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无线火灾自动报警系统的设计
摘要
为满足无线火灾自动报警系统的应用需求，在分析无线火灾报警系统适用场地和通信服务特点的基础上，设计了一种专用的火灾探测报警无线通信协议，并开发了一套完整的火灾报警系统。集无线自动火灾报警系统，实现快速火灾探测和报警以及低功耗消防设施的国家监督。
关键词：无线通信;检验协议;火警系统
- 介绍
近年来，随着物联网技术的兴起和大数据，云计算等概念的广泛传播，基于无线通信的自动火灾报警系统在国内外引起了广泛的关注。虽然双母线系统的结构和布线相对简单，但仍存在安装和维护成本高，以及升级难度大的问题，特别是对于家庭和一些实际需求已无法满足的特殊应用。例如，在古代文物中，在有线火灾报警系统的安装过程中，需要开槽和穿墙管道安装，并且可能对建筑物造成损坏。因此有线火警系统不适用。此外，对于拥有多种产权的建筑物，小型街道商店和临时建筑物等，无线系统非常适合。
无线火灾报警系统的便捷安装不需要穿墙管道和布线，不会对建筑物造成损坏，适应建筑物的使用和功能变化， 因此引起了国内外研究者的广泛关注。以zigbee为代表的2.4G无线网络技术是自动火灾报警系统中常用的技术。 但2.4G传输的优势仅在于能见度范围，障碍仍然对其传输产生重大影响。对于一些大型和复杂分离的建筑物，为 了确保更好的2.4G网络传输质量，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，低功率目 标相冲突。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无线火灾报警系统架构和专用通信协议方案，完成了无线火灾报警系统的设计，以解决三合一场所，多物业街道商店，砖或木制历史建筑，临时建筑物和其他地方实际的灭火要求。
2、系统架构设计
有线自动火灾报警系统成本高，施工困难，但有线信号传输，护套和黄铜管道保护确保了高信号质量，从而实现了高容量，高稳定性的系统。无线火灾报警系统采用开放式信号传输，受距离和障碍物的影响很大，系统传输速率和容量略低于有线系统;为了保证火灾报警信号和消防设施监测信号的无差错实时传输，系统规模不应设置得过大。因此，对于无线火灾报警系统的应用模式，应根据现场可用的消防设施采用不同的建筑模式设计：
1)对于已设置有线系统的大型建筑，当内部单元的布局发生变化，或者当建筑单元部分增加时需要对现有系 统进行局部转换或扩展时，无线系统可用作连接到的辅助子系统。现有的有线系统有线系统。在这种组合模式下， 有线系统仍然作为骨干网络，具有较高的整体系统稳定性，同时根据当地环境特点使用无线系统，实现配置灵活性，转换成本低;
2)对于尚未设置有线系统的小型建筑，或具有服务期限的临时建筑物，整个自动火灾报警系统应使用无线形式，因为系统容量不大，可以保证无误差的实时信号传输。
根据两种不同的情况，本系统采用两种独立的架构模式，用于全无线通信环境和组合有线无线环境，可分别 通过无线信号或CAN总线连接火警控制器，如图1所示。整个系统由火灾报警控制器，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射频与现场模块连接，并对现场模块进行轮询。火力用作电源。与2.4G频段相比，433M射频波长较长，可以很容易地绕过具有抗干扰性的障碍物，因此适合作为无线自动火灾报警系统的基础通信技术。
火灾报警控制器和路由器之间的有线和无线连接都可以根据现场环境选择：有线系统的CAN总线通信，无线系统的433M RF或GPRS通信。当轮询火灾信号或故障信号时，路由器仅向控制器报告。
2)现场模块。现场模块包括3种类型：火灾触发模块，设施监控模块和输出模块。火灾触发模块包括火灾探测器和手动报警按钮。设施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。
可以设置多个路由器与火灾报警控制器连接。每个继电器模块管理部分火灾触发模块，设施监控模块和输出模块，建立自己的相同频率的网络。在不同路由器构建的网络之间，跳频用于避免相同的频率干扰。通过扩展路由器的数量，可以实现现场自动火灾报警的业务需求的完全覆盖。
图1无线火灾报警系统的体系结构
3、模块硬件设计
该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 MSP430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”，无线网络设计用于433MHz公共自由频段，符合国家无线电管理委员会的要求。它支持多点频率复用和跳频技术，具有较高的频率使用能力。所有模块均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 无线火灾自动报警系统的通信特性
无线无线自动火灾报警系统的通信具有非常明显的特点：
1)单个通信中的低数据。自动火灾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灾控制信息。大多数数据类型可以表示为交换机状态，每个数据的长度通常在几个字节内。
2)实时性要求高。根据GB4717-2005火灾报警控制单元的要求，从探测器发出火警信号到控制器接收的时间应控制在10s以内，当系统中的任何模块发生故障时，火灾报警控制器应检测到故障在100多岁。
3)循环故障监控通信。为实现系统中各模块状态信息的实时监控，满足100s内获取模块故障状态的业务需求，系统需要在固定的时间段内查询模块状态。
4)偶尔发生火灾报警信号传输。作为灾难，某个建筑物的火灾频率非常低。因此，火警信号的传输是偶然的。
5)功耗限制。与有线系统不同，无线报警系统中的模块通常由电池供电，能量有限。实际现场的电池寿命通常需要持续1年，因此无线系统的通信在有限能量的限制下工作。
针对上述特点，系统完全压缩通信数据帧，并提出可以降低通信能耗的轮询协议。
4.2通信框架设计
基于无线自动火灾报警系统的单通信低数据通信特性，但实时性要求高，通信帧的设计如图3所示。一帧数据共包含10个字节。少量数据有助于降低传输功耗。在该日期，引导字节和同步字节是固定字节;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的地址各占一个字节。各类探测器和消防设施的类型和状态被编码为1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;而根据实时通信和重现的特点，网络点越多，一个轮询周期中的通信就越多。因此，网络规模和功耗优化是一对相互制约参数。
在一个轮询周期中，同一频率网络通过TDMA划分每个字段模块的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字段模块。每个字段模块都会在其自己的查询字段到达时被唤醒。在继电器模块对现场模块进行1状态查询后，后者将重新进入休眠状态。
为了实现火灾的实时检测，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。没有火，它会立即重新进入睡眠状态;如果检测到火灾，将唤醒并维护无线功能。
在查询两个相邻地址模块之间的时间间隔中，中继模块将向所有火灾触发模块插入单个火灾查询指令。由于唤醒 - 睡眠策略设置，只有处于火警状态的火灾触发模块保持唤醒状态并且可以回答查询。
上述轮询逻辑设计有三个特点：
1)轮询周期可以尽可能地延长，因此在没有定期监视火灾的情况下，模块通信的数量将减少，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。由于继电器模块采用火力供电，因此没有功耗限制，在实际现场实现了高实用性。
当发生火灾时，通过使用两个轮询查询之间的间隔，插入火警查询指令，以避免轮询周期延长后潜在的火警传输延迟，并且报警信号传输仍能满足实时要求。
- 测试
系统的每个物理部分如图4所示。根据消防安全标准进行了测试，无线火警系统部署在建筑物内。测试结果如表1所示。
在1-墙障碍的情况下，现场模块通信半径可达35米。相同的频率网络可以覆盖大约1,000米的总空间2。在没有直 接隔离墙的地方，通信半径会更长。此外，现场模块的工作电流小于93mu;A;2400mAH电池，最长工作寿命可达3年， 可满足3合1等小型场所的实际需求。系统的通信丢包率低至1/11110，这意味着在最多一千次通信中可能会发生一次丢失。即使发生丢包，通过在两个模块的轮询之间的间隔中插入重试命令，也可以重新获得丢失的数据包。此外， 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，火警报告时间可以控制在5s内，并且现 场模块的故障发现时间可以控制在10s内。
测试数据表明，该系统工作电流足够低，信息传输时延短，丢包率低，满足低功耗，实时传输，低错误率的无线火灾报警系统的要求。
图4无线自动火灾报警系统的实物图
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参数 |
测试数据 |
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没有直接障碍 |
50m |
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建筑物内的现场模块通信半径 |
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20m-35m 17m-25m |
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平均丢包率 |
lt;1/11110 |
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继电器模块的平均工作电流 |
28毫安 |
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现场模块的平均工作电流 |
lt;93mu;A |
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报警响应时间 |
lt;5s |
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故障响应时间 |
lt;10s |
表1测试结果
- 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无线火灾自动报警系统的体系结构，设计开发了系统模块硬件，并设计了一种通信间隔插入轮询逻辑，可以在分析的基础上有效降低平均功耗。总结了无线火灾自动报警系统通信行为的特点，完成了该无线火灾报警系统的设计和开发。与2.4G通信技术相比，该系统利用433M射频信号的波长优势，具有很强的衍射能力。与其他低兆赫兹射频通信无线火灾报警网络相比，该系统具有潜在的有线系统集成和较低的平均通信功耗，其应用将有助于提高三合一场所，多属性街道商店，砖或木质文物和古建筑，临时建筑物等场所。
致谢
作者要感谢公安部应用创新项目“无线火灾报警系统的开发”（2014YYCXSXF067）的财政支持。
参考
Kim Byoung-kug，Hong Sung-hwa，Hur Kyeong等，2010。无线传感器网络的节能和快速时间同步期刊。IEEE消费电子产品交易56，p2258
火警系统
火灾报警系统有许多设备协同工作，通过视觉和听觉设备检测和警告人们烟火, 一氧化碳或其他紧急情况存在。这些警报可以自动激活抽烟探测器和热探测器或者也可以通过激活手动火灾报警激活手动呼叫点或拉站等设备。警报可以是电动铃，也可以是壁挂式发声器或喇叭。它们也可以是[（扬声器闪光灯）]发出警报，然后是语音疏散消息，警告建筑物内的人不要使用电梯.火警探测器可以设置为特定频率和不同音调，包括低，中和高，具体取决于设备的国家和制造商。
设计
消防目标确定之后——通常通过参考适当的模型构建规范、保险机构和其他权威机构规定的最低保护级别——火警警报设计人员承诺详细说明实现这些目标所需的特定组件、安排和接口。在设计过程中，将选择专门为这些目的制造的设备，并预期采用标准化的安装方法。
ISO 7240-14是建筑内外火灾探测和火灾报警系统的设计、安装、调试和服务的国际标准。本标准于2013年8月发布;状态,发表;版本1;技术委员会ISO/TC 21/SC 3火灾探测和报警系统。
NFPA 72，国家火灾报警代码是从美国建立并广泛使用的安装标准。在加拿大，ULC是消防系统的标准。 最后版本2019;状态,发表。此代码是家庭标准NFPA的一部分
TS 54 -14是火灾探测和火灾报警系统的技术规范(CEN/TS)。第14部分:规划、设计、安装、调试、使用和维护指南。本文件由CEN/TC72技术委员会编制，是en54系列标准的一部分。本标准于2018年10月发布;状态,发表。
每个欧洲国家都有关于火灾探测系统的规划、设计、安装、调试、使用和维护的国家规范，以及TS 54 -14中提到的附加要求。
火灾报警控制面板(FACP)又称火灾报警控制单元(FACU);该组件是系统的中枢，监视输入和系统完整性，控制输出和传递信息。
一次电源:通
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