基于无线传感器网络的智能建筑安防系统研究1
邓莹，张丽，刘有源
武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉(430063)
E-mail：nomad_dg@126.com
摘 要：传统的基于电话线或总线式的智能建筑安全防范系统存在通信堵塞或布线困难等问
题。本文将无线传感器网络引入智能建筑安全防范系统，提出了基于无线传感器网络的智能
建筑安全防范系统的基本结构和具体实现方法。系统充分发挥无线传感器网络组网方便、灵
活等特点，利用大量分散布置的无线传感器收集各类信息并通过汇聚结点(基站)传送给中心
计算机进行处理，根据处理结果作出相应的反应、处理。本文详细探讨了网络系统的构成、
信息的收集和处理。
关键词：无线传感器网络，智能建筑，安全防范系统
1. 引言
智能建筑(Intelligent Building)是信息时代的产物，是高科技与现代建筑艺术的巧妙集
成，也是综合经济实力的象征。它一般由三个子系统组成：楼宇自动化系统(Building
Automation System)、通讯自动化系统(Communication Automation System)和办公自动化系统
(Office Automation System)[1]。在国内，又将消防自动化系统(Fire Automation System) 和安
保自动化系统(Security Automation System)从楼宇自动化系统中独立出来，构成智能化建筑
的五个子系统，这就是通常所说的5A 智能化建筑。
给人们生命和财产带来最大的威胁包括两大方面，一方面是由人引起的破坏(如盗窃、
抢劫等)，另一方面是自然灾害引起的破坏(如火灾、煤气泄漏等)，而目前智能建筑安全防
范系统所采用的联网方式存在布线复杂，易受环境限制等诸多缺点。另一方面，无线传感器
网络具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点，能在人们不易到达的地方或危险的区
域布置，具有得天独厚的优势[2]。本文将无线传感器网络引入安全防范系统，充分发挥无线
传感器网络的优点，以提高智能建筑安全防范系统的整体性能。
目前，无线传感器网络得到世界范围内的广泛重视，可广泛应用于军事侦查、森林防火、
环境监测、医疗保健等众多领域。在这类应用领域中，传感器节点可以随机布置，且数量庞
大、通信协议相对更复杂。而智能建筑安全防范系统具有自身的特点，其传感器节点可以有
针对性的预先布置，因而具有相对固定的网络拓扑结构，网络通信和路由协议等也具有其特
点。因此，在系统设计时应仔细考虑这些问题。
2. 系统联网方式
当前安全防范系统的联网方式采用电话线、总线、电力线、专线、无线等多种方式，而
目前应用最广泛的是总线和电话线，见表1。
由表1 可知，总线和电话线联网方式有自己的特点，但外部环境对它们限制很大，不能
“随心所欲”布线。本文采用无线传感器网络联网方式能有效地克服两种联网方式的缺点，同
时又兼有两者优点。
1本课题得到湖北省自然科学基金项目(项目编号：2006ABA302)的资助。
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表1 系统联网方式
总线 电话线 无线传感器网络
特点 容量大，集成性能优，适合大中
型建筑，特别是新建建筑。
对线路敷设、总线隔离技术要求
高，不适合独家独户使用，只能联网
使用，通信距离短。
不需额外布线，适合老区
改造，可方便用手机、电话等
语音方式通讯报警。
容易产生堵塞现象，通讯
费用高。
无需布线，节点布置
灵活，通信可靠无堵塞，
可有效杜绝死区。
3. 安全防范系统总体设计
3.1 系统总体设计
以某商务写字楼单层为例，传感器节点可按图1 所示布置构成无线传感器网络。其他建
筑，如住宅小区等与此类似。
图1 单层商务写字楼无线传感器网络
以此为基础扩展，将图1 中端机节点作为小节点，构成以单层为单元的整栋商务写字楼
无线传感器网络，如图2 所示。
图2 整栋商务写字楼无线传感器网络
A
A
A A
A A
B
B
C C 上位PC 机
机
传感器节点
端机节点
上位PC 机
A：写字间
B：报告厅、会议厅
C：卫生间
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传感器在整个系统中起着关键作用，表2 例举了系统可选传感器类型。
表2 系统可选传感器
作用 传感器类型 参考型号
热释电红外传感器 PIS-209S、RE200B
门磁开关传感器 FD系列
防盗报警
玻璃破碎传感器 BS-02
火灾检验 感烟传感器 HIS-07、NIS-09C
感温传感器 TPS-333、TPS-334
煤气泄漏 煤气传感器 MQ-5、MQ-216
3.2 节点设计
节点组成框图如图2 所示。端机节点与基站节点有所区别：基站节点无传感器模块，而
端机节点无上位PC 机模块。
图2 节点组成框图
主控芯片MSP430F149 是TI(Texas Instruments，美国德州仪器)推出的一款16 位超低
功耗单片机，供电电压只需1.8～3.6V，具有16 位RISC 结构、125ns 指令同周期、多达60KB
FLASH ROM 和2KB RAM，另外它还配有：12 位200Ksps 的A/D 转换器(自带采样保持)、
内部温度传感器、具有3 个捕获/比较寄存器的16 位定时器Timer_A/Timer_B、2 个串口(可
工作于UART 或SPI 模式)、6 个8 位并口(2 个具有中断能力)和硬件乘法器，整个电路
结构紧凑且高效[3]。
射频芯片nRF905 是NORDIC ( 北欧集成电路) 推出的为433/868/915 MHz
ISM/LPRD(Industrial Scientific Medical/Low Power Radio Device)频段设计的真正单片多段无
线收发芯片。它采用优化GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying，高斯频移键控)调制解
调技术，抗干扰能力强，频率稳定性好，灵敏度高达-104dBm，发射功率可调，最大发射功
率是+10dBm。可单端连接50U 阻抗天线，减少PCB 成本。工作电压范围为1.9～3.6V，接
收/发射时电流消耗典型值为12.5/11mA，等待模式电流消耗仅为12μA，可满足低功耗要求。
该芯片具有多频道，高灵敏度，高带宽和优良信号选择性等特点，特别实用于可靠性要求高
的无线通信[4]。
4. 信号采集及处理
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4.1 信号采集
4.1.1 防盗报警信号采集
任何有温度的物体都在不断向外界辐射红外线，人体表面温度一般在37 摄氏度，其大
部分辐射能量集中在10um 波长范围内。如果把人的红外辐射直接照射在热释电红外传感器
上也会引起温度变化而输出信号，但这样做，探测距离不远。为加长探测距离，须附加光学
系统来收集红外辐射，通常采用塑料做的菲涅耳透镜作为红外辐射的聚焦系统，如图3 所示。
图3 热释电红外传感器信号采集
门磁开关传感器实际上是一个干簧管，干簧管由两个靠得很近的金属弹簧片构成。两个
金属片为软磁性材料，当干簧管靠近磁场时，金属片被磁化，相互吸引、接触，当干簧管远
离磁场时弹簧片失去磁性，由于弹力的作用两个金属片分开，发出信号。
玻璃破碎时会发出特定的声波，玻璃破碎传感器主要根据这点作出报警判断。该方法是
防止非法入侵的一种辅助手段，是否安装视具体情况而定。
4.1.2 火灾报警信号采集
在物质燃烧过程中，一般都有热(温度)、气体与烟雾、火焰等现象产生，针对不同现
象就有不同火灾信号检测方法。
离子感烟传感器利用放射性元素产生的射线，使空气电离产生微电流来检测。目前大部
分离子感烟传感器采用单源双室工作，即采用一个放射源，二个工作室：一个为参考室，一
个为探测室。没有烟雾进入探测室时，两室的微电流保持平衡;当烟雾进入探测室时，探测
室电流发生变化，破坏平衡，传感器将检测到的信号送到一个正反馈电路，产生报警输出。
感温传感器根据物质燃烧释放出的热量所引起的环境温度升高或其变化率大小，通过热
敏元件与电子线路来探测火灾。
4.1.3 煤气报警信号采集
液化气(俗称煤气)是由碳原子数为4 的碳氢化合物的混合物，主要成分是甲烷。
用煤气传感器能有效地检测是否有煤气泄漏，并产生报警信号。
4.2 信息分析处理
采取不同的传感器信息处理方式，可得到不同系统应用形式，并导致系统在灾情探测与
报警能力、协调控制能力和管理能力及系统本身与上级网络的信息交换等方面产生较大的差
别。因此，传感器信息的分析处理是智能建筑安全防范系统必须考虑的核心问题。
4.2.1 信号特征分析
各种灾情(非法入侵、火灾、煤气泄漏等)表现出来的一些特征，利用不同类型的传感
器可以敏感地感知，并产生相应的传感器输出信号。从信号处理角度分析，传感器输出信号
可以近似地看作是一个非平稳随机过程，利用信号检测和处理方法并结合信号的特性可以有
效地检测出灾情信号。
待 测
目 标
光学系统
(菲涅耳透镜)
热释电红
外传感器
报 警
电 路
信 号
处 理
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但灾情的发生是一个随机过程，因此，传感器输出信号x(t) 的变化是一个非稳定过程，
环境变化如时间、温度和人为其他活动等都可能影响x(t) ，即： x(t) 是随机信号，随时间
或环境变化而变化; x(t) 的背景噪声很强，其特征有时与被测信号及其相似。
x(t) 的表达式通常为：
? ? ?
+
=
无灾情
情
( )
( ) ( ) 有灾
( )
x t
x t x t
x t
n
n f
其中x (t) f —灾情特征信号;
x (t) n —其他因素引起的非灾情信号(噪声)。
显然， x (t) n 与x (t) f 互不影响，灾情发生时我们无法从x(t) 中分离出x (t) f ，但此时
x(t) 有较明显的变化(正向增加或负向减少)，且持续较长时间。因此，防范系统的关键就
是对x(t) 进行有效的分析处理，如图4 所示。
图4 信号分析处理
传感器输出信号x(t) 经处理后得到信号y(t) = T[x(t)] ，这个信号再经判断D[ y(t)] 判
断后产生输出结果。
寻找适当的信号处理算法T，在确保正确检测灾情的同时又具极低的误报警率，是安全
防范系统的首要任务。归纳起来，目前信号处理方法可划分为三大类：阀值比较法、类比判
断法和分布智能法。本文采用阈值比较法，它简单明了，易于实现。
4.2.2 信号处理——阀值比较法[5]
基本原理：直接将输出信号与预先设定值进行比较，当信号大于设定值时输出报警信号。
?? 固定阀值比较法
将传感器输出信号x(t) 幅值与预先设定阀值比较，该方法表达式如下：
? ? ?
≤
>
= =
y t S
y t S
y t T x t D y t
0 ( )
1 ( )
( ) [ ( )] [ ( )]
其中，S—设定阀值。
为提高可靠性和抗干扰能力，可对信号进行平均和延时处理，用x(t) 代替x(t) ，如下
所示：
x t dt
t t
x t t
t
o
∫ −
= 1
0
( ) 1 ( )
1
?? 变化率比较法
将x(t) 的变化率与设定阀值比较，以此来判断是否报警。
? ? ?
≤
>
= =
y t S
y t S
D y t
dt
y t dx t
0 ( )
1 ( )
( ) ( ) [ ( )]
传 感 器X(t) 信 号 处 理 T Y(t) 判 断 D
灾情
非灾情
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同理，可用x(t) 代替x(t) 来提高可靠性和抗干扰能力。
5. 基于无线传感器网络的安防系统运行流程
软硬件设计完成之后系统即可运行起来，大致分为三步，流程图如图5 所示。
首先，初始化基站节点及传感器端机节点。端机节点工作状态分为三种：全布防状态、
半布防状态和撤防状态。
其次，基站根据不同的中断信号进行不同的处理。
最后，完成命令后返回等待状态。
图5 系统运行流程图
6. 结束语
智能建筑自上世纪90 年代进人我国市场以来，国内也相继建成了一批智能建筑，它的
发展提供了许多值得研究的新课题，涉及建筑、信息、通讯等多项技术领域。
安全防范系统是智能建筑不可或缺的子系统，而目前普遍采用的是总线式或电话线式联
网方式，它们在布局和通信上存在一些不足之处，本文结合无线传感器网络的特点，对安全
防范系统的建立，包括传感器节点的布局、信号的采集、分析及处理进行了研究，系统可靠
方便，具有广泛的实际应用前景。
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参考文献
[1] 五岳独尊zzzz.请问3A 建筑是什么意思[EB/OL].http://zhidao.baidu.com/question/6367819.html?fr=qrl3，
2006-4-21.
[2] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.5.
[3] 沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430 系列16 位超低功耗单片机原理与应用.北京：清华大学出版社，
2004.11 [4] Nordic.Single chip 433/868/915 MHz Transceiver nRF905[EB/OL].http://www.nordicsemi.no
[5] 小大.住宅小区消防报警系统设计[EB/OL].http://www.dq.shejis.com/new_lw/html/123768.shtml，2006.11
The Research on Safeguard System of Intelligent Building
based on WSNs
Deng Ying, Zhang Li, Liu Youyuan
Dept. of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan, China (430063)
Abstract
There exists communication jam and wiring difficulty in tradition safeguard system of intelligent
building based on bus or telephone line. This paper introduces wireless sensor network(WSNs) into the
safeguard system, and discuses the basic architecture and concrete realization method of the system
based on WSNs. The system exerts the characteristics of WSNs- organizes conveniently and nimblysufficiently
to use a mass of sensor nodes which laid decentrally to collect information and then send it
to the central computer by sink nodes. The computer deals with the information and makes
corresponding response. This paper discusses the structure of the network, the collection and
processing method of information in details.
Keywords: Wireless Sensor Network, Intelligent Building,, Safeguard System
