无线火灾自动报警系统设计外文翻译资料

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外文翻译

无线火灾自动报警系统设计

Wen-hui Donga, Li Wanga, Guang-zhi Yua, Zhi-bin Mei

Ministry of Public Security Shenyang Fire Research Institute, Liaoning 110034, China

摘要

为满足无线火灾自动报警系统的应用需求，本文在分析无线火灾报警系统适用地点和通信业务特点的基础上，设计了专门的火灾探测和报警无线通信协议，设置无线自动火灾报警系统，实现消耗功率低的消防设施的快速火灾探测，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，无线通信火灾自动报警系统引起了国内外的广泛关注。 虽然双总线系统的搭建和布线比较简单，但是仍存在安装维护成本高，升级难度大的问题，特别是对于家庭和一些实际需求无法满足的特殊应用场合。例如，在古代文物中，有线火灾报警系统的安装过程需要开槽和穿墙式管道，可能会对建筑物造成损害。 所以有线火灾报警系统是不适用的。 另外，对于拥有多个产权的建筑物，小街铺和临时建筑物等，无线系统是非常合适的。

无线火灾报警系统安装方便，无需穿墙布线，不损坏建筑物，适应建筑物使用功能的变化，受到国内外研究人员的广泛关注。 以Zigbee技术为代表的2.4G无线网络技术是火灾自动报警系统的常用技术。但2.4G传输的优势只在于能见度范围，对障碍物的传播仍然有重大影响。对于一些规模较大，建筑物复杂分散的地区，为保证2.4G网络传输质量的提高，需要大量的继电器或辐射功率的增加，从而导致成本增加，与低成本，低功耗的无线火灾报警系统相冲突。

针对以上问题，本文分析了无线火灾报警器的工作特点，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，以解决实际消防需要的三合一场所，多种街道商店，砖木结构的历史建筑，临时建筑等场所。

2.系统架构设计

有线自动火灾报警系统成本高，施工难度大，但有线信号传输，用护套和黄铜管的保护确保了信号质量较高，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，受到远距离和障碍物的影响较大，与有线系统相比系统传输速率和容量稍低; 为保证火灾报警信号和消防设施监控信号的无差别实时传输，系统规模不宜过大。因此，对于无线火灾报警系统的应用模式，根据现场可用的消防设施，应采用不同的建筑模式设计：

1）对于已经设置了有线系统的大型建筑物，当内部单元的布局发生变化，或者当建筑物单元部分增加时，需要对现有系统进行局部改造或扩建 ，无线系统可以作为一种辅助子系统连接到现有的有线系统。 在这种组合模式下，有线系统仍然作为整体稳定性较高的骨干网络，而无线系统则根据当地的环境特点进行使用，实现配置的灵活性和转化的低成本;

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，可采用无线形式作为整个自动火灾报警系统，可保证无误差的实时信号传输。

根据这两种不同的情况，本系统采用两种独立的架构模式，用于全无线通信环境和有线无线环境的组合环境，可通过无线信号或CAN总线分别连接火警控制器，如图1所示整个系统由火灾报警控制器，继电器模块和地区组成：

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433米的射频与现场模块连接，用地区模块。 火力被用作电力供应。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，适合作为无线火灾自动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可以根据现场环境进行选择：有线系统的CAN总线通信，无线系统的433M射频或GPRS通信。 当火警信号或故障信号发现状况时，路由器只向控制器报告。

2）现场模块。 现场模块包括3种类型：火灾触发模块，设备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。

多个路由器可以设置与火警控制器连接。每个继电器模块管理部分的火灾触发模块，设施监控模块和输出模块，来建立自己的同一个频率的网络。 在不同路由器建立的网络之间，使用跳频来避免同频干扰。通过扩展路由器的数量，可以实现现场自动火灾报警业务需求的全面覆盖。

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公司的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”，无线网络设计工作于433MHz公用免费频段，符合国家无线电管理委员会的要求。

它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。

图二

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. 实时性要求高。 根据GB4717-2005“火灾报警控制单元”的要求，从检测器发出火警信号到控制器接收的时间应控制在10s以内，当系统中任何模块发生故障时，火警控制器应检测到故障在100s。
    3. 经常性故障监视通信。 为了实现对系统中各模块状态信息的实时监控，满足100秒内获取模块故障状态的业务需求，系统需要定期查询模块状态。
    4. 偶尔发生火警信号传输。 作为一场灾难，某个建筑物的火灾发生频率非常低。 因此，火警信号的传输是附带的。
    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，能耗有限。 实际现场的电池使用时间通常需要1年以上，因此无线系统的通讯工作受能源有限的限制。

针对上述特点，本系统对通信数据帧进行全面压缩，提出了可降低通信能耗的轮询协议。

4.2通信框架设计

基于无线火灾自动报警系统在单个通信中实时性要求较低的低数据通信特性，通信帧设计如图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。 在日期中，前导字节和同步字节是固定的字节; 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。

首字节

同步字节

补充

种类

状态

数据

CRC16检查

2

2

2

1

1

1

1

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，一个轮询周期内通信量就越多。 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，同一个频率网络通过TDMA划分各个现场模块的TDA，根据网络的模块数量设置一系列查询字段，并分配给各个现场模块。每个现场模块通过其自己的查询字段的到来而被唤醒。当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，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，中继模块会向所有的火灾触发模块插入一条火灾查询指令。 由于唤醒程序的设置，只有处于火警状态的火灾触发模块保持清醒状态并能够回答查询。

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，这样在没有定期监视的情况下，模块通信的数量就会减少，从而减少通信功耗。
    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，不存在功耗限制，在实际现场实现了高度的实用性。
    3. 发生火灾时，通过两次轮询查询之间的间隔时间，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无线火灾自动报警系统实景图

在单壁障的情况下，现场模块通讯半径可以达到35米。同一个频率网络可以覆盖大约1000米的总空间。通讯半径会在没有直接障碍的地方变长。而且，现场模块的工作电流小于93mu;A; 配备2400mAH电池，最长使用寿命可达3年，可满足三合一等小地方的实际需要。 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以上通信失败。 即使发生丢包，通过在两个模块的轮询间隔插入重试命令，丢失的数据包也可以重新获得。此外，系统的及时性可以得到保证。在1个继电器模块管理100个现场模块的规模下，火灾报警时间可控制在5s以内，现场模块的故障发现时间可控制在10s以内。

表1测试结果

参数		测试数据
	没有直接的障碍	50m
建筑物内的现场模块通信半径	1- 墙壁障碍	20m35m
	2- 墙壁障碍	17m25m
平均丢包率		lt;1/11110
继电器模块的平均工作电流		28mA
现场模块的平均工作电流		lt;93mu;A
报警响应时间		lt;5s
故障响应时间		lt;10s

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，满足了低功耗，实时传输，误码率低的无线火灾报警系统的要求。

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，完成了无线火灾自动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，具有较强的衍射能力。 与其他低兆赫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低平均通信功耗，其应用将有助于提高三合一地点，多性能街道商店，砖瓦或木质文物和古建筑，临时建筑等场所。

致谢

作者感谢公安部应用创新项目“无线火灾自动报警系统开发”（2014YYCXSXF067）的资助，

参考

[1] Kim Byoung-kug，Hong Sung-hwa，Hur Kyeong，et al，2010. Journal of Energy-efficient and rapid time synchroni

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