基于智能建筑火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的設(shè)計與研究

張 鑫

（北京東方華脈工程設(shè)計有限公司，北京 100081）

0 引 言

傳統(tǒng)的小區(qū)火災(zāi)報警系統(tǒng)采用有線傳輸方式，具有布線難度大、采集信號單一以及檢測火災(zāi)不靈敏等缺點(diǎn)。ZigBee是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，具有安全、可靠以及簡單等特點(diǎn)，適用于對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高、相對距離較短的設(shè)備，其出現(xiàn)為研發(fā)新型小區(qū)火災(zāi)報警系統(tǒng)提供了可能。目前，在小區(qū)火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計領(lǐng)域，相關(guān)學(xué)者做了大量工作，并取得了豐碩成果。有學(xué)者以STC12C5A60S2單片機(jī)為平臺，與紅外探測器和煙霧報警器相結(jié)合，利用無線射頻通信模塊傳遞火情信息，再通過全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication，GSM）遠(yuǎn)距離報警。還有學(xué)者針對市場上火災(zāi)報警系統(tǒng)單一、缺乏實(shí)時性等問題，分析了傳感器數(shù)據(jù)融合的層次結(jié)構(gòu)，勾勒出系統(tǒng)模型圖，實(shí)現(xiàn)了基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的智能消防報警系統(tǒng)。文章結(jié)合ZigBee技術(shù)，把煙霧、CO與溫度探測功能融合一體，設(shè)計一種火災(zāi)報警系統(tǒng)，能夠?qū)⒒馂?zāi)的數(shù)據(jù)使用無線通信的方式進(jìn)行傳輸，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。經(jīng)測試，該系統(tǒng)的優(yōu)勢顯著，值得被推廣應(yīng)用。

1 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

1.1 明確設(shè)計要求

設(shè)計之初，應(yīng)在明確建筑結(jié)構(gòu)形式的前提下進(jìn)一步確定火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的具體設(shè)計內(nèi)容。一般在民用建筑設(shè)計中，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)主要由小區(qū)管理，因此在進(jìn)行火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計時，可根據(jù)小區(qū)物業(yè)的集中管理特點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，既能全方位實(shí)施監(jiān)控管理，還能滿足消防聯(lián)動的安裝條件。相對而言，在進(jìn)行別墅住宅等獨(dú)立單位的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計時，則需要考慮區(qū)域完整性與合理性，無論是火災(zāi)探測器、報警器、警報器，還是報警控制裝置都要一應(yīng)俱全[1]。

1.2 消防聯(lián)動設(shè)計

火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計中還涉及消防聯(lián)動設(shè)計，這一部分需要建立在各專業(yè)設(shè)計密切銜接的基礎(chǔ)上。設(shè)計人員不僅要考慮到火災(zāi)報警聯(lián)動反應(yīng)裝置的合理設(shè)計，還要做出詳細(xì)的聯(lián)動規(guī)劃表，以滿足火災(zāi)發(fā)生時的消防聯(lián)動要求。這就需要針對現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，主要是在火災(zāi)探測器發(fā)出警報后，需要根據(jù)火災(zāi)險情進(jìn)行滅火裝置設(shè)計，其中主要包括消火栓、消防泵、噴淋泵以及消防電梯等裝置。在當(dāng)前諸多建筑消防滅火系統(tǒng)中，主要采用的是水噴淋滅火裝置，其中自動噴水滅火噴頭是設(shè)計的關(guān)鍵所在[2]。從其使用功能而言，自動噴水滅火裝置具有一定的先進(jìn)性，而且適用范圍較廣，在設(shè)計中可按照建筑需求進(jìn)行水箱抑或供水系統(tǒng)的連接設(shè)計，并將水流指示器、信號閥、壓力開關(guān)等進(jìn)行模塊設(shè)計，確?；馂?zāi)發(fā)生時能夠快速觸發(fā)啟動，達(dá)到方便快捷滅火。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 功能模塊設(shè)計

基于ZigBee的小區(qū)火災(zāi)報警系統(tǒng)可分為4個功能模塊，即信息采集模塊、通信模塊、火災(zāi)報警模塊以及聯(lián)動控制模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

信息采集模塊中，考慮到火災(zāi)發(fā)生的特征，利用傳感器采集火災(zāi)發(fā)生的因素，即煙霧濃度、CO和溫度等信息，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，傳遞給路由節(jié)點(diǎn)[3]。通信模塊中，基于ZigBee的短距離通信技術(shù)，將收集到的煙霧濃度、CO和溫度等信息通過路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器是具有數(shù)據(jù)整合、傳輸功能的智能節(jié)點(diǎn)，會將接到的火災(zāi)特征信息傳輸至云平臺，云平臺對這些特征信息進(jìn)行處理，基于設(shè)定的閾值判定是否有火災(zāi)發(fā)生。火災(zāi)報警模塊中，當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時，系統(tǒng)啟動蜂鳴器產(chǎn)生警報聲音，并報告火災(zāi)的具體位置，提醒人們盡快疏散，為救援爭取時間。聯(lián)動控制模塊中，當(dāng)報警器工作時，表明有火災(zāi)發(fā)生，假如火災(zāi)發(fā)生在夜晚，則需要為居民疏散提供條件，如啟動應(yīng)急照明、告知居民火災(zāi)發(fā)生的具體位置等。聯(lián)動控制模塊就是通過路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對聯(lián)動設(shè)備進(jìn)行控制，滿足報警后人們的疏散與逃生需求[4]。

2.2 總體設(shè)計

考慮到煙霧濃度、CO和溫度等對火災(zāi)報警的影響，避免因單一因素造成誤報及漏報的問題。本系統(tǒng)采用基于多傳感器融合的復(fù)合式火災(zāi)探測器檢測火災(zāi)的特征。該探測器可以綜合煙霧濃度、CO濃度和溫度等信息，判定是否有火災(zāi)發(fā)生。目前，市場上較為流行的復(fù)合式火災(zāi)探測器均采用CC2530芯片，提供了很好的ZigBee協(xié)議棧及解決方案，為火災(zāi)信息的無線傳輸提供了可能，也是火災(zāi)信息探測的最佳選擇[5]。

3 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要是針對信息采集模塊、通信模塊、火災(zāi)報警模塊以及聯(lián)動控制模塊的具體功能進(jìn)行設(shè)計。

3.1 開發(fā)板設(shè)計

CC2530芯片具有低成本、高性能、低功耗、支持硬件調(diào)試以及支持CSMA/CA功能等優(yōu)點(diǎn)。其吸收了2.4 GHz射頻（Radio Frequency，RF）收發(fā)器的優(yōu)良性能，是ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案，可以以非常低的成本建立起一個強(qiáng)大的無線網(wǎng)絡(luò)，廣泛用于ZigBee系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、樓宇系統(tǒng)和工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域。因此，可將其集成在復(fù)合式火災(zāi)探測器、3種無線節(jié)點(diǎn)及聯(lián)動設(shè)備的ZigBee芯片中[6]。

3.2 復(fù)合式火災(zāi)探測器設(shè)計

火災(zāi)的發(fā)生會伴隨著溫度、CO濃度和煙霧濃度等而改變，監(jiān)測這些信息的準(zhǔn)確性及靈敏度對整個火災(zāi)報警系統(tǒng)至關(guān)重要?；贑C2530芯片的復(fù)合式火災(zāi)探測器主要包含外部時鐘模塊、無線下載模塊、復(fù)位電路模塊、射頻前端模塊、外部工作時鐘模塊、天線模塊、報警模塊以及核心部分的煙霧、溫度、CO監(jiān)測模塊，由外置電源供電。為了節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，本系統(tǒng)采用的是一個集成了ZigBee模塊、煙霧傳感器模塊、CO傳感器模塊和溫度傳感器模塊的下位機(jī)，實(shí)物如圖2所示。

圖2 下位機(jī)實(shí)物

4 軟件設(shè)計

火災(zāi)報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計包含下位機(jī)軟件設(shè)計和上位機(jī)軟件設(shè)計。下位機(jī)軟件是指運(yùn)行在終端、路由、協(xié)調(diào)結(jié)點(diǎn)即復(fù)合式火災(zāi)探測器上的軟件，主要是通過Z-stack協(xié)議棧啟動CC2530芯片構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)；上位機(jī)軟件指的是小區(qū)監(jiān)控中心和客戶端運(yùn)行的軟件，客戶端可與小區(qū)監(jiān)控中心通信，顯示火災(zāi)發(fā)生的具體位置等信息[7]。

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)的主要功能是對火災(zāi)信號即煙霧濃度、CO濃度、溫度的采集與傳輸，服務(wù)器接收到信息后，計算公式為：

式中，融合參數(shù)M表示煙霧濃度、CO濃度、溫度及其對應(yīng)權(quán)重乘積的累計值；W為煙霧濃度；T為CO濃度；Y為溫度；N1，N2，N3分別表示煙霧濃度、CO濃度和溫度對應(yīng)的權(quán)重。如果M大于等于設(shè)定值的閾值S，則表明發(fā)生了火災(zāi)，此時會觸發(fā)報警器，并啟動聯(lián)動設(shè)備[8]。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件包含登錄界面和報警界面，JavaScript是一種優(yōu)秀的Web頁面腳本語言，適合用來編寫登錄界面和報警界面。登錄界面有用戶名和密碼輸入框，用戶輸入驗(yàn)證完成即可進(jìn)入系統(tǒng)。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時，會自動彈出報警界面，包含報警類型、報警時間以及報警位置等信息。

5 系統(tǒng)測試

5.1 數(shù)據(jù)采集測試

選取3個安裝在不同位置的復(fù)合式火災(zāi)探測器，通過串口助手觀察這3個探測器所采集的火災(zāi)信息，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，序號2、3、5、8、10顯示的CO的參數(shù)都為01，其中2號、5號和8號的長地址都是B1564A2F6EB73A12，3號的長地址為2F1A2B34215A4C3D，10號的長地址為A1425647A8E62B6A，說明長地址不同的3個探測器都能對CO進(jìn)行有效采集；9號和10號兩組數(shù)據(jù)中煙霧數(shù)據(jù)不同，并且長地址也不同，說明煙霧參數(shù)是由兩個不同的探測器探測到的；長地址不同的探測器所探測到的溫度參數(shù)不同，而長地址相同的探測器所探測到的溫度雖然也會不同，但是變化范圍不大，說明數(shù)據(jù)采集功能穩(wěn)定[9]。

表1 測試數(shù)據(jù)

5.2 數(shù)據(jù)接收測試

利用串口調(diào)試助手向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，模擬火災(zāi)發(fā)生所需信息，為了保證數(shù)據(jù)傳輸成功，就要求數(shù)據(jù)發(fā)送方與數(shù)據(jù)接受方遵循相同的規(guī)則，即要保證收發(fā)數(shù)據(jù)的格式要一致。數(shù)據(jù)發(fā)送完成，主界面會彈出如圖3所示的報警窗口，說明數(shù)據(jù)接收正常[10]。

圖3 報警界面

6 結(jié) 論

本文考慮到小區(qū)消防安全存在的問題，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)中的ZigBee技術(shù)，將煙霧、CO和溫度探測相融合，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee技術(shù)的小區(qū)火災(zāi)報警系統(tǒng)。與傳統(tǒng)小區(qū)火災(zāi)報警系統(tǒng)相比，克服了其布線難度大、采集信號單一和報警不及時等問題，具有較高的推廣價值。