本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和古建筑保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離古建筑火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

中國古代建筑在世界建筑中自成體系，形成了固有的藝術(shù)風(fēng)格與構(gòu)造特征。而且，世界上沒有哪一個民族的建筑文化像中國這樣，在近現(xiàn)代西洋建筑東漸之前，如此漫長地?zé)嶂杂谕聊窘Y(jié)構(gòu)及其群體組合。我國古建筑以木結(jié)構(gòu)體系為主。木結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)很多：如維護(hù)結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)相分離、抗震性能較高、取材方便、施工速度快等等；同時木結(jié)構(gòu)也有很多缺點(diǎn)：易遭受火災(zāi)、白蟻侵蝕、雨水腐蝕等等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對木結(jié)構(gòu)古建筑破壞性最大的就是火災(zāi)，火災(zāi)一旦發(fā)生，如若沒有及時發(fā)現(xiàn)，往往會造成古建筑徹底毀壞，甚至有人員傷亡。類似的例子如全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位—陜西省西安市碑林大成殿遭受雷擊起火被毀，殿內(nèi)263件文物也被燒毀。青島市的嶗山白云洞廟、安徽省的九華山十王殿、河北省的承德市普佑寺等，都曾經(jīng)因?yàn)榘l(fā)生火災(zāi)而造成重大損失。我國有大量的古建筑分布在比較偏遠(yuǎn)的地方，保護(hù)人員配置少，發(fā)生火災(zāi)時很難及時發(fā)現(xiàn)并作出有效處理。即便是在發(fā)達(dá)地區(qū)的古建筑，各種保護(hù)措施齊全，在火勢較小時，也很難人為發(fā)現(xiàn)異常。由此可見，對古建筑環(huán)境作出更可靠、及時的監(jiān)控，確保第一時間發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情并作出及時有效的處理措施是十分必要的。

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器設(shè)備通過電纜來進(jìn)行通信，而鋪設(shè)電纜會耗費(fèi)大量金錢和時間，不經(jīng)濟(jì)而且容易損壞。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是采用無線通信，可以很好的保證數(shù)據(jù)監(jiān)控的實(shí)時性，再加上基站的應(yīng)用，匯聚節(jié)點(diǎn)與可以接入Internet的電腦通過USB接口和仿真器連接，可以隨時修改和發(fā)布控制指令，并將收集到的數(shù)據(jù)上傳到可以接入Internet的電腦上至中心數(shù)據(jù)庫，方便各種遠(yuǎn)程終端的查詢和控制，會大大的拓長監(jiān)控的距離，尤其是可以對一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的古建筑做到統(tǒng)一監(jiān)控，大大地節(jié)省了人力成本和經(jīng)濟(jì)成本，使資源利用最大化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離古建筑火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)⑵h(yuǎn)地區(qū)的古建筑納入統(tǒng)一監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控古建筑內(nèi)部的溫度、濕度和煙霧濃度，如有異常立即預(yù)警，達(dá)到有效監(jiān)控火災(zāi)、保護(hù)古建筑的目的。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離古建筑火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、基站、遠(yuǎn)程終端、供電系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)；

傳感器節(jié)點(diǎn)包括傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊，處理器模塊分別與傳感器模塊、無線通訊模塊和能量供應(yīng)模塊相連；

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括中央處理單元、存儲單元、射頻收發(fā)模塊、GPRS通信模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過無線通訊方式與傳感器節(jié)點(diǎn)通訊，向傳感器節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；

基站包括匯聚節(jié)點(diǎn)和一臺可以連入Internet的計(jì)算機(jī)，兩者通過USB接口和仿真器相連接?？刂浦噶畹鹊陌l(fā)布通過USB接口和仿真器從計(jì)算機(jī)傳入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過無線通訊方式與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通訊，向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令；

遠(yuǎn)程終端，用來將最終融合處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新和顯示；

供電系統(tǒng)包括自供電系統(tǒng)和緊急供電裝置，自供電系統(tǒng)用來對傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)供電，緊急供電裝置用于突發(fā)狀況的緊急供電，為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供不間斷電能；

預(yù)警系統(tǒng)按照具體監(jiān)測到的溫度、濕度和煙霧濃度不同分為三個等級的預(yù)警，報(bào)警器也分別顯示不同的顏色預(yù)警。

所述自供電系統(tǒng)，包括太陽能電池板、控制器和蓄電池，該裝置通過采集太陽能轉(zhuǎn)換為電能對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。

所述緊急供電裝置包括電池盒和兩節(jié)五號電池。

所述預(yù)警系統(tǒng)包括三個等級，分別是黃色預(yù)警、橙色預(yù)警和紅色預(yù)警，如果監(jiān)測到的溫度高于閾值或濕度低于閾值，作出黃色預(yù)警；如果監(jiān)測到的煙霧濃度超過閾值，作出橙色預(yù)警；如果監(jiān)測到的溫度、濕度和煙霧濃度都出現(xiàn)異常，作出紅色預(yù)警。

所述遠(yuǎn)程終端是可以連入Internet的設(shè)備，用戶通過遠(yuǎn)程終端可以實(shí)時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)信息和發(fā)布控制指令到基站，并且可以設(shè)置預(yù)警閾值、下載數(shù)據(jù)，根據(jù)遠(yuǎn)程終端的不同，分為PC端和移動終端，PC端通過Labview等軟件設(shè)計(jì)編寫圖形用戶界面，移動終端是在Andriod系統(tǒng)下利用Java語言編寫軟件。

所述傳感器節(jié)點(diǎn)的重要組成部分是支持最新ZigBee協(xié)議—ZigBee2007的由TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，它集成單片機(jī)、ADC和無線通訊模塊于一體，其中，所述單片機(jī)是一種增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，所述無線通信模塊的內(nèi)核符合IEEE802.115.4/ZigBee協(xié)議，支持CRC硬件校驗(yàn)。

所述傳感器模塊包括溫度傳感器、濕度傳感器和煙霧傳感器。

所述監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)是溫度、濕度和煙霧濃度。

所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型、樹型或者網(wǎng)型結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對古建筑內(nèi)部溫度、濕度和煙霧濃度的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，使對古建筑的火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警擺脫了空間的限制，應(yīng)用范圍更廣；監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便；與有線技術(shù)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)增加或更換節(jié)點(diǎn)相對表較容易，整個網(wǎng)絡(luò)的拓展性強(qiáng)，也易于維護(hù)；節(jié)點(diǎn)部署在需要監(jiān)控的古建筑區(qū)域即可，而且節(jié)點(diǎn)可自組織形成網(wǎng)絡(luò)，安裝成本低、周期短；傳感器節(jié)點(diǎn)只有在采集數(shù)據(jù)和傳送數(shù)據(jù)時才會被喚醒，其余時間都處于休眠狀態(tài)，能耗小，運(yùn)行成本低；系統(tǒng)預(yù)警分為黃色、橙色、紅色三級預(yù)警，方便工作人員對于不同異常情況作出相對應(yīng)的具有針對性的處理；電源供應(yīng)模塊采用自供電形式，無枯竭危險(xiǎn)，太陽能發(fā)電干凈無公害，不受資源分布地域的限制，可在用電處就近發(fā)電，能源質(zhì)量高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；

A傳感器節(jié)點(diǎn)；B網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；C監(jiān)控區(qū)域；D基站；E遠(yuǎn)程終端；

圖2是本發(fā)明的傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

A星型結(jié)構(gòu)；B網(wǎng)型結(jié)構(gòu)；C樹形結(jié)構(gòu)；協(xié)調(diào)器 ○路由器或終端節(jié)點(diǎn)；

圖5是本發(fā)明的電源管理流程圖；

圖6是本發(fā)明的自供電式能量供應(yīng)模塊結(jié)構(gòu)圖；

圖7是本發(fā)明的監(jiān)控預(yù)警流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離古建筑火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、基站、遠(yuǎn)程終端。分布在古建筑各個區(qū)域監(jiān)控溫度、濕度和煙霧濃度的傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以自組織形成網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，傳感器節(jié)點(diǎn)包括傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。如圖3所示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括中央處理單元、存儲單元、射頻收發(fā)模塊、GPRS通信模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。基站包括可以完成數(shù)據(jù)匯集的節(jié)點(diǎn)和一臺可以連入Internet的計(jì)算機(jī)，兩者通過USB接口和仿真器相連接。遠(yuǎn)程終端是可以連入Internet的設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、臺式計(jì)算機(jī)等。

如圖4所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型、樹型或者網(wǎng)型結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由專用中心服務(wù)節(jié)點(diǎn)來負(fù)責(zé)處理整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)行；樹型結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一定的容錯能力，一般一個分支和節(jié)點(diǎn)的故障不影響另一分支和節(jié)點(diǎn)的工作，是廣播式網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各傳感器節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸。具體采用哪種方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，視具體情況而定，也可以采用多種并用的混合型結(jié)構(gòu)。如果古建筑內(nèi)部面積不大，則可以采用星型結(jié)構(gòu)，這時的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)在一跳的范圍內(nèi)就可以完成數(shù)據(jù)傳輸。否則可以考慮樹形結(jié)構(gòu)或者網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，此時的部分傳感器節(jié)點(diǎn)會同時承擔(dān)路由節(jié)點(diǎn)的功能。路由節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行通信時，會首先判斷下一跳是否是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，如果是就直接完成傳送數(shù)據(jù)；如果不是，就會繼續(xù)與下一跳的路由節(jié)點(diǎn)通信，直到傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為止。

根據(jù)實(shí)際古建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間情況，采用合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)密集布置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)可以自組織形成一個多跳網(wǎng)絡(luò)，每一個傳感器節(jié)點(diǎn)都有一個特定的ID。而且，傳感器節(jié)點(diǎn)的采集頻率可以人為設(shè)定，比如初始采集頻率可以設(shè)置為每10s采集一次。如圖5所示，傳感器節(jié)點(diǎn)只有在采集數(shù)據(jù)和傳送數(shù)據(jù)時才會被喚醒，在其余時間都處于休眠狀態(tài)，能耗低，運(yùn)行成本低。采集完古建筑內(nèi)溫度、濕度和煙霧濃度信息后向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，而且處于傳感器邊緣的節(jié)點(diǎn)必須通過其他節(jié)點(diǎn)來向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。在古建筑內(nèi)部的每一個監(jiān)控區(qū)域，都會有一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來負(fù)責(zé)搜集由該區(qū)域所有傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與基站之間通過傳輸網(wǎng)絡(luò)連接，所有的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)都會連接到上層的傳輸網(wǎng)絡(luò)中，然后將搜集到的古建筑內(nèi)部溫度、濕度和煙霧濃度發(fā)送給基站的匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過USB接口和仿真器與基站的可以連入Internet的電腦連接，將數(shù)據(jù)傳送到電腦上。而且，控制指令等的發(fā)布也是通過USB接口和仿真器從電腦傳入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而傳入網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，直至傳入終端傳感器節(jié)點(diǎn)完成控制指令為止。傳輸網(wǎng)絡(luò)具有不間斷電源供應(yīng)的多個無線通信節(jié)點(diǎn)，提供網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和基站之間的通信帶寬，保證網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和基站之間的通信可靠性。基站把收集到的所有數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet，通過Internet傳送到一個中心數(shù)據(jù)庫，由中心數(shù)據(jù)庫提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)。而且，基站也可以將收集到的數(shù)據(jù)保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫中。所有可以連入Internet的遠(yuǎn)程終端設(shè)備(如手機(jī)、筆記本等)都可以訪問中心數(shù)據(jù)庫和向基站發(fā)布各種命令。

傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)模塊采用自供電形式，即通過太陽能電池板發(fā)電供電，無枯竭危險(xiǎn)。太陽能發(fā)電干凈無公害，不受資源分布地域的限制，可在用電處就近發(fā)電，能源質(zhì)量高。自供電式能量供應(yīng)模塊包括太陽能電池板、控制器和蓄電池，其中太陽能電池板用于發(fā)電，控制器用于對蓄電池充放電的管理，以及夜間和白天的充放電選擇?？刂破髋c節(jié)點(diǎn)之間通過USB接口連接，可以輸出5v的電壓給節(jié)點(diǎn)，滿足節(jié)點(diǎn)工作需要。蓄電池用于白天充電和夜間放電，保證節(jié)點(diǎn)的不間斷電源供應(yīng)。具體實(shí)施方式如圖6所示，控制器先與蓄電池連接，控制器會自動識別蓄電池電壓后開始工作，然后將控制器與太陽能電池板連接，這樣，蓄電池可以通過控制器儲存來自太陽能電池板的電能。最后，控制器通過USB接口與節(jié)點(diǎn)負(fù)載連接，蓄電池通過控制器輸出5v電壓到節(jié)點(diǎn)負(fù)載。

監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)事先對所監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)溫度、濕度和煙霧濃度設(shè)定閾值，如果實(shí)施監(jiān)控的這些數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的閾值，那就會作出預(yù)警處理，提醒工作人員有異常情況發(fā)生。根據(jù)實(shí)際各數(shù)據(jù)異常情況不同，將預(yù)警分為三個等級：如果監(jiān)測到的溫度高于閾值或濕度低于閾值，作出黃色預(yù)警，說明此時天氣干燥、炎熱異常，容易發(fā)生火災(zāi)，提醒工作人員注意巡邏、嚴(yán)加巡查，避免發(fā)生火災(zāi)；如果監(jiān)測到的煙霧濃度超過閾值，作出橙色預(yù)警，說明此時極有可能已經(jīng)發(fā)生火災(zāi)，且火勢較小，必須立即處理；如果監(jiān)測到的溫度、濕度和煙霧濃度都出現(xiàn)異常，作出紅色預(yù)警，說明此時已經(jīng)發(fā)生火災(zāi)，而且火勢較大，必須立即作出相應(yīng)處理。三級預(yù)警的設(shè)置，便于工作人員對于不同異常情況作出相對應(yīng)的具有針對性的處理。預(yù)警的工作流程如圖7所示，對于采集到的溫度、濕度和煙霧濃度，首先檢測溫度是否超過閾值、濕度是否低于閾值、煙霧濃度是否高于閾值，如果這三者同時發(fā)生，則作出紅色預(yù)警。如果三者中至少有一項(xiàng)未發(fā)生，則執(zhí)行下一步，即分別檢測溫濕度和煙霧濃度是否異常，這兩個環(huán)節(jié)是并行同步進(jìn)行的。如果檢測到煙霧濃度超過閾值，作出橙色預(yù)警；如果檢測到溫度超過閾值或者濕度低于閾值，則作出黃色預(yù)警；如果經(jīng)單獨(dú)檢測后兩個環(huán)節(jié)都沒有異常發(fā)生，則說明未發(fā)現(xiàn)火情，一切正常，不作預(yù)警處理，回到初始點(diǎn)重新檢測。