关节点通过无线通讯方式与传感器节点通讯，向传感器节点接收和发送数据；

基站包括汇聚节点和一台可以连入Internet的计算机，两者通过USB接口和仿真器相连接。控制指令等的发布通过USB接口和仿真器从计算机传入汇聚节点，汇聚节点通过无线通讯方式与网关节点通讯，向网关节点接收数据和发送控制指令；

远程终端，用来将最终融合处理后的数据进行更新和显示；

供电系统包括自供电系统和紧急供电装置，自供电系统用来对传感器节点、网关节点和汇聚节点进行常规供电，紧急供电装置用于突发状况的紧急供电，为传感器网络提供不间断电能；

预警系统按照具体监测到的温度、湿度和烟雾浓度不同分为三个等级的预警，报警器也分别显示不同的颜色预警。

所述自供电系统，包括太阳能电池板、控制器和蓄电池，该装置通过采集太阳能转换为电能对节点进行供电。

所述紧急供电装置包括电池盒和两节五号电池。

所述预警系统包括三个等级，分别是黄色预警、橙色预警和红色预警，如果监测到的温度高于阈值或湿度低于阈值，作出黄色预警；如果监测到的烟雾浓度超过阈值，作出橙色预警；如果监测到的温度、湿度和烟雾浓度都出现异常，作出红色预警。

所述远程终端是可以连入Internet的设备，用户通过远程终端可以实时查看监测数据信息和发布控制指令到基站，并且可以设置预警阈值、下载数据，根据远程终端的不同，分为PC端和移动终端，PC端通过Labview等软件设计编写图形用户界面，移动终端是在Andriod系统下利用Java语言编写软件。

所述传感器节点的重要组成部分是支持最新ZigBee协议—ZigBee2007的由TI公司生产的CC2530芯片，它集成单片机、ADC和无线通讯模块于一体，其中，所述单片机是一种增强型工业标准的8位8051微控制器内核，所述无线通信模块的内核符合IEEE802.115.4/ZigBee协议，支持CRC硬件校验。

所述传感器模块包括温度传感器、湿度传感器和烟雾传感器。

所述监控数据是温度、湿度和烟雾浓度。

所述的无线传感器网络的拓扑结构为星型、树型或者网型结构。

本发明实现了对古建筑内部温度、湿度和烟雾浓度的远距离监控，使对古建筑的火灾监控预警摆脱了空间的限制，应用范围更广；监控系统结构简单，安装方便；与有线技术相比，无线传感器网络增加或更换节点相对表较容易，整个网络的拓展性强，也易于维护；节点部署在需要监控的古建筑区域即可，而且节点可自组织形成网络，安装成本低、周期短；传感器节点只有在采集数据和传送数据时才会被唤醒，其余时间都处于休眠状态，能耗小，运行成本低；系统预警分为黄色、橙色、红色三级预警，方便工作人员对于不同异常情况作出相对应的具有针对性的处理；电源供应模块采用自供电形式，无枯竭危险，太阳能发电干净无公害，不受资源分布地域的限制，可在用电处就近发电，能源质量高。

附图说明

图1是本发明的结构图；

A传感器节点；B网关节点；C监控区域；D基站；E远程终端；

图2是本发明的传感器节点结构图；

图3是本发明的网关节点结构图；

图4是本发明的网络拓扑结构图；

A星型结构；B网型结构；C树形结构；协调器 ○路由器或终端节点；

图5是本发明的电源管理流程图；

图6是本发明的自供电式能量供应模块结构图；

图7是本发明的监控预警流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于无线传感器网络的远距离古建筑火灾监控预警系统，包括传感器节点、网关节点、基站、远程终端。分布在古建筑各个区域监控温度、湿度和烟雾浓度的传感器节点和网关节点可以自组织形成网络。如图2所示，传感器节点包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块。如图3所示，网关节点包括中央处理单元、存储单元、射频收发模块、GPRS通信模块和数据采集模块。基站包括可以完成数据汇集的节点和一台可以连入Internet的计算机，两者通过USB接口和仿真器相连接。远程终端是可以连入Internet的设备，如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机等。

如图4所示，无线传感器网络的拓扑结构为星型、树型或者网型结构。星型结构的无线传感器网络由专用中心服务节点来负责处理整个网络的数据传输和运行；树型结构的无线传感器网络具有一定的容错能力，一般一个分支和节点的故障不影响另一分支和节点的工作，是广播式网络；网状结构的无线传感器网络可以实现网络各传感器节点之间点对点的传输。具体采用哪种方式的拓扑结构，视具体情况而定，也可以采用多种并用的混合型结构。如果古建筑内部面积不大，则可以采用星型结构，这时的网关节点和传感器节点在一跳的范围内就可以完成数据传输。否则可以考虑树形结构或者网型结构，此时的部分传感器节点会同时承担路由节点的功能。路由节点在进行通信时，会首先判断下一跳是否是网关节点，如果是就直接完成传送数据；如果不是，就会继续与下一跳的路由节点通信，直到传送到网关节点为止。

根据实际古建筑内部结构空间情况，采用合适的网络拓扑结构，在监控区域内密集布置大量的传感器节点，传感器节点可以自组织形成一个多跳网络，每一个传感器节点都有一个特定的ID。而且，传感器节点的采集频率可以人为设定，比如初始采集频率可以设置为每10s采集一次。如图5所示，传感器节点只有在采集数据和传送数据时才会被唤醒，在其余时间都处于休眠状态，能耗低，运行成本低。采集完古建筑内温度、湿度和烟雾浓度信息后向网关节点发送数据，而且处于传感器边缘的节点必须通过其他节点来向网关节点发送数据。在古建筑内部的每一个监控区域，都会有一个网关节点来负责搜集由该区域所有传感器节点发送来的数据。

网关节点与基站之间通过传输网络连接，所有的网关节点都会连接到上层的传输网络中，然后将搜集到的古建筑内部温度、湿度和烟雾浓度发送给基站的汇聚节点，汇聚节点通过USB接口和仿真器与基站的可以连入Internet的电脑连接，将数据传送到电脑上。而且，控制指令等的发布也是通过USB接口和仿真器从电脑传入汇聚节点，进而传入网关节点，直至传入终端传感器节点完成控制指令为止。传输网络具有不间断电源供应的多个无线通信节点，提供网关节点和基站之间的通信带宽，保证网关节点和基站之间的通信可靠性。基站把收集到的所有数据发送到Internet，通过Internet传送到一个中心数据库，由中心数据库提供远程数据服务。而且，基站也可以将收集到的数据保存到本地数据库中。所有可以连入Internet的远程终端设备(如手机、笔记本等)都可以访问中心数据库和向基站发布各种命令。

传感器节点的能量供应模块采用自供电形式，即通过太阳能电池板发电供电，无枯竭危险。太阳能发电干净无公害，不受资源分布地域的限制，可在用电处就近发电，能源质量高。自供电式能量供应模块包括太阳能电池板、控制器和蓄电池，其中太阳能电池板用于发电，控制器用于对蓄电池充放电的管理，以及夜间和白天的充放电选择。控制器与节点之间通过USB接口连接，可以输出5v的电压给节点，满足节点工作需要。蓄电池用于白天充电和夜间放电，保证节点的不间断电源供应。具体实施方式如图6所示，控制器先与蓄电池连接，控制器会自动识别蓄电池电压后开始工作，然后将控制器与太阳能电池板连接，这样，蓄电池可以通过控制器储存来自太阳能电池板的电能。最后，控制器通过USB接口与节点负载连接，蓄电池通过控制器输出5v电压到节点负载。

监控预警系统事先对所监控数据温度、湿度和烟雾浓度设定阈值，如果实施监控的这些数据超过预设的阈值，那就会作出预警处理，提醒工作人员有异常情况发生。根据实际各数据异常情况不同，将预警分为三个等级：如果监测到的温度高于阈值或湿度低于阈值，作出黄色预警，说明此时天气干燥、炎热异常，容易发生火灾，提醒工作人员注意巡逻、严加巡查，避免发生火灾；如果监测到的烟雾浓度超过阈值，作出橙色预警，说明此时极有可能已经发生火灾，且火势较小，必须立即处理；如果监测到的温度、湿度和烟雾浓度都出现异常，作出红色预警，说明此时已经发生火灾，而且火势较大，必须立即作出相应处理。三级预警的设置，便于工作人员对于不同异常情况作出相对应的具有针对性的处理。预警的工作流程如图7所示，对于采集到的温度、湿度和烟雾浓度，首先检测温度是否超过阈值、湿度是否低于阈值、烟雾浓度是否高于阈值，如果这三者同时发生，则作出红色预警。如果三者中至少有一项未发生，则执行下一步，即分别检测温湿度和烟雾浓度是否异常，这两个环节是并行同步进行的。如果检测到烟雾浓度超过阈值，作出橙色预警；如果检测到温度超过阈值或者湿度低于阈值，则作出黄色预警；如果经单独检测后两个环节都没有异常发生，则说明未发现火情，一切正常，不作预警处理，回到初始点重新检测。