基于ZigBee技術(shù)的消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)研究

于江利，田海虹，司亞超，時(shí)麟

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000；2.中國寰球工程公司華北規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北涿州072754；3.河北省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050000）

對(duì)于建筑物來說，消防設(shè)備的可靠性是消防安全的重要保證，而消防設(shè)備能否正常工作又取決于供電電源的工作狀態(tài)?；谝陨险J(rèn)識(shí)，我國在2011年開始實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB25506-2010《消防控制室通用技術(shù)要求》中做出了“消防控制室應(yīng)能顯示系統(tǒng)內(nèi)各消防用電設(shè)備的供電電源和備用電源的工作狀態(tài)和欠壓報(bào)警信息”的強(qiáng)制性規(guī)定。這使消防電源監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用成為智能建筑的必要之選。

消防電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是對(duì)消防設(shè)備的電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，從而判斷電源是否存在斷路、短路、過壓、欠壓、過流以及缺相、錯(cuò)相、過載等狀態(tài)，并對(duì)這些狀態(tài)進(jìn)行記錄和報(bào)警。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)滿足可靠性、實(shí)時(shí)性的要求并具有數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和連續(xù)監(jiān)控的特性，能夠?qū)崟r(shí)反映出被監(jiān)控設(shè)備電源的運(yùn)行狀況，從而可有效避免火災(zāi)發(fā)生時(shí)，消防設(shè)備由于電源故障而無法正常工作的危急情況，最大限度地保障消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

1 消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成及功能

消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)作為消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的必要子系統(tǒng)，主要由電源狀態(tài)監(jiān)控中心、中繼器、監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成。

監(jiān)控中心沒有高級(jí)語言設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫，對(duì)所監(jiān)測的消防設(shè)備電源的運(yùn)行信息、故障信息、位置信息等參數(shù)進(jìn)行跟蹤采集、存儲(chǔ)、分析，方便用戶進(jìn)行管理和監(jiān)控；并通過人機(jī)交互界面，一方面將消防設(shè)備電源的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總顯示，同時(shí)完成管理、查看、報(bào)警、打印等任務(wù)；另一方面，工作人員可以通過人機(jī)交互界面發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令至現(xiàn)場，以便更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

監(jiān)控模塊用于在現(xiàn)場對(duì)各種消防設(shè)備的電源及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行信息采集，各個(gè)監(jiān)控模塊由各種監(jiān)控傳感器，例如電壓傳感器、電流傳感器、電壓/電流傳感器等組成。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種類型不同的監(jiān)控模塊，可通過選擇功能不同的監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)不同消防設(shè)備電源的監(jiān)控要求。這三種類型分別為：N1模塊表示電源監(jiān)控模塊，用于監(jiān)測電源的電壓、電流；N2模塊表示剩余電流監(jiān)控模塊，用于監(jiān)測供電回路的剩余電流值；N3模塊兼具以上N1和N2的功能，可以同時(shí)監(jiān)測電源的電壓、電流及剩余電流。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)沒有采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式，而是結(jié)合消防設(shè)備數(shù)量多、分布點(diǎn)廣的基本特點(diǎn)，采用ZigBee數(shù)據(jù)通訊與3G網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的無線傳輸方式，從而有效地實(shí)現(xiàn)降低布線維護(hù)成本和擴(kuò)大監(jiān)控范圍的目的。

該系統(tǒng)作為一種消防設(shè)備電源運(yùn)行預(yù)警保障系統(tǒng)，其功能是對(duì)設(shè)備的相關(guān)電氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)視，并能夠?qū)崟r(shí)顯示和查看各個(gè)消防用電設(shè)備供電電源和備用電源的工作狀態(tài)及相應(yīng)技術(shù)要求。同時(shí)，當(dāng)電源發(fā)生過壓、欠壓、過流、缺相等故障和異常、相關(guān)參數(shù)不在設(shè)定值要求范圍內(nèi)時(shí)能發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并在系統(tǒng)中指示報(bào)警具體部位，記錄并保存報(bào)警信息，避免火災(zāi)發(fā)生時(shí)消防設(shè)備不能正常使用而導(dǎo)致不能有效控制火災(zāi)蔓延的情形發(fā)生，保證火災(zāi)發(fā)生時(shí)消防設(shè)備能可靠地投入工作。

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸主要由兩部分來完成，一部分是底層數(shù)據(jù)通信部分，主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)來擔(dān)當(dāng)；另一部分是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信部分，選用3G網(wǎng)絡(luò)來完成。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種短距離低速無線個(gè)城網(wǎng)(一種短距離工業(yè)控制網(wǎng)），具有低成本、低功耗、低速率和低復(fù)雜度等特點(diǎn)，同時(shí)可靠性高、組網(wǎng)簡單、方便靈活[1]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層組成。Zigbee協(xié)議棧軟件采用C語言編寫，開發(fā)環(huán)境采用AVR Studio4.12，硬件平臺(tái)采用的單片機(jī)為Atmega128，射頻模塊采用CC2430。采用的標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee 1.0規(guī)范,整個(gè)協(xié)議棧軟件采用單線程，考慮到Atmega128內(nèi)部RAM只有4 K的空間，因此，各模塊之間采用共享緩沖區(qū)進(jìn)行通信。Zigbee協(xié)議棧架構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議架構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層，其功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理，主要是傳感器節(jié)點(diǎn)的加入或離開、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。為了實(shí)現(xiàn)消防設(shè)備電源的有效監(jiān)控，ZigBee網(wǎng)絡(luò)在各主要消防用電設(shè)備周圍設(shè)置ZigBee節(jié)點(diǎn)，具體分布如表1所示。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)集無線收發(fā)器、微處理器、存儲(chǔ)器和用戶API于一體，并采用TI公司的CC2430作為核心芯片。由于絕大多數(shù)消防設(shè)備都是靜態(tài)的，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用Cluster-Tree拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來構(gòu)建。

表1 ZigBee節(jié)點(diǎn)分布

Cluster-Tree是一種由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器展開生成的樹狀網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)都由協(xié)調(diào)器進(jìn)行管理。ZigBee節(jié)點(diǎn)的加入和脫離通過用C語言編寫的原語請求來實(shí)現(xiàn)。具體過程為協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后，當(dāng)其他普通節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，需將自己的信道設(shè)置成與協(xié)調(diào)器相同的信道，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)提供了正確的認(rèn)證信息后，就可以請求加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，可以從其父節(jié)點(diǎn)得到自已的短MAC地址、網(wǎng)絡(luò)地址和相應(yīng)的拓?fù)鋮?shù)；而當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要離開網(wǎng)絡(luò)時(shí)，向父節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器提出請求即可。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由依照Cluster-Tree結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇，整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)置兩種節(jié)點(diǎn)，分別為FFD結(jié)點(diǎn)和RFD結(jié)點(diǎn)。FFD節(jié)點(diǎn)是全功能節(jié)點(diǎn)，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，因此可擔(dān)當(dāng)左右子樹結(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)的傳輸方向也是雙向的，即可以向下傳至子結(jié)點(diǎn)，向上傳至父結(jié)點(diǎn)，其路由選擇的方法就是直接根據(jù)Cluster-Tree算法進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，而RFD節(jié)點(diǎn)不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，所以只能在樹狀結(jié)構(gòu)中擔(dān)任葉子點(diǎn)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式也相應(yīng)單一，即接收到數(shù)據(jù)包回復(fù)ACK后，把數(shù)據(jù)交至父節(jié)點(diǎn)，請其轉(zhuǎn)讓。

3 結(jié)論

隨著電力電子和建筑技術(shù)水平的不斷提高，目前城市的建筑趨向于智能化和高層化。為了保障這些建筑的安全，消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)成為必要的選擇。

本文利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了底層消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過硬件平臺(tái)，借助傳感網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的路由算法，將消防電源運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送至底層數(shù)據(jù)中心，并由數(shù)據(jù)中心經(jīng)3G網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)消防電源的有效管理。

[1] 劉市生，張賢華.ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無線電工程，2008(11)：8-9.