開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1-3)—住宅偵煙探測器與Zigbee無線傳輸整合技術

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(1)開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路（1/3）-住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術 Developing Fire Detection Sensor Network for Intelligent Occupancies (1/3) –The Integration of Home Smoke Detector and Zigbee Technology. 內政部建築研究所研究報告中華民國九十八年十二月. I.

(2) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路（1/3）-住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術 Developing Fire Detection Sensor Network for Intelligent Occupancies (1/3) – The Integration of Home Smoke Detector and Zigbee Technology. □協同研究. □自行研究. 執行方式. ：■補助研究. 執行單位. ：中華民國建築學會. 研究主持人. ：曾偉文(中央警察大學助理教授). 共同主持人. ：楊棧雲（北台灣科技技術學院副教授）. 研. 究. 員：王貴民. 研究助理：陳大鵬. 內政部建築研究所研究報告中華民國九十八年十二月. II.

(3) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 目次圖. 次………………… ......................................................................................................... III. 摘. 要……… ......................................................................................................................... IV. 第一章緒論 .............................................................................................................................1 第一節研究目的.............................................................................................................1 第二節問題分析.............................................................................................................2 第三節火警自動警報系統無線感測網路架構.............................................................4 第二章相關文獻回顧 .............................................................................................................8 第三章初步評估與研究方法...............................................................................................14 第一節 Zigbee 應用在火警自動警報感測網路之評估 ..............................................14 第二節 Zigbee 基本功能及特性 ..................................................................................14 第三節無線感測網路(Wireless Sensor Networks)....................................................16 第四節網路火警自動警報感測單元設計...................................................................17 第五節研究方法及過程...............................................................................................21 第四章無線感測偵煙探測器架構及設計...........................................................................25 第一節無線感測網路之初步驗證...............................................................................25 第二節 Zigbee 偵煙探測器之開發 ..............................................................................27 第三節驗證 Zigbee 偵煙探測器之煙濃度與輸出電壓之間的關係 .........................28 第五章成果及貢獻 ...............................................................................................................34 第一節期中工作之配置...............................................................................................34 第二節偵煙探測器成品之開發...................................................................................35 第三節偵煙探測器效能試驗-儀器測試 .....................................................................40 第四節偵煙探測器效能試驗-全尺寸現場測試 .........................................................45 第五節智慧型的偵煙感測系統的先期研究...............................................................50 第六章結論與建議 ...............................................................................................................60 第一節結論...................................................................................................................60 第二節建議...................................................................................................................62 參考文獻 ..................................................................................................................................64. I.

(4) 附錄一：期初會議修正意見審查回覆 ..................................................................................68 附錄二：期中會議修正意見審查回覆 ..................................................................................74 附錄三：期末會議修正意見審查回覆 ..................................................................................81 附錄四：偵煙式局限型探測靈敏度試驗機規格 ..................................................................88 附錄五：各項會議及測試紀錄 ..............................................................................................92 附錄七：全尺寸現場測試實驗計畫書 ................................................................................106 附錄八：專家座談會議 ........................................................................................................109. II.

(5) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 圖次圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 1: 2: 3: 4: 5: 6: 7: 8: 9: 10:. 圖 11: 圖 12: 圖 13: 圖 14: 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 15: 16: 17: 18: 19: 20: 21: 22: 23: 24: 25: 26: 27: 28: 29: 30: 31:. 火警自動警報系統感測網路架構 ..................................... 6 探測器節構造 ............................................................... 17 探測器節點動作流程 ..................................................... 18 感知網路架構圖 ............................................................ 19 全尺寸現場測試示意圖 ................................................. 21 偵煙器電路架構圖 ........................................................ 27 偵煙探測器模組外觀 (一 ) ............................................... 28 偵煙探測器模組外觀 (二 ) ............................................... 28 標準測試儀器 (一 ) ......................................................... 29 標準測試儀器 (二 ) ......................................................... 29 儀器測試之煙濃度與偵煙探測器輸出電壓值之關係 (數據一，電路板 1 使用探測頭 A) ......................................... 儀器測試之煙濃度與偵煙探測器輸出電壓值之關係 (數據二，電路板 1 使用探測頭 B) ......................................... 儀器測試之煙濃度與偵煙探測器輸出電壓值之關係 (數據三，電路板 2 使用探測頭 A) ......................................... 儀器測試之煙濃度與偵煙探測器輸出電壓值之關係 (數據四，電路板 3 使用探測頭 A) ......................................... 圖示數據一至數據四之一致性 ....................................... 主要元件系統方塊圖 ..................................................... 核心軟體動作流程圖 ..................................................... 電路板製作工作流程 ..................................................... 電路板製作過程 ............................................................ 所製作的偵煙探測器成品 .............................................. 儀器測試環境配置 ........................................................ 儀器測試現場 ............................................................... 儀器測試後端監控系統介面 .......................................... 輸出電壓與煙濃度對照關係 .......................................... 以螢幕錄製軟體擷取煙成長過程 ................................... 全尺寸現場測試 ............................................................ 實驗用發煙桶 ............................................................... 錄影實況 ...................................................................... 後端監控介面 ............................................................... 全尺寸現場測試 ............................................................ Lasso 方法所得方程式 ................................................... III. 31 31 32 32 33 35 36 38 39 40 41 41 42 43 44 46 47 47 48 50 61.

(6) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 摘. 要. 關鍵詞：群蜂、住宅偵煙探測器、無線感測網路、智慧居住空間. 由於資通訊技術的突飛猛進，智慧化安全居住空間將有三個重要的發展趨勢，第一是以 " 全泛網路 "(Ubiquitous Network) 為發展最終目標，其中包括無線廣域網路（WWAN）、無線都會區域網路（WMAN）、無線區域網路（WLAN）、無線個人區域網路（WPAN）、無線感測區域網路 (WSAM)的資通訊整合；第二是以感測網路作為前端基礎，對於天然、技術及人為的災害應變以「全災害」(All Hazard)的思維，由居家、社區、都會等一直擴大到國土安全範疇的運用；第三是由於感測網路不斷擴展，為能讓系統更具有可靠性，智慧化居住空間必須結合人工智慧，例如類神經網路(ANN) 及支援向量機 (SVM)等技術的導入，完成真正從自動化進展到智慧化的新領域。本研究 Zigbee 與住宅火災警報器無線傳輸整合技術，係以 Zigbee 平台為基礎，依傳統偵煙式火警探測器訊號輸出，結合在嵌入式系統平台發展的火災成長模式演算法，再將感測器收到資料傳到中控室 PC-Base 受信總機，讓管理人員利用監控系統介面了解單一空間火勢成長及多空間火勢擴散情形，未來透過不同網路，將資訊傳送至應變人員(first responders)，提供未來社會發展面臨建築防火安全相關課題的相關解決方案。本計畫預期目標包括擬訂火災警報探測器無線感測網路(WSN) 架構與建置方案、Zigbee 火警探測器之硬體的規劃與設計、Zigbee 火警探測器之軟體的規劃與設計、無線感測器網路的整體規劃與測試、以及模擬分析、性能改善及實體展示。. IV.

(7) Abstract Key Word ： Zigbee, Home Smoke Detector, Wireless Sensor Network (WSN), Intelligent Occupancies. As a result of rapidly developing information and communication technology, there have been three important developments in intelligent occupancy safety. The first aims to integrate Wireless Wide Area Networks (WWAN), Wireless Metropolitan Area Networks (WMAN), Wireless Local Area Network (WLAN), Wireless Personal Area Networks (WPAN), and Wireless Sensor Area Networks (WSAM) to achieve the so-called “Ubiquitous Network.” The second is to utilize the sensor network on a front-end basis to provide emergency response solutions to natural, technological and man-made disasters with "all hazards" thinking. Such systems may be applied to household, community and metropolitan areas, and even expanded to the scope of Homeland Security. The third is to make the system more reliable. Due to sensor network expansion, intelligent occupancy systems must combine with artificial intelligence technologies such as Artificial Neural Networks (ANN) and Support Vector Machine (SVM), among others, to achieve the real goal of moving from automation to intelligence. This study sets up a Wireless Sensor Network (WSN) with home smoke detectors based on Zigbee technology. The fire growth model algorithm is used to translate data from conventional home smoke detectors. This detailed fire information is transmitted to the PC-Base panels in the control room once a fire has occurred. This enables security staff to monitor the fire growth in a single room, and its spread to other rooms, through a single monitoring system interface. In the future, through the combination of a variety of networks, such emergency information may be sent to remote first responders to provide relevant solutions in the field of emergency response. The expected objectives of this study include: setting up the structure of a WSN for home smoke detectors; planning and designing the hardware and software of the Zigbee fire detectors; planning and testing the overall WSN; analyzing the on-site simulations; improving and demonstrating the performance of a complete system.. V.

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(9) 第一章緒論. 第一章緒論為解決目前所面臨的問題與創造更便利、更智慧的生活及居住品質的前提下，行政院 2005 與 2006 年產業科技策略會議(SRB)，特將高科技的電子、電機、材料、資訊及通信等 ICT 產業與傳統營建產業結合，提出「智慧居住空間發展策略」的議題，運用我國現有機電、電子、材料、資訊、通訊、自動化及控制產業與技術優勢，掌握智慧化居住生活科技發展趨勢與機會，使其從國土規劃、都市建設、社區、建築以至住戶單元，均能展現「智慧好生活」所帶來的安全、健康、便利、舒適、快樂與永續生活環境；並依據 2006 年 8 月 9 日院台科字第 0950089741 號函，指示內政部主辦，經濟部、交通部協辦有關社區安全事宜，重點工作在於「運用資通訊技術與聯防機制，有組織的將住家串連整合成優質 e 化安全社區」，推動執行「社區安全 e 化聯防機制計畫」。有鑑於此，內政部建築研究所為善用台灣於電資通技術及基礎產業製造技術的優勢，及政府正推動之 e-Taiwan/M-Taiwan/U-Taiwan 等基礎建設之上，促進相關產業-建築/營建產業、室內設計產業、ICT 組件產品產業、微機電產業(微探測器)、安全照護產業、醫療照護服務產業、新建材(奈米)產業、永續節能等產業之蓬勃發展，帶動當前經濟的發展。希望透過政府專案計畫之投入、關鍵核心應用產品的開發、共通平台標準訂定、4C 產業（電腦、通訊、消費性電子及控制產業）的整合發展、跨領域人才養成，以智慧建築作為載體等策略行動方案的執行，可以帶動智慧好生活與相關設施發展的無限前景。也藉由現今電子、電機、資訊、通信與自動化設備等科技技術的進步，促使智慧化居住生活的願景得以提前實現，進而讓智慧好生活之智慧化居住空間提前來臨。第一節. 研究目的. 為達上述目標，本案配合上開計劃，以型塑我國相關之智慧化居住空間. 1.

(10) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 科技產業整體的環境發展為規劃和推動，促進產業創新應用設計為導向和積極進行產業應用落實拓展以促成現代產業特色建立等，作為配合上開計畫具體執行方向和短期目標。並依短期策略目標工作項目六大分項計畫中之「智慧化居住空間產業創新開發與整合應用」，將一般建築物常見之火警自動警報系統予以智慧化，配合 Zigbee 無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN) 技術，解決當前我國建築防火面臨之重大問題。第二節. 問題分析. 一、住宅火災發生及死亡人數居高不下都市集合住宅社區形成的主因，在於都市經濟形態與結構的快速成長，大量的就業機會與商機而導致人口急劇膨脹並聚集於大都會區之中；促使建築密度持續地增加，也使得一般民眾所居住活動的生活空間相對地縮減。在超量的聚居環境之下，使得現有的老舊集合住宅因改建、翻修不易，而必須面對非預期性火災威脅。根據消防署歷年統計資料顯示，台灣地區平均每年發生火警約八千四百件，因火災而死亡的人數約 210 人，受傷 390 人，損失的財物高達 28 億元以上，是所有災害當中對人民生命財產損失最大的，且相關調查資料顯示火災中 60%是發生於都市老舊的集合住宅社區。近年來，由於各消防機關針對供公眾使用建築物嚴格執行消防安全檢查、檢修申報、防焰、防火管理等制度，火災傷亡人數明顯下降；但住宅火災傷亡人數卻一直未見降低，尤其是老舊住宅社區，主要就是住宅為私領域，公權力不易介入，因此消防機關近年大力宣導裝置住宅用火災自動警報器，但此種安裝簡易、價格便宜的火災警報器，並不可將火災信號移報，當在人可密度極高的都會區集合住宅，如能將此種簡易火災警報器能相互連動並移報訊號至社區管理單位，例如活動中心警衛室、鄰（里）長家中等，於火災發生之初即能提醒住戶疏散，保障生命財產安全，應是可行的方向。二、老人、幼童及身心障礙福利機構等避難弱者人命高風險場所激增台灣地區由於在 1980 年代中期後完成「人口轉型」的階段，以致於高齡化的速度開始加速成長。農業社會之高出生率與高死亡率已由於產業轉型，科. 2.

(11) 第一章緒論. 技進步及醫藥發達等狀況的改變而轉變為低出生率與低死亡率的人口現象。因死亡率不斷下降，老人人口不斷增加的狀況下，使得台灣地區的社會高齡化現況日趨明顯。依據行政院內政部統計指出，1993 年台灣地區 65 歲以上老年人口已佔人口總數的 7%，正式邁入「高齡化社會」，而截至 2007 年 3 月底止，我國 65 歲以上老年人口佔總人口數 10.05％(內政部，2007)，顯示我國正由高齡化社會(Aging-Society)邁向高齡社會(aged-Society)[1]，預估 2025 年我國人口中將有五分之一是老人(行政院經濟建設委員會 2006; 林萬億 2006)。由於台灣邁向福利國的趨勢走向，老人及身心障礙福利機構如雨後春筍般的成立，而其收容之老人及身心障礙者，如年老體衰、行動不便、肢體殘障、視覺障礙、聽覺障礙、智能障礙等，均為消防上所謂避難弱者，一旦火災發生，由於其對於災害情報及行動的障礙，其所採行的防火措施及避難對策，與其他類型建築物孒然不同，部分老人及身心障礙者，須以輪椅、擔送或靠醫護人員、親友攙扶才能行動，甚至有終年臥病在床無法行動者，每當發生災害時總造成重大傷亡，例如 1998 年 1 月中和市慈民安養中心火災造成 11 人死亡 10 人受傷，2000 年 5 月宜蘭市蘭陽仁愛醫院第二院區 8 人死亡 19 人受傷就是明顯的案例；因此如何根據內部人員特殊的防火避難特性，提升火警自動警報系統功能，除讓避難弱者有較充裕時間進行避難外，讓少數照護人員全力投入疏散，亦能使消防單位能即早得到通報，在最短的時間介入，是值得思考的方法。三、歷史古蹟等文化建築高價值資產保護受到重視在我國，除歐式建築外，現存的閩南或日式古蹟建築，很多採木構造或半木構造，2007 年 4 月燒毀的草山行館即屬之，這樣的建築，一般因架設消防設備會破壞結構不易隱藏，且依文化資產保存法，有關消防安全事項也不受 114. 1. 依據世界衛生組織 (WHO)定義， 65 歲以上老年人口數佔全國總人口數的比例超過 7%時，稱為「高齡化社會」(Aging-Society)，65 歲以上老年人口數佔全國總人口數的比例超過 14%時，稱為「高齡社會」(Aged-Society)。. 3.

(12) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 消防法規範，因此大多未裝設消防安全設備，而這些場所未能常時有人，這就是為什麼古蹟與相關文化資產遭受火害時，往往必須以全毀收場。另外，近年來經由熱情的文史工作人士的努力，讓古蹟及文資保存與觀念在我國得以受到重視，政府部門也以”活化”與”再利用”等策略，來擴大這些歷史資產的價值；但由於空間的重新規劃，例如增設展場、博物館及餐廳等，也帶入了電氣與瓦斯等現代設備，在原本非防火材料的裝修中，線材及管線未有不燃材料包覆，更遑論貫穿所需的填塞，讓火害潛在的風險也相對提高了，如何採用隱藏無線火災警報探測器，維持建築古蹟原貌並提升高價值資產安全度，是現代化國家所應重視的課題。當前使用的火災報警與消防聯控系統大多是基於 CAN 匯流排的局域網，資料以有線方式傳送，而有線方式帶來許多制約系統性能提高的問題：耗材多、施工與維護複雜，功耗大，系統建設及運行成本高、抗干擾能力低；線路容易老化或遭到腐蝕、鼠咬、磨損，故障發生率高、誤報率和漏報率高。無線感測網路能夠用無線通信鏈路取代傳統網路中錯綜複雜的電纜，非常方便地實現快速、靈活、安全、低成本、低功耗的資料和話音通信。因此，火災報警系統有線方式被無線方式取代已是必然趨勢。第三節. 火警自動警報系統無線感測網路架構. 智慧化建築物 (Intelligence Building)的技術，多年來累積無數寶貴的工作經驗，帶領著建築物走向高安全、高品質、高功能、資訊化及人性化的建築科技。智慧型建築的主要特色是運用尖端的網路科技及電腦技術將建築物的機電空調、水電消防、安全門禁、數位監視及廣播通信....等建構成數位化、資訊化、自動化、整合化的高科技大樓，但大多運用在新建建築體中，對於老舊建築物結構上的限制多未能適用，例如可能會破壞防火區畫，本研究以無線、數位、區域感知網路技術，可提供較符經濟且具彈性的既有建築物改善方案，為本架構第一階段目標。建築物通訊及資訊研究多年，使不同建築設備控制系統間能互相溝通並分享訊息，這項協定稱之為 BACnet(Building Automation Control Network)，透. 4.

(13) 第一章緒論. 過這項協定本研究可以經由建築物自動化系統（Building Automation System 簡稱 BAS），在建築物中央防災中心作統一監控與管理，但這些信號僅有動作與位置的資訊，由於缺乏決策系統的支援，在緊急關鍵時刻無法提供即時所需的訊息，例如：煙霧感應器無法判別非火災所引起的誤動作(如油漆揮發性物質所引起偵煙探測器的動作)、以及無法在前端做初步運算去產生一個動態即時的資訊(如火勢達到閃燃的預估時間或煙層下降高度無法採為避難逃生之預判)；藉由本研究依 Zigbee 的特性發展一種標準的決策支援工具，可以轉換最先收到的感應器的訊號並具以下的分析能力，達到本架構第二階段目標： z. 透過熱、煙、瓦斯感應器的信號去鑑別並判斷出火勢大小及成長速度；. z. 透過網路，即時的進行對煙和火擴散到各空間的即時路徑分析；. z. 同時掌控多個不同時間產生的火源關係，即時因應人為蓄意攻擊；. z. 根據感應器的訊號判斷出各開口啟閉情形，搭配建築物內部的結構圖及平面圖，以利於避難；. z. 因應建物新建、擴建或改建等變化，建立可快速彈性調整的偵測點佈建方式，及相關感測網路的對應更新。. 為了提供緊急應變者（諸如警察人員及消防人員等）有關建築物內的訊息，以保障緊急應變者的安全，提供更有效率的指揮派遣，最大的挑戰是如何將建築物內的資訊以一個標準的作業流程來收集、傳送、呈現給緊急應變者作為參考，也因此，緊急應變者所得到的訊息有即時(real time)、有效(available) 及可互通(interoperability)的需求，然後方能研擬對策，決定更安全更有效率的應變措施；這些緊急應變人員必須到達現場前就能了解發生甚麼情況，建築物應能在事件發生之初，甚至在監視器或探測器動作之時，就可將建築物內部的狀況送出給外部危機處理人員，本計劃架構第三階段目標即是訂定一個標準的作業流程與技術，來傳送訊息給內部及外部的緊急應變人員，並依此作業流程建立相關的資訊管理系統。例如建築火災警報系統通常在每個房. 5.

(14) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 間都擁有火災探測器，當煙的濃度或溫度上升其群集反應定達一定可信程度，即警報器響起，中央監控螢幕上標定警戒區域，透過智慧反應的技術，這些火災訊號會被傳送到電腦去判定火災的成長和過程，這些訊息在消防人員抵達現場前就可以將火勢大小、延燒狀況、甚至空調暖器系統的溫度資訊可了解火煙是否經由管道來延燒，將這些資訊傳送給緊急應變人員，俾能迅速實施搶救作業。本計劃將分三年(四階段)完成，達成如圖 1 所示之下列目標： z. 第一階段：整合火警探測器與 Zigbee 無線傳輸技術。(第一年). z. 第二階段：導入 PC-based 智慧決策系統至火警自動警報感測網路。 (第二年). z. 第三階段：建置區域感測網路與公眾網路整合技術之資訊管理系統，之後展示與推廣整合實體。(第三年) 建築物(社區)網路. 公共安全網. 感測網絡. 網路其他相關資訊：醫院、調查、國境等控制單元建築物伺服器資訊治安機關. 災防機關. 現場應變人員. 第一階段 ZigBee技術導入住宅火災警報器. 圖 1:. 第二階段火警自動警報感測網路決策系統的應用. 第三階段 1. 建築物感測網路與公眾網路整合技術 2. 實體展示與推廣. 火警自動警報系統感測網路架構. 6.

(15) 第一章緒論. 綜合歸納前述，火警自動警報感測網路具有以下優點： (1) 探測器無線連結，安裝不影響建築物結構，尤其使用多年之老建築； (2) 整合傳統設備，易於推廣普及； (3) 提升偵知報警性能，避免誤報浪費救災資源； (4) 結合公眾網路，讓報警自動化與數位化； (5) 藉由群組偵煙探測器可進一步確認災害的確切位置及發展動態； (6) 數位化網路可再整合溫、溼度資訊做為判斷減少誤差； (7) 以及具有快速反應時間等特性。. 7.

(16) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 第二章相關文獻回顧 Sensor Network 的技術受到了非常廣泛的注意，因此許多學者也試圖應用在多種不同的環境上，並且取得資訊來做更進一步的分析。例如針對火山活動的觀察分析中，Lorincz 就建構了一個無線感測網路用以監視坐落在厄瓜多的西亞馬遜地區的 Reventator 活火山的活動，作者使用一個兩段的方法來突破無線感測網路資源的限制，包括無線感測網路模組的低傳輸率及記憶體不足的問題，在偵測到因地震而引起的事件時，資料立即寫進快閃記憶體，之後再利用膝上型電腦在基地營統一收集資料。肇因於無線頻道的傳輸速度，一分鐘所收集事作資訊，往往需時好幾分鍾才能傳輸完成，在處理這個問題時作者建構一個容量較大的在地緩衝記憶區來克服。對於 Sensor Network 的論文相當廣泛，與傳統的建築監測方式比較上， Chintalapudi 描述一個應用無線感測網路用以監測大型公共建築其結構的健康狀態，本研究彰顯無線感測網路的兩個重要的優缺點，第一是其建構的方便性，其二是其所反應的低傳輸率，在依數據感測及監視的應用高度成長的帶動下，本篇作者樂觀預測將來無線感測網路將完全取代有線的建築監測系統。其他參考文獻概述如下： 1.. K. Sha, W. Shi, and O. Watkins, "Using Wireless Sensor Networks for Fire Rescue Applications: Requirements and Challenges," IEEE International Conference on Electro / Information Technology, pp. 239-244, May. 2006. 最近幾年無線感測網路的研究受到許多的注意，實際應用上例如棲息地. 的監控、環境和建築物的監控。本篇論文裡本研究討論無線感測網路在火災研究的應用上是非常有用的技術。首先，在這應用上有四個必需的特性，包括消防人員的責任、及時的監控、有智慧的計劃表和配置的資源、啟動廣播系統和整合。為了滿足這些需求，對於這些特性的應用本研究提出 FireNet 無線感測網路的結構。建立在這些需求及特性上的無線感測網路。最後本研. 8.

(17) 第二章相關文獻回顧. 究認為無線感測網路是非常強大且適合的工具。. 2.. Z. Chaczko and F. Ahmad, "WIRELESS SENSOR NETWORK BASED SYSTEM FOR FIRE ENDANGERED AREAS," Proceedings of the Third International Conference on Information Technology and Applications (ICITA'05), 2005. 這篇文章描述一種系統設計方法用於無線感測網路的應用，用來測量溫. 度和濕度以及應用於偵煙探測器。這樣的一個設備可以被用來當作森林或是公共基礎設備的火災預警系統。這樣的系統被開發以後，為了發展一個複雜的網狀網路，一種網狀網路拓撲將以選擇的微晶片技術實現。本篇文章完整的描述測試問題以及系統設計，使用軟體模擬技術用來示範數據將如何從一個節點或者探測器傳到另一個探測器上。. 3.. Konrad Lorincz and Matt Welsh and Omar Marcillo and Jeff Johnson and Mario Ruiz and Jonathan Lees: Deploying a wireless sensor network on an active volcano, EEE Internet Computing 10(2): 18-25 (2006). 本文描述建構一個無線感測網路用以監視坐落在厄瓜多的西亞馬遜地區. 的 Reventator 活火山的活動，作者使用一個兩段的方法來突破無線感測網路資源的限制，包括無線感測網路模組的低傳輸率及記憶體不足的問題，在偵測到因地震而引起的事件時，資料立即寫進快閃記憶體，之後再利用膝上型電腦在基地營統一收集資料。肇因於無線頻道的傳輸速度，一分鐘所收集事作資訊，往往需時好幾分鍾才能傳輸完成，在處理這個問題時作者建構一個容量較大的在地緩衝記憶區來克服。. 4.. Krishna Chintalapudi, Tat Fu, Jeongyeup Paek, Nupur Kothari, Sumit Rangwala, John Caffrey, Ramesh Govindan, Erik Johnson, Sami Masri: Monitoring Civil Structures with a Wireless Sensor Network. IEEE Internet. 9.

(18) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. Computing 10(2): 26-34 (2006). 作者描述一個應用無線感測網路用以監測大型公共建築其結構的健康狀態，本研究彰顯無線感測網路的兩個重要的優缺點，第一是其建構的方便性，其二是其所反應的低傳輸率，在依數據感測及監視的應用高度成長的帶動下，作者樂觀預測將來無線感測網路將完全取代有線的建築監測系統。. 5.. 段勇、昂志敏、金海紅，“基於 Zigbee 技術的森林火災自動報警系統”，國外電子測量技術，2007 年，第 04 期本文採用 Zigbee 這種低速率、低成本、低功耗的短程無線通信技術，介. 紹以 Zigbee 技術為基礎的森林火災自動報警系統，運用 Zigbee 技術結合成熟的地理資訊系統(GIS)，設計研發森林火災自動報警系統，除說明系統組成架構及感應傳輸之軟硬體設計，對於關鍵功耗及數據傳輸可靠性問題提出建議，惟對於探測器靈敏度、探測範圍、無線傳輸可靠性、準確性以及系統過程控制能力須要在進一步研究。. 6.. 顏學義、葉湘濱，“基於 Zigbee 技術的火災報警探測器節點設計”，嶽陽職業技術學院學報 2007 年，第 06 期本文介紹了探測器節點的軟體與硬體設計，說明系統基於 Zigbee 無線通. 信協定設計，克服了有線感測網路的局限性，避免了其他無線通信技術的高功耗的缺點，具有節點成本低、網路容量大、生存週期長等特點。. 7.. 劉靜，趙望達，“基於 ZigBee 技術的火災報警系統設計”，單片機與嵌入 Microcontrollers & Embedded Systems，2007 年，第 01 期本文主要介紹基於 Zigbee 標準的射頻晶片 CC2500 和以 STC89LE516D. 單片機為核心，作為無線火災報警系統的硬體電路及軟體流程設計，說明系統應用無線射頻晶片與單片機系統相結合，可以實現早期火災信號的探測和預報警，並由系統通過射頻收發模組實現資料的傳輸。. 10.

(19) 第二章相關文獻回顧. 8.. 厲劍、董文輝、梅志斌、劉凱，"火災探測器智慧探測演算法實現與性能評估技術 "，消防科學與技術，2006 年 05 期本文主要介紹侷限型偵煙火災探測演算法的設計與性能評估過程，說明. 為了獲取資料樣本而建立的火災探測應用環境與火災資訊資料庫的基本情況，並在資料分析的基礎上，概述了火災探測演算法的實現方法；為了對演算法的性能進行評估和驗證；進一步研究了演算法的評估模式與技術方法，以及為性能評測試驗而建立的火災探測性能評估類比試驗平臺的具體內容，以便提升局限型偵煙火災探測器的綜合探測能力，減少漏報和誤報，而提高火災探測器的整體技術水準。. 9.. 肖昕宇、戴瑜興，"基於 ZigBee 技術的消防報警定位系統設計”，低壓電器，2007 年 18 期本文描述針對現代火災呈現出的立體化、複雜化、多樣化發展趨勢，設. 計了基於 ZigBee 技術，以無線單片機 CC2431 為核心的消防報警定位系統，並給出了硬體電路圖、軟體流程以及測試方法。系統採用 2.4 GHz 直接序列擴平，利用接受信號強度來予定位，運用在建築務內火警進行即時監控，追蹤消防人員位置。. 10. 邱敬峰，”以 ZigBee 平臺為基礎應用於長期照護系統之研究”，亞洲大學資訊工程學系 94 年碩士論文本文開發一個以 ZigBee 平臺為基礎，應用於長期照護系統。採用了 MICROCHIP 的 PICDEM-Z 產品。以 802.15.4 的 ZigBee 作偵測訊號的傳輸方式，一有異常立即提供給醫護人員適時的處理。目的是為了日益高齡化的社會結構改變，提供護理之家或是家庭照護上更為便利的監控系統。. 11. 翁仁芳，”無線網路架構之智慧型消防資訊系統”，元智大學資訊管理研. 11.

(20) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 究所 92 年碩士論文本研究主要目的是要建置一套以無線網路為架構的智慧型消防資訊系統。當火警探測器偵測到火災發生時，即透過遠端探測器上的 OSPF 路由協議，透過無線網路，將資料傳送到消防資訊系統上，系統此時會利用語音及逃生指示燈，提供火場人員逃生指引，並在螢幕上顯示火警發生位置圖及顯示相關消防設備之連動，同時自動透過語音報警。在消防資訊電腦收到火災訊息同時，會從資料庫中搜尋該火場之位置圖、消防設備設置圖及其相關資料等，透過傳真傳送到消防隊上，供消防隊搶救火場之重要參考。文中說明採用無線網路方式，平時除了擴充容易外，還有容易維護的優點，更可供管理人員即時掌控建築物消之防狀況，在火警時並可自動正確的判斷火場位置，提供相關人員逃生相關資訊，以達到火警的人員有效逃生目的，降低生命財產的損失。. 12. 郭文雄、蘇有為、莊俊榮，"可靠性網路系統之設計與分析”電腦與通訊，2008 年第 13 期該文提出一相容於 ZigBee 2006 標準之路由演算機制。提出此機制之目的是希望能在節點間因移動、節點失效等原因造成拓璞連結改變時，能維持資料中心較好之資料傳送成功率。同時希望本機制可避免 ZigBee 協定下 route discovery 之封包風暴。最後敘述高可靠性之無線通訊網狀網路之實驗示範範例。此範例包含實驗目的、實驗環境、軟硬體需求、實驗步驟等，其中，實驗結果之比較基準為資料送達率。. 13. 張軍國等，"基於 ZigBee 無線感測器網路的森林火災監測系統的研究”，北京林業大學學報， 2007 年第 04 期該文在探討以森林起火因素，來構建了一種基於 ZigBee 無線感測網路的森林火災即時監測系統，該系統給出了森林火災無線感測網路監測系統的體系結構，以 CC2430 晶片的設計網路節點硬體。. 12.

(21) 第二章相關文獻回顧. 綜覽參考文獻，以往研究多以描述 Zigbee 物理層、MAC 層、網路層及應用層作為開發系統運用說明，鮮有實體全尺寸的呈現及測試，即使有部分實體設備，亦以是否達到啟動標準(threshold)將信號送出作為性能判斷基準，未對信號特徵點做更智能化的分析，本計畫將以 Zigbee 平台為基礎，依傳統偵煙式火警探測器訊號輸出，結合在嵌入式系統平台發展的火災成長模式演算法，將探測器收到資料傳到中控室 PC-Base 受信總機，除依相關法規測試探測器性能，亦將實施無線網路現場全尺寸測試。. 13.

(22) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 第三章初步評估與研究方法在本期初報告針對本研究提出使用的技術(Zigbee)作較全面性的規格了解與分析，包括其基本特性，以及本研究選用 Zigbee 作底層傳輸協定的原因。之後是本研究提出研究主題之實際應用其基本設計及相關實驗，本報告著重在 Zigbee 單點元件本身設計的相關主題。第一節. Zigbee 應用在火警自動警報感測網路之評估. Zigbee 技術的主要技術優勢在於：功耗低、成本低、網路容量大、組網靈活、時延短、安全可靠；而且 Zigbee 提供了資料完整性檢查和鑒權功能，採用 AES-128 加密演算法，使用在火警自動警報系統具有下列優點： z. 符合火災警報器所需數據採集或監控網點多的需求；. z. 符合火災警報器所需數據量不大，且設備成本低的要求；. z. 符合火災警報器所需數據傳輸可靠性高，立即性高，安全性高的標準；. z. 設備體積小，可結合現有傳統火警探測器；. z. 偵測端電源消耗不大，可與傳統偵煙器共用電源，以電池供電；. z. 偵測端無線網路低功率長距離相互連結，室內無需再行佈建連結；. z. 無線網路，不受建築量體限制，監測點多，只需較大的網絡覆蓋；. z. 無線連結，具擴充性及調整性，可配合建築新建、改建及擴建等變化；. z. 依建築物需求，支援多樣性的網路架構；. 透過 Zigbee 佈建點及建築物結構資訊，可事先建立運用場所的資訊管理系統 (Information Management System) 及災害發生時感測網路提供的資訊流 (Information Flow)，可進一步藉由人工智慧的計算，提供緊急應變者更豐富而恰當的災害資訊。包括：以人工智慧決策減少誤報(False Alarm)率、災害的規模及動態發展的掌握、輔助性的自動逃生規劃及現場逃生路徑的指引、相關應變及消防救災系統的自動啟動控制。第二節. Zigbee 基本功能及特性. 本研究第一期 Zigbee 與火警探測器無線傳輸整合技術，係以 Zigbee 平台為基礎，依傳統偵煙式火警探測器類比訊號輸出，結合火災成長模式規劃設計晶片程式、模擬、燒錄，再將探測器收到資料傳到中控室受信總機，管理人員利用監控系統介面了解單一空間火勢成長及多空間火勢擴散情形。 Zigbee 一詞源於蜜蜂，因蜜蜂上下飛舞，與其他同伴蜜蜂互相通信以傳遞花與蜜 14.

(23) 第三章初步評估與研究方法. 的位置、方向、距離等訊息。因此借用這個蜜蜂通訊的行為做為這項短距無線通訊新技術的命名。一、 Zigbee 協議無線感測網路節點要進行相互的資料交流就要有相應的無線網路協定(包括 MAC 層、路由層、網路層、應用層等)，傳統的無線協定很難適應無線探測器的低花費、低能量、高容錯性等的要求，這種情況下，Zigbee 協定應運而生。Zigbee 的基礎是 IEEE 802.15.。但 IEEE 小組僅處理低級 MAC 層和物理層協定，因此 Zigbee Alliance 擴展了 IEEE 的協定，對其網路層協定和 API 進行了標準化。主要用於近距離無線連接。它有自己的協議標準，在數千個微小的探測器之間相互協調實現通信。這些探測器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將資料從一個探測器傳到另一個探測器，所以它們的通信效率非常高。 Zigbee 協定(Protocol)從下到上分別為實體層(PHY)、媒體存取層(MAC)、網路層 (NWK)、應用層(APL)等。網路裝置的角色可分為 Zigbee Coordinator、Zigbee Router、 Zigbee End Device 等三種。支援網路拓撲有星狀(Star)、樹狀(Tree)、網格(Mesh)等三種。二、相互通訊及資料傳遞技術實體裝置(device)是低速無線個人區域網(LR-WPAN)最基本的元件，分成全功能裝置(FFD,Full-Function Device)與縮減功能裝置(RFD,Reduced-Function Device)兩種。從字面上來看，RFD 就是 FFD 的功能精簡版，RFD 在實體設計上通常是指具有較精簡硬體的無線裝置，如燈光開關、被動式探測器等，通常不會傳送大量數據且在同一時間只能與單一 FFD 鏈結，兩個 RFD 之間並無法直接通訊。RFD 與 FFD 在網路成員中所能擔任的角色不同，此兩者在提到網路成員的段落中會比較清楚說明其分別。網路成員可以視為實體裝置在網路拓樸中的抽象化表示，分為三種角色-個人區網協調者(PAN Coordinator)、協調者(Coordinator)與裝置(Device)。PAN Coordinator 與 Coordinator 須由 FFD 來擔任，Device 則可由 FFD 或 RFD 來擔任。 Device：在網路拓樸中是末端葉節點的角色，不需要負責額外的協調功能，負責發送資料與接收命令，不做轉送資料的動作，可用 RFD 或 FFD。 Coordinator：負責轉送資料、協調一部份網路成員的流量(提供同步服務)、發送或接收控制命令與發送資料。 PAN Coordinator：是每個 PAN 必有的且只能具有唯一一個，主要是作為中央控制用，負責控制網路拓樸的形成與協調各網路成員的流量。. 15.

(24) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 第三節. 無線感測網路(Wireless Sensor Networks). 由 Zigbee 構成的無線感測網路綜合了探測器技術、嵌入式計算技術、分散式資訊處理技術和無線通信技術，能夠協同即時監測、感知和採集各種環境或監測物件的資訊，並對其進行處理，傳送到使用者手上。一、無線感測網路系統概述無線感測網路是由大量的密集部署在監控區域的智慧探測器節點構成的一種應用網路系統。無線感測網路除了具有 Ad Hoc 網路的移動性、斷接性、電源能力局限等共同特徵以外，還具有以下幾個方面鮮明的特點：通信能力有限、電源能量有限、計算能力有限。二、感測節點的組成感測節點的組成，分軟硬體兩方面，硬體方面主要必須有： (1) 探測器(Sensor)：感測節點的最前哨，其重點為量測的精準度。 (2) 類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converter, ADC) : 探測器感應到的特性為類比數值，類比數值必須先轉換成數位數值後才能供微控制器運算, 其主要規格主要是轉換的精度及速度。 (3) 微控制器(Microcontroller)：運算用，主要工作是無線通訊中除了實體層外所有協定的執行與協調。通常廠家將這兩部分的運算功能分由兩個獨立的微控制器執行，分別為 RF 及 Application microprocessor，要求則是省電，一般期望在功耗上可符 Zigbee 的初衷，能支援多種省電模式。 (4) 程式記憶體、資料記憶體：通常微控器內已內建若干容量的程式記憶體(Program Memory，多指 ROM)與資料記憶體(Data Memory，多指 RAM)，如果內建的記憶體已足夠的話，就沒有必要再行外接。 (5) 無線收發器：無線收發器(Transceiver)主要是用來回報、轉傳感測資訊，但在節點初佈建時可用來進行自我組態的協調溝通，或者在後續維護時可做為檢測通訊，或韌體更新等通訊之用。 (6) 電源：一般 End Device 設計時建議採自背電池的設計。而 Coordinator 或 Router 則因不時要醒著建議儘可能採連續式供電。而軟體組成方面主要有二：一是通訊協定堆疊(Protocol Stack)，另一則是嵌入式作業系統。其中通訊堆疊協定是無線感測網路最重要的核心。若需嵌入式作業系統，由於節點硬體資源有限，通常不能使用耗佔硬體的作業系統，其嵌入式作業系統通常必需小而美，例如 TinyOS。 16.

(25) 第三章初步評估與研究方法. 三、無線感測網路的性能特性因應不同的實際應用環境，無線感測網路的實際可用性與下列性能有相當的關係，可用來評估無線感測網路，這些標準雖未模型化和量化但值得作為引用時初步的參考：抗環境性、體積性、能源有效性、自我組態性、時間延遲。第四節. 網路火警自動警報感測單元設計. 探測器節點構造如圖 2 所示。探測器節點是帶執行介面的複合探測節點，由探測器單元、微處理器單元和無線傳輸單元組成。探測器單元負責採集監控區域內的資訊資料;微處理器單元負責控制整個探測器節點的操作，包括存儲數位濾波、補償操作和處理本身採集的資料，對獲取的資料進行初步判決，將報警與撲救命令通過執行介面傳達給執行器；無線傳輸單元負責與路由節點或彙集節點進行無線通信，交換控制資訊和收發採集資料。執行接口是為實現消防聯動而設置，所傳信號為開關量由 MCU 發出，通過光電隔離由執行器接收；探測器節點電路安裝在集煙盒內。整個節點由電池組供電，且在生存週期裏面幾乎沒有能源補給。. 圖 2:. 探測器節構造. 各探測器節點加電，完成自檢功能後，由中央控制中心自動找到工作頻率範圍內干擾最小的通道，並建立網路。其餘探測器節點自動找到中心並申請入網。中央控制中心向探測器節點發送網路參數，收到參數的探測器節點保存參數並加人網路。當某探測器節點由於距離/干擾不能直接與中心通信時，則自動向周圍探測器節點廣播自身信息，通過評價周圍探測器節點到中心的路由資訊來決定使用哪個探測器節點作為其父探測器節點，從而完成人網過程。探測器節點在休眠、喚醒、工作等不同的工作模式下的功耗差別非常大，軟體設計重點要考慮不同的工作模式有機組合，使其既能有效地實現功 17.

(26) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 能，又能最大限度地減少能源消耗。火災報警系統探測器探測器節點的軟體流程如圖 3 所示。探測器探測器節點的資料處理軟體流程可以描述如下:. 圖 3:. 探測器節點動作流程. 18.

(27) 第三章初步評估與研究方法器感測偵煙 n sor ) (se 器感測偵煙 nso r) e (s. 偵煙感測器 (sensor). 器路由 e r) ut o r (. 偵煙感測器 (sensor). 路由器 (router) 器感測偵煙 ns o r ) (s e. 偵煙感測器 (sensor). 器感測偵煙 ns or) (se. 控制中心 (coordatior) 偵煙感測器 (sensor). 測器偵煙感 ) r (se n s o. 測器偵煙感 ) r ( se ns o 路由器 r) ( r o ut e. 測器偵煙感 ) r ( s e nso. 測器偵煙感 ) r (s e ns o. 圖 4:. 感知網路架構圖. 一、性能規劃（一）電力供給規劃由於採用段距無線傳輸，因此電力需求概算至為重要，由於低功耗的 Zigbee 其電力需求小，結合傳統偵煙器，舉一例說明，以某廠牌的規格為例，分別列出其與傳統偵煙器的額定電壓及電流如下：. Zigbee. 偵煙探測器. 動作電壓. 3.6V. 9V. 動作電流. 27mA. 30mA. 監視電流. 0.5μA. 30μA. 從表格得知，偵煙探測器搭載 Zigbee 晶片如果以年平均動作 180 次，每次做動時間為 3 分鐘。 [(27mA*3.6V+30mA*9V)*180*3*60+(0.5μA*3.6V+30μA*9V)*(365*1440-180*3)*6 0]/32400=367.46 19.

(28) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 經過計算後本研究算出一年大約需要 367.46mAh，而一般的 9V 鹼性電池壽命為 565mAh，由於電路運作時尚有額外的耗損以及不定時由主控端查詢檢測功能是否正常等的耗電需求，所以本研究訂定以安全係數 1.5 來核算，在正常情況下，電力的供應可以達到一年以上的時間。（二）資料傳送規劃距離最主要與頻段、發射功率(Transmit Power)與接收器的靈敏度(Sensitivity)相關，以 Zigbee 為例，在 2.4GHz、發射功率 0dBm、靈敏度-95dBm 時，室外的距離實測在一百一十公尺，室內因為有多路徑干擾的關係，距離降至四十公尺。增加距離最快的方法是加上功率放大器和低雜訊放大器，2.4GHz Zigbee 收發器加上 PA 及 LNA，距離可超過五百公尺以上。除開放空間的距離外，也須考慮電波的穿透力，這與頻段和欲穿透的物質有關。二、實驗測試本案採光電式偵煙探測器，該探測器周圍空氣中含煙濃度達到某一限度時即會動作，原理係利用光電束子之受光量受到煙之影響而產生變化，並可分為散亂光型及減光型。（一）儀器測試依「住宅用火災警報器技術規範」每公尺減光率 22.5%濃度煙，以風速 20cm/sec 之氣流吹向時，應於 1 分鐘內動作。(動作試驗)；每公尺減光率 2.5%濃度之煙，以風速 20cm/sec 之氣流吹向時，應於 5 分鐘內不動作。(不動作試驗)，應確保裝置無線感之裝置不影響其行能。（二）全尺寸現場測試為確保前端火勢大小識別、後端火勢擴散判斷、影響資料傳送距離、頻段、發射功率(Transmit Power)、接收器的靈敏度(Sensitivity)等性能，規劃全尺寸現場測試如圖 5。. 20.

(29) 第三章初步評估與研究方法 158. 38 開口. 菸蒂引燃. 45 60. 垃圾桶窗戶. 50. 50. 190. 地面. 240. D1. 傳統式 73 120 64. 14. 132. D2. 傳統式. 245. 10 公. 3公. Router. 主控端電腦 & Coordinator. 圖 5:. 全尺寸現場測試示意圖. 第五節. 研究方法及過程. 一、研究方法及步驟（一）規格資料蒐集與設計方案了解並分析現階段各種 Zigbee 可以用在煙霧偵測及火災預防的相關設計以及功能，蒐集所得之各項規格資料加以分析比對，以抗環境性、體積性、能源有效性、自我組態性、時間延遲等評比各廠商產品之性能。提出設計方案，力求吻合於火警探測器的規格，使應用達最佳的配合。（二） Zigbee 火警探測器之硬體的規劃與設計探測器的規格研究，類比數位轉換電路規劃，探測器與 Zigbee 之介面電路設計， 21.

(30) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. Zigbee 火警探測器的機械性質規劃，機構設計與包裝，溫、溼度等物理極限條件測試及動作試驗。（三） Zigbee 火警探測器之軟體的規劃與設計火災探測演算法之文獻探討，演算法程式撰寫，Zigbee 通訊協定之規劃，Zigbee 通訊協定之程式實作，軟體系統整合、測試。（四）無線感測網路的整體規劃與測試整體無線感測網路通訊協定之設定、基本測試、與調校，檢驗 Zigbee 與各特殊建築條件的通訊性能，特殊建築條件通訊能力的改善，建立 Zigbee 火警探測器的佈建的一般通則，小型無線感測網路的模擬佈建。（五）模擬分析改善首先進行儀器測試了解 Zigbee 火警探測器的儀器測試及動作測試的性能，修飾改善性能。進而佈置各種場景，模擬各種可能的火警煙霧的產生，進行全尺寸現場測試了解是否滿足原先的設計目標，依測試結果分析與探討實際運作的成效，全局無線感測網路修飾改善。（六）實體展示與撰寫報告實體展示計畫成果，檢討過程中的各種問題與改善方案作成報告。. 22.

(31) 第三章初步評估與研究方法. 二、研究流程. 資料規格蒐集與設計方案. Zigbee火警探測器之硬體規格與設計. Zigbee火警探測器之軟體規格與設計. 測試. 模擬分析改善. N. Y. 實體展示與撰寫報告. 23.

(32) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 三、研究進度及預期完成之工作項目月次. 工作項目. 第. 第. 第. 第. 第. 第. 第. 第. 第. 第. 一. 二. 三. 四. 五. 六. 七. 八. 九. 十. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 月. 第. 第. 十. 十. 一. 二. 月. 月. 備註. 文獻探討規範研讀及規格確認無線感測網路通訊協定之研究與規格確認無線感測網路建模評估及初步驗證偵煙器感測模組電路設計與系統規劃偵煙器感測模組開發製作與驗證相關靭體程式開發感測模組與無線感測網路介接，軟硬體的整合整體效益測試與系統調校移地實驗與進一步調校整理結果，撰寫報告預. 定. 進. 度. 3 12 26 32 39 45 52 61 71 84 93 100 ( 累積數 ) 說明：１工作項目請視計畫性質及需要自行訂定，預定研究進度以粗線表示其起訖日期。２預定研究進度百分比一欄，係為配合追蹤考核作業所設計。請以每一小格粗組線為一分，統計求得本計畫之總分，再將各月份工作項目之累積得分(與之前各月加總)除以總分，即為各月份之預定進度。３科技計畫請註明查核點，作為每一季所預定完成工作項目之查核依據。 24.

(33) 第四章無線感測偵煙探測器架構及設計. 第四章無線感測偵煙探測器架構及設計在本研究所開發的無線感測網路系統，本研究將整個系統研究方向分為四個主要部分：第一部分採用無線感測網路系統 CC2430ZDK(TI, Chipcon)裡面的 Zstack 作為無線傳輸協定作為樣本，開發本計畫之無線感測偵煙探測器的專用的無線傳輸協定，用以負責系統偵煙探測訊號資料的發送與接收。第二部分是無線感測偵煙探測器電路之設計與製造，此部分須結合無線感測模組及偵煙探測器模組的硬體及軟體，由電路設計一直到實際洗板子成品完成，是本研究最耗費資源及人力的部分。第三部分為實驗測試，本部分的實驗測試，並非單一時間所完成的單一事項，包括前述第一部份的訊號資料傳送與通訊協定的實驗測試，包括前述第二部份電路、軟體修改而重覆進行的實驗測試，也包括成品完成後的整合測試及實境測試，反覆而零碎是這一部分的特色。最後是伺服器資料庫系統之開發，伺服器的建置是用以後端收集資訊，除了開發類似 R 型火災警報系統外，也為計畫第二期之資料分析及智慧決策開發做先期準備。在第三章本研究已經評估 Zigbee 協議在偵煙探測器系統的可行性，且分析了 Zigbee 通訊協定具備的特性；其中包括最重要的電量以及通訊距離兩個議題，基本上應能夠滿足實際應用。基於這個可行性，本研究繼續推展計畫，首先分成三個部分進行，第一，實作 Zigbee 通訊協定作為傳輸協定外，第二，實作設計一個偵煙探測器的電路，用以跟將來的 Zigbee 結合，第三，並藉實驗取得所製作偵煙探測器所感測到的煙濃度變化與電壓輸出之間的關係。期中報告分述這三部分的計畫成果，第一節本研究首先對無線感測網路進行初步驗證，探討在本研究的實際應用上，是否符合先前分析評估，並達到預期的效果。第二節重點於設計實務上，報告描述偵煙探測器的實際硬體設計開發。第三節，則透過標準驗證設施，實際測量煙濃度變化與電壓輸出之間的關係，以結果驗證所設計硬體的實現成效。第四節為實驗之數據分析以及圖表呈現。第一節. 無線感測網路之初步驗證. 本節之無線感測系統的初步驗證將著重於研究系統架構之第一個部分，對建構於. Zigbee 協定之上的傳送及接收行為進行初步驗證，此驗證目的在本階段除了能夠熟悉 Zigbee 協議傳輸行為，對未來系統開發軟硬體的整合也能有很大的幫助，作為穩固將來進行微型化、系統化之基石。選用 Zigbee 協議之分析研究，可參考第二、三章節有相關研究之探討及分析。. CC2430ZDK 開發系統中，有提供針對 Zigbee 應用的 API，提供給學習、開發者更 25.

(34) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 快速的理解、並撰寫符合需求的應用程式。在其龐大的 API 中，主要管理 Zigbee 裝置元件的為 ZDO(Zigbee Device Object)所提供。ZDO 能夠提供管理 Zigbee 裝置的功能，裝置包括 Coordinator 、 Router 、以及 End Device 。功能則包括了建立 (Create) 、發現. (Discover)、加入(Join)Zigbee 網路，以及應用程式連結端點連結(Bind Application) 、發現服務(Find Service)、安全管理(Security Management)等。在期中本研究將偵煙探測器所感測的煙霧濃度變化，以電壓的形式透過 Zigbee 傳輸，偵煙探測器傳送至 Coordinator 之後，再經由連接在 Coordinator 的 RS232 序列埠傳送顯示在主機電腦螢幕上。上述的行為，ZDO 層所提供的 API 中本研究主要會使用到的包括：建構 ZDO(End Device 以及 Coordinator ) 、應用程式端點連結 (Bind. Application)、找到服務(Service Discover)、最後透過 ZDO 提供之傳輸接收之 API 進行資料傳遞。建立傳輸的過程首先發出 ZDP_EndDeviceBindReq，ZDP_EndDeviceBindReq 廣播並收集網路中端點連接的資訊，接著 ZDP_MatchDescReq 用以建立對應的窗口，透過兩層的認證之後資料封包能夠進行核對避免資料誤收。初步驗證上，本研究讓 End Device 傳送偵煙探測器所測量到之電壓，此電壓值反應出探測器所探測之煙霧濃度變化。程式碼的開發延續使用 Zstack 上所提供的軟體規格，使用 C 語言來實作。在本研究實作中本研究首先定義偵煙探測器的描述符號(Descriptor)，描述符號的重要欄位包括定義偵煙探測器的名稱，作為將來端點連結以及服務發現的識別，以免無線傳輸空間中的廣播封包的誤收導致不正常行為。偵煙探測器的描述符號填入之後，本研究進一步定義這些 Zigbee 裝置(偵煙探測器) 的接收與發送訊息，在本研究實驗中，本研究定義了 Bind 以及 Match descriptor 兩種。由於本研究希望在偵煙探測器開機就持續能夠工作，因此本研究對事件收到之後，首先本研究透過撰寫的訊息發送給 Coordinator，並且重覆呼叫，以一秒為間隔，發送偵煙探測器所探測的電壓訊號至 Coordinator 端。發送訊息的行為遵守 Zigbee 規範，訊息收發之前辨識對應的端點服務是否存在且正確(Match Description Request)。透過定義的 GENERICAPP_SENSOR，能夠取得電壓值。在初步驗證，電壓同時在. End Device 的 LCD 以及主控端顯示，用以檢查是否正確傳送接收。主控端顯示的電壓值從偵煙探測模組上偵測，經由 Zigbee 協議傳送到 Coordinator 端，Coordinator 透過. RS232 傳輸到電腦螢幕顯示。並且在 getValue 函式中，假設了一個臨界值，當電壓超越這個臨界值給予一個紅燈警示的訊號。偵煙探測器在嵌入這些程式碼之後，再結合硬體，即具有反應所偵測到煙濃度的. 26.

(35) 第四章無線感測偵煙探測器架構及設計. 能力，以下第二節描述結合 Zigbee 偵煙探測器之開發。第二節. Zigbee 偵煙探測器之開發. 本節的重點在於設計符合無線感測網路的偵煙探測器硬體電路，用以改良所引用偵煙探測器的硬體電路，基本上，期初本研究所引用一般市售的煙霧探測器是屬於紅外線發射器，當火災前期所產生之煙霧超過探測器之設定值時，儲煙盒內發射端與接收端間會因光線散亂產生折射，導致電壓值產生變化，藉由 Zigbee 把電壓訊號回傳到電腦上，作為火警發生的早期通報。圖 6 所示是本研究最後討論定稿的偵煙探測器電路方塊圖，由於 CC2430 晶片輸入電壓最多只能到達 3.6V，所以本研究透過電壓調整器. (Voltage Regulator)將 9V 電池降壓到 3.3V，再將原本紅外線感測器的電源以及放大器電源改由 CC2430 晶片來控制，藉由 CC2430 的內部程式來判斷是否超過警報值。實驗電路以手工製作，經歷數次的修改測試，以確認其性能符合預期的規畫，圖 7 以及圖 8 是以圖 6 電路設計為基礎所製作完成的偵煙探測器實驗電路，圖 7 可看到偵煙探測器模組已經整合 Zigbee 模組在同一電路板上，圖 8 為背面探測頭裝置的嵌入。現階段模組化已經能達到獨立工作，並將探測之濃度值藉 Zigbee 通訊協定發送訊息至. Coordinator 端。. 9V to 3.3V DC/DC TI TPS76933 (~mA). 3.3V. 3.3V. 9V Battery. x1 u1. x2 CC 2430. IR Rx Power Control IR Tx Power Control. x3. Power Mode 1: 190uA Timer1: 230uA. A. Smoke Detector IR LED (22mA) OPA (650uA) IR Diode 1.9V ~ 2.3V Smoke output. 圖 6:. 偵煙器電路架構圖. 27.

(36) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 第三節. 圖 7:. 偵煙探測器模組外觀 (一 ). 圖 8:. 偵煙探測器模組外觀 (二 ). 驗證 Zigbee 偵煙探測器之煙濃度與輸出電壓之間的關係. 本節首先介紹測試環境，包括使用的儀器以及標準，以及測試的實驗步驟。接著是對本研究量測的數據進一步的分析與比較，作為對照本研究實驗的目的是否得到正確的驗證。一、實驗環境及步驟. 28.

(37) 第四章無線感測偵煙探測器架構及設計. 實驗以偵煙式探測器靈敏度試驗機作為實際場景模擬如圖 9、10 所示，實驗設備構造詳及操作如附錄 A，由於機台主要量測對象是煙霧感測器，圖 9 之機台主要用以觀察目前煙霧濃度於圖 9 機台中的電壓值到達多少，作為記錄環境實際煙濃度之基準。圖. 9 是實際煙霧量測機台，機台內部有一光感測器，隨著煙霧粒子慢慢增多時，圖 9 的機台就能顯示出目前接收到的電壓值變化。藉由圖 9 以及圖 10 之儀器，本研究藉由圖 9 儀器觀察電壓為基準，對應出環境的煙濃度，再檢視本研究設計之偵煙探測器行為是否符合環境趨勢。. 圖 9:. 標準測試儀器 (一 ). 圖 10:. 標準測試儀器 (二 ) 29.

(38) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 在期中的實驗，本研究修改了原先的電路，並且實作軟體介面透過 RS232，能夠從電腦螢幕實際接收觀察電壓值，以開發工具 CC2430ZDK 透過 Z-stack 通訊協定傳送數據，並且直接紀錄。實驗之煙霧來源是由標準特殊材質之紙片燻烤所產生，實驗由三個人同時協調進行，主要分為： z 一機台觀察記錄者 z 一實驗板記錄者 z 一添加紙片以降低記錄的誤差並避免出錯。實驗步驟首先由添加紙片者手動的添加紙片，機台觀察記錄者觀察實驗機台的電壓值，待紙片燃燒約 30 秒，煙霧均勻的擴散於機台時進行記錄並報知，實驗板記錄者於紀錄同時第三人繼續進行添加紙片，由於煙霧粒子約於 20 分鐘開始有衰減現象，可能影響實驗之準確性，因此實驗過程反覆直到大約 20 分鐘結束。為了驗證現階段實品是否符合現實，且設計在不同搭配的硬體(電路板、探測頭) 下能夠有相仿的反應，因此本實驗針對驗證目標設計了四組的實驗，參考這些數據作為比對的依據。數據由三塊電路板(以下以編號 1 至 3 表示)以及兩種探測頭(以下以 A、B 表示)組合，進行交叉比對。數據一跟數據二是以電路板 1 使用探測頭 A、B，本研究以數據一以及數據二來觀察不同探測頭對數據表現差異。而數據三跟四是以電路板 2、3 搭配探測頭 A，探測頭部分都跟數據一的探測頭一樣，因此以數據一、三、四作為觀察三個電路的數據表現差異。圖 11 到圖 15 為實驗數據，圖 11 相對數據一，圖 14 相對數據四。數據圖之 x 軸為實驗機台本身感測之煙霧值，y 軸為所製作的偵煙探測模組感測到之電壓值，藉著觀察 x 軸 y 軸對應關係來分析四組重複實驗的表現。二、數據分析、比較從實驗的數據來看，煙霧濃度 5 %/m 到 15 %/m 的過程中，四組實驗的濃度的變化大約相差了 0.15 伏特，雖然最大電壓是 3 伏特，但是由於實驗時的煙霧濃度非常的低，所以探測器的電壓變化幅度也相對變小，即使如此，煙霧濃度上升了 0.15 伏特依然能有所區別。藉此本研究驗證了偵煙探測器模組對低煙濃度且細微變化的反應能力。圖 15 的結果本研究可以看出，雖然電路、探測器會不同，但是感測器反應出來的電壓與煙濃度關係相當一致，儘管本研究隨機挑選了不同的電路板及偵煙頭。這些數據也反映在低濃度時，電壓的反應依然靈敏而且強健，足以滿足後續的系統發展。. 30.

(39) 第四章無線感測偵煙探測器架構及設計. 1.55 1.5 1.45 1.4 1.35. V ol ta g e ( V). 1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 1.05 1 0.95 0.9 0.85 0. 圖 11:. 1.25. 2.5. 3.75. 5. 6.25. 7.5. 8. 75. 10. 11. 25. 12. 5 13.75 15 16.25 Smoke Concentration (%/m). 17.5. 18.75. 20. 21. 25. 22. 5 23.75. 25. 26.25. 27.5. 28.75. 儀器測試之煙濃度與偵煙探測器輸出電壓值之關係 ( 數據一，電路板. 1 使用探測頭 A) 1. 55 1.5 1. 45 1.4 1. 35. Vo l tag e (V ). 1.3 1. 25 1.2 1. 15 1.1 1. 05 1 0. 95 0.9 0. 85. 圖 12:. 0. 1.25. 2.5. 3.75. 5. 6.25. 7.5. 8.75. 10. 11.25. 12.5 13.75 15 16.25 Smoke Concentration (%/m). 17. 5 18.75. 20. 21. 25. 22.5. 23.75. 25. 26.25 27.5. 28.75. 儀器測試之煙濃度與偵煙探測器輸出電壓值之關係 ( 數據二，電路板. 1 使用探測頭 B). 31.

(40) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 1.55 1. 5 1.45 1. 4 1.35. Vo l ta ge (V ). 1. 3 1.25 1. 2 1.15 1. 1 1.05 1 0.95 0. 9 0.85 0. 圖 13:. 1.25. 2.5. 3.75. 5. 6.25. 7.5. 8.75. 10. 11.25 12.5 13.75 15 16. 25 Smoke Concentration (%/ m). 17. 5 18.75. 20. 21. 25. 22. 5 23.75. 25. 26.25. 27.5. 28.75. 儀器測試之煙濃度與偵煙探測器輸出電壓值之關係 ( 數據三，電路板. 2 使用探測頭 A). 1.55 1.5 1.45 1.4 1.35. Voltage (V). 1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 1.05 1 0.95 0.9 0.85. 圖 14:. 0. 1.25. 2.5. 3.75. 5. 6.25. 7.5. 8.75. 10. 11.25. 12.5 13.75 15 16.25 Smoke Concentration (%/m). 17.5. 18.75. 20. 21.25. 22.5. 23.75. 25. 26.25. 27.5. 28.75. 儀器測試之煙濃度與偵煙探測器輸出電壓值之關係 ( 數據四，電路板. 3 使用探測頭 A). 32.

(41) 第四章無線感測偵煙探測器架構及設計. 1.55 1.5 data1 data2 data3 data4. 1.45 1.4 1.35. Voltage (V). 1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 1.05 1 0.95 0.9 0.85. 0. 1.25. 2.5. 3.75. 5. 6.25. 圖 15:. 7.5. 8.75. 10. 11.25. 12.5 13.75 15 16.25 Smoke Concentration (%/m). 17.5. 18.75. 20. 21.25. 22.5. 圖示數據一至數據四之一致性. 33. 23.75. 25. 26.25. 27.5. 28.75.

(42) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術. 第五章成果及貢獻按照期初工作進度安排，本計畫期末之工作主要分列為以下三點：. 1. 感測模組與無線感測網路介接，軟硬體的整合 2. 整體效益測試與系統調校 3. 移地實驗與進一步調校 4. 智慧型決策之先期研究以此為依歸，參酌期中報告之規劃，期末之研究大致皆為計劃後期之整合與測試等工作，其工作項目與成果分述於一至三節。第一節主要描述研究團隊依規劃所開發出來之偵煙探測器雛型，其實現之電路設計、動作流程圖，以及所實際完成的雛型，並據以整合成無線感測網路，陸續完成軟硬體整合並加以測試，以符合期末成果之要求。整體效益測試以及移地實驗、調校則安排於第二節與第三節。第二節內容陳述我們所開發偵煙器，於儀器測試階段，驗證偵煙器偵煙效能，並調校偵煙器行為(如電壓與濃度行為關係、警報臨界值等)，確立所開發之偵煙探測器符合法規規範。第三節陳述移地之全尺寸現場測試，模擬於現實環境中，Zigbee 路由器之加入，其網路架構下之行為確認。第四節總結研究團隊本期計劃之成果呈現，就開發過程與測試結果陳述所面臨之問題及困難，與條列說明，並且參考專家座談會之批評與建議，整理陳述可解決者之解決方案，與無法解決者其因應對策，作為將來執行之參考。最後針對智慧型決策之模型導入之研究。第一節. 期中工作之配置. 本案期中已規劃有電路雛形，並實際以手工製作方式實現且經初步實現驗證可行性，經過陸續的努力，研究團隊具體化了這個原型。。在確立了所開立的規格功能後，依據產業界之標準流程，實際將所開發之電路移置為工業級電路板，結合 Zigbee 網路以及偵煙器功能，開發一具完整功能之 Zigbee 偵煙探測器。以下陳述這個開發工作的過程，主要之工作分為硬體、軟體部分，以及後端監控系統雛型之建立。硬體方面：包括感測器、類比數位轉換器、微控制器(程式燒錄控制之主要晶片)、無線收發器、電源等之設計與調校。軟體方面：通訊協定(Protocol Stack)、嵌入式作業系統(Real Time OS)，應用開發。主要工作包括有 Zigbee 主晶片控制、設立 CTU(Clock Timing Unit)並置入相關控制程 34.

(43) 第五章成果及貢獻. 式、設置偵煙探測器睡眠與喚醒功能、以及即時作業系統之工作排程等。後端監控系統雛型之建立：監控系統為將來受信總機之化身，基本上是一個. PC-Based 之監控系統，包括網路協調者、訊號之傳送接收與圖形化使用者介面，本期規劃雛型之建立。此監控系統雛型必須具備確立之功能包括連接網路協調者、封包之顯示介面、煙濃度成長歷史資訊記錄、危險警報之警示功能。以此四功能為基礎，並依據各式實驗與實驗目的之不同修編，各種實驗之介面之配置於第二節、第三節描述。第二節. 偵煙探測器成品之開發. 期末期間的一個重要工作，是依產業界的標準流程，以工業及電路板製程方式實現所規劃之電路，完成一個偵煙探測器裝置以為本案之具體化成果，其重要意義包括：. 1. 相較於傳統手工焊接方式，工業級的電路板，不同電路板之間較無明顯差異，對於本案之感測偵煙之表現能力方可呈現出一致性，以為後續之實驗驗證。. 2. 實際之開發，包括電路之考慮、RF 射頻之考慮、機械規格之考慮、外殼尺寸適合之考慮、有限空間之考慮等，為對將來產品化的重要經驗。 ¾. 根據期中報告之設計與測試結果，研究團隊最後定稿所發展之偵煙探測器核心電路之軟硬體如下：硬體架構主要三個部門，分別為：. ¾. i.. 可程式化微處理晶片. ii.. 偵煙感測器. iii.. 時準單元(Clock Timing Unit). 三個部門之間工作之系統方塊圖如圖 16 所示：. 圖 16: ¾. 主要元件系統方塊圖. 軟體部分則配合圖 16 之系統方塊圖，設計其相應的程式，核心程式流程圖表示如圖 17：. 35.

(44) 開發智慧化居住空間火警自動警報感測網路(1/3) -住宅偵煙探測器與 Zigbee 無線傳輸整合技術啟動偵煙探測器. False Loop. 與網路協調者連接 F. T 設置CTU (長時喚醒). T F. 設置短時喚醒進入睡眠. CTU已喚醒？. F. 喚醒檢查濃度值大於臨界值？ T. T F 警報解除判斷條件符合解除警報？. 發出警報提高偵煙頻率. T. 濃度值大於臨界值？. 圖 17: ¾. F. 核心軟體動作流程圖. 這個實際開發的工作於焉開始，其工作流程，請參考圖 18，主要工作包括：. i.. 檢具電路中之主動、被動，機械元件建立料件表 (BOM, Bill of. Material) ii.. 量測外殼機械尺寸及其限制，並以 AutoCAD 繪圖，包括硬體外殼之按鍵位置、警示 LED 燈位置、偵煙感測元件規格及腳位，完整尺規確立提供將來線路圖佈線參考。. iii.. 依 BOM 表列之元件，準備材料供後續電路焊接使用。. iv.. 線路圖佈線過程需反覆確認硬體之限制、元件配置及走線，一有問題隨即修改。確認無誤後，與廠商確認將電路板送洗，此階段完成空電路板，進入空板之驗證程序。. v.. 對空電路板進行最基礎短路測試(Open-Short Test)，驗證產品之電路 36.