无线火灾自动报警系统的设计外文翻译资料

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毕业论文（设计）

英文翻译

题 目 无线火灾自动报警系统的设计

原 题Design of Wireless Automatic Fire Alarm System

无线火灾自动报警系统的设计

Wen-hui Dong, Li Wang, Guang-zhi Yu, Zhi-bin Mei
Ministry of Public Security Shenyang Fire Research Institute, Liaoning 110034, China

摘要：在分析无线火灾自动报警系统的适用场地和通信业务特点的基础上，针对无线火灾自动报警系统的应用需求，本文设计了专用的火灾探测和无线报警通信协议，设置无线自动火灾报警系统，实现快速火灾探测和低功耗消防设施的报警和状态监控。

关键词：无线通信; 检查协议; 火警系统

1.介绍

近年来，随着物联网技术的兴起以及大数据，云计算等概念的广泛传播，基于无线通信的火灾自动报警系统已引起国内外的广泛关注。虽然双母线系统的建设和布线比较简单，但仍存在安装维护成本高，升级难度大的问题，特别是对于家庭和实际需求无法满足的特殊应用场合。例如，在古代建筑物中，在有线火灾报警系统的安装过程中，需要开槽和贯穿墙壁的管道安装，并可能造成建筑物的损坏。所以有线火灾报警系统不适用。另外，对于拥有多个产权的建筑物，小街铺和临时建筑物等，无线系统非常适合。

无线火灾报警系统安装方便，无需穿墙布线，不损坏建筑物，适应建筑物的使用功能变化，引起国内外研究人员的广泛关注。以Zigbee为代表的2.4G无线联网技术是火灾自动报警系统中常用的一种技术。但2.4G变速箱的优势仅在于能见度范围，而障碍物仍然对其变速箱产生重大影响。对于一些大规模，复杂分离的建筑物，为保证2.4G网络的传输质量更好，需要大量的继电器或辐射功率增加，这将导致成本增加，与低成本，低功耗目标冲突无线火灾报警系统。

针对上述问题，本文分析了无线火灾报警器的业务特点，提出了433M无线火灾报警系统的体系结构和专用通信协议方案，完成了无线火灾报警系统的设计，以解决实际的消防要求三合一的场所，多种街道商店，砖木结构的历史建筑，临时建筑等场所。

2.系统结构设计

有线自动火灾报警系统成本高，建设难度大，但有线信号传输，以及护套和黄铜管道保护确保高信号质量，从而实现高容量，高稳定性系统。无线火灾报警系统采用开放式信号传输，受到距离和障碍物的很大影响，因此与有线系统相比，系统传输速率和容量略低; 并且为了确保无错误火灾报警信号和消防设施监控信号的实时传输，不应设置系统规模太大了。 因此，对于无线火灾报警系统的应用模式，应该有不同的建筑模式设计根据现场可用的消防设施采用：

1）对于设置了有线系统的大型建筑物，内部单元布局发生变化或局部变化时，当建筑单元部分增加时，需要现有系统的改造或扩展，无线系统可以用作连接到现有有线系统的有线系统的辅助子系统。 在这种组合模式下，有线系统仍然作为整体系统稳定性较高的骨干网络，而无线系统则被使用根据当地的环境特点，实现配置灵活性，转化成本低;

2）对于未安装有线系统的小型建筑物或有服务期限的临时建筑物，由于系统容量不大，可以保证整个自动火灾报警系统采用无线形式无差错的实时信号传输。

根据这两种不同的情况，本系统采用两种独立的架构模式在全无线环境中使用通讯环境和有线无线环境，可连接火灾报警控制器分别通过无线信号或CAN总线，如图1所示。整个系统由火灾报警器，控制器，继电器模块和现场模块组成：

1）路由器。路由器提供无线火灾报警系统的外部数据交换接口，负责建立本地无线网络，通过433M RF与现场模块连接，以及现场模块轮询。 火力被用作电源。 与2.4G频段相比，433M射频波长更长，可以轻松通过抗干扰的障碍物，适合用作无线自动火灾报警系统的基础通信技术。

火灾报警控制器和现场环境之间的有线和无线连接：用于有线系统的CAN总线通信，以及用于无线系统的433M RF或GPRS通信。路由器仅在火警信号或故障信号时向控制器报告 被调查。

2）现场模块包括：火灾触发模块，设备监控模块，输出模块，火灾触发模块包括火灾探测器和手动报警按钮，设备监控模块包括防火门监控装置和消火栓压力监控装置。 输出模块包括声光报警和联动输出模块等。

每个中继模块管理部分火灾触发模块，设备监控模块和输出模块，建立自己的同频网络，在不同路由器建立的网络之间，跳频为 用于避免同频干扰，通过扩展路由器的数量，实现现场自动火灾报警业务需求的全面覆盖。

图1无线火灾报警系统的体系结构

3.模块硬件设计

本系统中的路由器和现场模块的设计和构造如图2所示。核心控制芯片采用TI MSP 430低功耗芯片，无线传输功能基于MRF49XA射频芯片。根据“微功率无线电设备技术要求”，按照国家无线电管理委员会的要求，该无线网络设计工作于433 MHz公共免费频段。支持多点和跳频技术的频率复用，具有很高的频率使用能力。所有模块都支持双向收发和睡眠/唤醒功能。

图2模块

4.无线通信设计

4.1无线自动火灾报警系统的通信特性

无线自动火灾报警系统在无线通信中有着非常鲜明的特点：

1）单个通信中的数据量较低。火灾自动报警系统传输所需的数据包括火灾探测和报警信息以及综合火控信息。大多数数据类型可以表示为开关状态，每个数据的长度通常在几个字节之内。

2）高实时性要求。根据GB 4717-2005“火灾报警控制单元”的要求，从发出火灾报警信号的探测器到10s控制器的时间，当系统中任何模块发生故障时，火灾报警控制器应检测到故障 在100s。

3）重复故障监视通信。为了在100s内获取模块故障状态的系统要求实现对各模块状态信息的实时监控，系统需要定期查询模块状态。

4）偶尔发生火警信号传输。作为灾难，某个建筑物内的火灾发生频率非常低，因此火警信号的传播是偶然的。

5）功耗限制。与有线系统不同，无线报警系统中的模块通常采用电池供电，能耗有限，实际场地的电池续航时间通常需要1年以上，因此无线系统的通信工作受限于能量有限。

针对以上特点，系统完全压缩通信数据帧，并提出轮询协议这可以减少通信能耗。

4.2通信框架设计

基于无线自动火灾报警系统在单个通信中数据量较低但通信功能要求高的特点，通信框架设计如图3所示。一帧数据总共包含10个字节。少量的数据有助于降低传输功耗。类型，状态和数据字段都使用1个字节;地址字段的源地址和目标地址每个占用一个字节。各类探测器和消防设施的类型和状态按位编码为1个字节，共有256种类型和256种状态。

图3通信帧

4.3间隔插入轮询逻辑设计

基于功耗约束的系统通信特性，通信越频繁，电池功耗越快; 然而根据实时通信和重现的特点，网络点数越多，在一个轮询周期内就越会发生。因此，网络规模和功耗优化是一对相互制约的参数。

在一个轮询周期中，同一频率网络通过TDMA划分每个现场模块的TDA，根据网络的模块数量设置一系列查询字段并分配给每个现场模块。在继电器模块对现场模块进行了1次状态查询后，后者将重新进入休眠状态。

为了实现对火灾的实时检测，每个现场模块唤醒MCU定期检测火灾，无线功能保持睡眠状态。如果没有火灾，它会立即重新进入睡眠状态;如果检测到火灾，无线功能将被唤醒并保持。

在查询两个相邻地址模块之间的时间间隔内，中继模块将向所有的火灾触发模块插入一条火灾查询指令。由于唤醒策略设置，只有处于火警状态的火灾触发模块保持清醒状态并可以回答查询。

上述轮询逻辑设计具有三个特征：

1）轮询周期可以尽可能延长，这样在没有定期监控的情况下，模块传输的数量将会减少，从而降低通信功耗。

2）网络流量的主要负载移动到中继模块。由于继电器模块使用火力供电，因此不存在功耗限制，在实际现场实现高实用性。

3）发生火灾时，通过轮询查询，插入火警轮询指令，避免轮询周期延长后可能发生的火警延时，报警信号传输仍能满足实时性要求。

5.测试

系统的每个物理部分如图4所示。根据消防安全标准，部署在建筑物内的无线火警系统已经进行了测试。测试结果如表1所示。

图4无线自动火灾报警系统的实景图

现场模块通信半径在单壁障的情况下可以达到35米，同一频率的网络可以覆盖约1,000平方米的总空间。在没有直接阻挡墙的地方，通信半径会更长，而且现场模块的工作电流小于93mu;A;使用2400 mAH电池时，最大工作寿命可达3年，可以满足三合一等小地方的实际需要。该系统的通信丢包率低至1/11110，这意味着最多可能发生一千次通信失败。即使发生丢包，通过在两个模块的轮询间隔插入重试命令，可以恢复丢失的数据包。此外，还可以保证系统的及时性。在管理100个现场模块的1个继电器模块的规模上，火灾报警时间可以控制在5s以内，并且现场模块的故障发现时间可以控制在内10秒。

表1测试结果

测试数据表明，该系统具有足够低的工作电流，短的信息传输延迟和低丢包率，从而实时满足低功耗无线火灾报警系统的要求传输和低错误率。

6.结论

综上所述，本文分析了火灾自动报警系统设置的特点，提出了433M无线自动火灾报警系统体系结构，设计和开发系统模块硬件，并设计通信间隔插入轮询逻辑，可以减少基于分析和降低平均功耗总结了无线自动火灾报警系统通信行为的特点，完成了整个系统设计和开发该无线火灾报警系统，与2.4G通信技术相比，该系统利用433M射频信号的波长优势，具有较强的衍射能力。与其他低兆赫射频相比，通信无线火灾报警网络，该系统具有潜在的有线系统集成功能和低平均水平通讯功耗，该应用将提高三合一场所，多性能街道商店，砖木文物和古建筑，临时建筑等场所的消防安全水平。

致谢

作者要感谢公安部应用创新部提供的财政支持项目“无线火灾报警系统的开发” (2014YYCXSXF067)。

参考文献

[1] Kim Byoung-kug, Hong Sung-hwa, Hur Kyeong, et al, 2010. Journal of Energy-efficient and rapid time synchronization for wireless sensor networks.//IEEE Transactions on Consumer Electronics 56, p. 2258.

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