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毕业设计(设计)

英文文献翻译

Title:Design of Wireless automatic Fire alarm system

无线火灾自动报警系统的设计

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

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

摘要：为了满足无线火灾自动报警系统的应用要求，在分析无线火灾报警系统的适用场所和通信服务特点的基础上，提出了无线火灾自动报警系统的应用方案。本文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无线火灾自动报警系统，实现了火灾的快速探测和报警以及低功耗消防设施的报警和国家监督。

关键词:无线通信；检测协议；火灾报警系统

1.引言

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，基于无线通信的火灾自动报警系统在国内外吸引了广泛的关注。虽然双母线系统的建设和接线比较简单，但仍然存在安装维护费用高、升级困难等问题，特别是适用于家庭的特殊申请和一些实际需求无法满足。例如，在古建筑物中，有线火灾报警系统的安装需要设置开槽和透壁管道，这样可能对建筑物造成破坏。因此有线火灾报警系统是不适用的。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等，无线系统也是非常适合的。

无线火灾报警系统安装方便，无需穿墙布线，不损坏建筑物，适应建筑物的使用功能变化，因此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，需要增加大量的继电器或辐射功率，这将导致成本增加，与低成本，低功耗目标冲突。

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，临时建筑等场所实际的消防要求。

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，护套和黄铜管道保护确保了高信号质量，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，受到距离和障碍物的影响较大，系统传输速率和容量比有线系统稍低;为保证火灾报警信号和消防设施监控信号的无差错实时传输，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时，无线系统可以用作与系统连接的辅助子系统。在这种组合模式下，有线系统仍然作为骨干网络，整体系统稳定性较高，而无线系统则根据当地环境特点使用，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的临时建筑物，由于系统容量不大，无线形式应用于整个自动火灾报警系统可以确保实时信号传输。

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，可通过无线信号或CAN总线分别与火灾报警控制器连接，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 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 RF或GPRS通信。当火警信号或故障信号被轮询时，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。

多路由器可以设置为与火警控制器连接。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，建立自己的同一频率网络。在由不同路由器构建的网络之间，跳频用于避免同频干扰。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。

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 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公共免费频段，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）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，火灾报警控制器应在100s内检测故障。

3）重复故障监视通信。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）偶然火警信号传输。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。实际场地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。

针对以上特点，系统对通信数据帧进行了全面压缩，并提出了可降低通信能耗的轮询协议。

4.2 通信框架设计

基于无线自动火灾报警系统在单个通信中实时数据量较低的通信特性，通信帧的设计如图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。在该日期中，前导字节和同步字节是固定的字节；类型、状态和数据字段都占用1个字节；每个地址字段的源地址和目标地址占用一个字节。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，网络点数越多，在一个轮询周期内将发生越多的通信。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。每个现场模块由其自己的查询字段的到来而被唤醒。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。

上述轮询逻辑设计有三个特点：

1）轮询周期可以尽可能延长，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。网络流量的主要负载转移到中继模块。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。

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，通过使用两次轮询查询间隔，插入火警轮询指令，避免轮询周期延长后潜在的火警延时传递延迟，并且报警信号传输仍能够满足实时性要求。

5.测试

系统的每个物理部分如图4所示。已经在建筑物内部署了无线火灾报警系统，根据消防安全标准进行了测试。测试结果如表1所示。

图4 无线自动火灾报警系统的实物图

在单壁障的情况下，现场模块的通讯半径可以达到35米。同一个频率网络可以覆盖约1,000平方米的总空间。在没有直接屏障墙的地方，通信半径会更长。此外，现场模块的工作电流小于93mu;A;采用2400mAH电池，最长使用寿命可达3年，可满足3合1等小地方的实际需求。该系统的通信丢包率低至1/11110，这意味着最多可能发生一次千次通信失败。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，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

无直接屏障 50m

建筑物内的现场模块通信半径

单壁障 20m~35m

双壁障 17m~25m

平均数据包丢失率 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，该系统具有工作电流足够低，信息传输时延短，数据包丢失率低的特点，满足低功耗，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，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，总结了无线自动火灾报警系统通信行为的特点，完成了该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，多种街道商店，砖或木质文物和古建筑物，临时建筑物等地。

致谢

作者对公安部应用创新项目“无线火灾报警系统的开发”给予的财政支持表示感谢。(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 Ele

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