基于無線傳感的物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用探討

李輝

摘要：傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警裝置存在布線復(fù)雜、維護(hù)困難等問題，且經(jīng)常出現(xiàn)漏報(bào)遲報(bào)現(xiàn)象，無法滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)火災(zāi)預(yù)警的深層次需要。因此，利用無線信號(hào)傳輸距離更長、無線喚醒、繞射障礙物能力更強(qiáng)的XL1101-D01無線射頻芯片為媒介組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過RS-485、RS-232通信方式與上位機(jī)管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，構(gòu)筑具有良好準(zhǔn)確性和重復(fù)性的火災(zāi)報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為早期處置提供積極支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無線通信；XL1101-D01；火災(zāi)報(bào)警

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要起到在火災(zāi)早期發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火警信息，及時(shí)疏散人員、控制火勢(shì)等作用，屬于建筑在投入使用前設(shè)置安裝的重要消防設(shè)施。火災(zāi)發(fā)生后，該系統(tǒng)可以在第一時(shí)間將火警信息傳輸至消控中心，由其通知火災(zāi)附近人員逃生，通知安保人員準(zhǔn)確定位起火部位處置火情。但各類火災(zāi)案例表明，建筑內(nèi)部因該設(shè)施損壞或維護(hù)不當(dāng)，會(huì)延誤初期火災(zāi)的發(fā)現(xiàn)和處置，進(jìn)而導(dǎo)致火勢(shì)的蔓延，因此火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)工作是否正常，能否及時(shí)起到預(yù)警作用，應(yīng)當(dāng)引起我們的高度重視和警惕。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展和推廣普及，基于無線傳感的物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地反饋火警信息，從而減少火災(zāi)損失，同時(shí)在日常維護(hù)管理中也較傳統(tǒng)有線系統(tǒng)擁有更多優(yōu)點(diǎn)。

1 消防報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)起，歐美國家就將火災(zāi)報(bào)警設(shè)備接入了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，一旦發(fā)生火災(zāi)，消控中心能夠快速準(zhǔn)確地掌握火災(zāi)發(fā)生的位置及火勢(shì)大小，能夠合理高效地對(duì)消防人員進(jìn)行調(diào)度。我國從20世紀(jì)80年代起，開始在部分重要建筑物內(nèi)采用消防監(jiān)控系統(tǒng)，并逐步推及各類建筑。

GB50016—2014（2018年版）《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第8.4.1條中，對(duì)于需要設(shè)置該系統(tǒng)的場(chǎng)所和建筑并未要求對(duì)所有建筑進(jìn)行全覆蓋，同時(shí)已建成未曾安裝該系統(tǒng)的建筑也沒有強(qiáng)制要求增設(shè)。所以在日常的工作中會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問題：一是未安裝該系統(tǒng)和擬提升改造的建筑內(nèi)，探測(cè)器通常采用導(dǎo)線電纜與控制器相接，工程量大、耗材多、造價(jià)高、功耗大、抗干擾能力低、設(shè)計(jì)施工與維護(hù)復(fù)雜，施工過程甚至?xí)斐山ㄖ锝Y(jié)構(gòu)的破壞。二是傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)還存在線路老化故障率高、監(jiān)視容量小、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，尤其在后期使用中如果維保服務(wù)不到位，系統(tǒng)基本處于半癱瘓或大量故障存在狀態(tài)。三是現(xiàn)有的消防設(shè)備廠商中，國內(nèi)品牌眾多，各類型產(chǎn)品所依據(jù)和適用的物理接口型式、通信協(xié)議方式、數(shù)據(jù)保存?zhèn)鬏敻袷骄嬖诓町?，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，可能會(huì)因?yàn)榈貌坏较嚓P(guān)技術(shù)支持和維修，導(dǎo)致火災(zāi)隱患無法及時(shí)消除。四是生產(chǎn)廠商在技術(shù)提升的同時(shí)也為了增加利潤，產(chǎn)品的升級(jí)迭代頻繁，往往導(dǎo)致后期設(shè)備與已安裝設(shè)備無法較好地匹配兼容。

與此同時(shí)，目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已發(fā)展到具備5G高速率低延時(shí)傳輸，終端設(shè)備高度智能化，區(qū)域密度覆蓋廣泛，維護(hù)成本較低且便捷，可以說物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是以互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、局域無線網(wǎng)等為信息載體的傳輸網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)為目的的技術(shù)變革。它可以通過各種傳感設(shè)備對(duì)被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的各類物體信息進(jìn)行全面感知，然后實(shí)時(shí)地對(duì)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集、獲取和記錄分析，隨后將有用信息以最快的速度傳輸并進(jìn)行云計(jì)算和模糊識(shí)別處理，在短時(shí)間內(nèi)將結(jié)果顯示預(yù)警給后臺(tái)的操控者，以實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)區(qū)域范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和及時(shí)處理，從而降低相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)度和減少事故帶來的損失。

2 基于無線傳感的物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的技術(shù)原理

物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)將嵌入式技術(shù)和無線通信相結(jié)合，提供了高效低成本的火災(zāi)監(jiān)控解決方案。系統(tǒng)以無線射頻芯片為信息傳輸載體，同時(shí)結(jié)合外圍電路和傳感器，組成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件部分。實(shí)現(xiàn)了聲光電的傳統(tǒng)消防預(yù)警功能，并完成各節(jié)點(diǎn)的軟件和無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有組網(wǎng)簡易、維護(hù)簡便、經(jīng)濟(jì)性高、高速傳輸、延時(shí)率低、云端技術(shù)利用等優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)用該無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，將各類火災(zāi)探測(cè)傳感器的相關(guān)溫度、煙霧濃度、可燃?xì)怏w濃度、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)畫面等傳輸至消控中心，同時(shí)也可模擬火勢(shì)蔓延方向，為后續(xù)的火災(zāi)撲救力量部署、人員逃生方向等給出重要的參考信息。

我們此次采用了易擴(kuò)展、易隔離故障的樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息傳輸邏輯分為四部分。系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)操作平臺(tái)所構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置在監(jiān)控區(qū)域范圍內(nèi)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分別接入各類型火災(zāi)報(bào)警探測(cè)器，傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器、控制器、無線射頻模塊構(gòu)成[1]。路由器節(jié)點(diǎn)上取消傳感器部分，在匯聚節(jié)點(diǎn)上增加串口通信模塊。上位機(jī)操作平臺(tái)在利用數(shù)據(jù)庫、串口通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至自動(dòng)消防系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況聯(lián)動(dòng)對(duì)應(yīng)消防設(shè)施。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)錯(cuò)時(shí)、定時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)信息（溫度、煙霧濃度、可燃?xì)怏w濃度、現(xiàn)場(chǎng)畫面等），通過XL1101-D01無線數(shù)傳芯片作為無線模塊傳輸給路由節(jié)點(diǎn)，隨后該設(shè)備進(jìn)入臨時(shí)性的休眠狀態(tài)節(jié)約能耗。路由節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)匯聚節(jié)點(diǎn)后由RS232串口與上位機(jī)操作平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信交互。對(duì)樹形結(jié)構(gòu)中存在的多處子節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的信息通信，采用復(fù)用TDMA技術(shù)，避免數(shù)據(jù)丟包或混亂。上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、顯示和存儲(chǔ)，用戶通過終端實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)中最核心處即無線收發(fā)模塊，見圖1。它是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，選擇適合的無線模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用。處理器、射頻收發(fā)芯片及少許外圍輔助模塊等構(gòu)成一個(gè)短距離無線通信系統(tǒng)[2]。我們根據(jù)數(shù)據(jù)收傳靈敏度、芯片功耗情況、數(shù)據(jù)傳輸距離和速率及基帶處理能力等指標(biāo)，同時(shí)又滿足外圍輔助電路盡可能簡單、搭配元器件盡可能少、無線喚醒等的要求，選取了美國TI公司研發(fā)的XL1101-D01型號(hào)的無線芯片。

系統(tǒng)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2，該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖設(shè)置的傳感器都屬于子節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)則屬于中心節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)則作為兩者之間的中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)，我們還可根據(jù)所監(jiān)控的場(chǎng)所范圍的面積適當(dāng)增減相關(guān)路由節(jié)點(diǎn)數(shù)量，從而提高靈活高效度，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況及系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)場(chǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)按照一定的間隔時(shí)間喚醒后即刻進(jìn)入工作狀態(tài)。系統(tǒng)初始化主要包括MCU從掉電模式中轉(zhuǎn)入正常模式，接著開啟傳感器電源，采集監(jiān)控區(qū)域信息，隨后關(guān)閉傳感器電源，發(fā)送完數(shù)據(jù)包后，各個(gè)模塊再次進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省電能，等待下一次喚醒探測(cè)和采集。每次傳輸完數(shù)據(jù)后，各節(jié)點(diǎn)均進(jìn)行計(jì)時(shí)校準(zhǔn)，防止累計(jì)偏差。匯聚節(jié)點(diǎn)通過RS232串口與上位機(jī)平臺(tái)進(jìn)行通信。匯聚節(jié)點(diǎn)利用USB接入電腦供電，無需休眠，一直處于等待接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。路由節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)初始化后進(jìn)入休眠模式以節(jié)電，待接收數(shù)據(jù)時(shí)間到達(dá)，系統(tǒng)自動(dòng)喚醒該節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，接收完成后將數(shù)據(jù)發(fā)往匯聚節(jié)點(diǎn)，重新進(jìn)入休眠。路由節(jié)點(diǎn)設(shè)置了路由列表，只有對(duì)應(yīng)的ID數(shù)據(jù)包才會(huì)被接收。此外，為防止錯(cuò)過接收時(shí)間，我們將系統(tǒng)喚醒時(shí)間設(shè)置提前一段時(shí)間。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未接收到傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，那么系統(tǒng)將適當(dāng)延長接收時(shí)間以防止遺漏。如果連續(xù)超過一定次數(shù)未接收到數(shù)據(jù)，那么路由節(jié)點(diǎn)則認(rèn)定該傳感器節(jié)點(diǎn)故障需維護(hù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)正是利用了以上的技術(shù)特點(diǎn)，將若干個(gè)火災(zāi)探測(cè)器作為一個(gè)個(gè)小型基站，通過傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)等，利用芯片的處理和傳輸協(xié)議進(jìn)行通信轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與外界的互聯(lián)互通，將各節(jié)點(diǎn)收集的信息加以實(shí)時(shí)分析和決策。

3 智能物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在消防中的應(yīng)用

3.1? 即時(shí)反饋，統(tǒng)一控制

在一個(gè)多種功能并存的公共建筑內(nèi)，內(nèi)部消防設(shè)施繁多，若該公共建筑采用了智能物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)能夠第一時(shí)間迅速地通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)報(bào)警器將發(fā)生火災(zāi)的位置、溫度、煙霧濃度甚至現(xiàn)場(chǎng)視頻情況同步發(fā)送至系統(tǒng)平臺(tái)，平臺(tái)則根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的處置流程將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給消控主機(jī)，通過值班人員的及時(shí)確認(rèn)操作，控制現(xiàn)場(chǎng)各區(qū)域的消防設(shè)施聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)，從而起到快速控制火勢(shì)、減少財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡的效果。

3.2? 云端監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)處理

目前在用的消防設(shè)備中，通常都會(huì)有例如傳輸速度、儲(chǔ)存記錄容量、回路控制點(diǎn)位數(shù)量等技術(shù)規(guī)范要求，同時(shí)在日常管理中還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因某條回路發(fā)生短路、斷路、屏蔽等故障而導(dǎo)致部分探測(cè)器失效的情況，那么對(duì)于主機(jī)的要求和管理的難度可想而知。而作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以及時(shí)統(tǒng)計(jì)出設(shè)備的工作在線情況，當(dāng)各設(shè)備傳感器終端未按期發(fā)送相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包時(shí)，則表明該探測(cè)器存在問題，維保人員可以有效地做好巡檢工作，僅需及時(shí)確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是否正常、探測(cè)器點(diǎn)位及傳輸路由是否正常即可，從而實(shí)現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)并消除消防隱患。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們也完全可以通過設(shè)置云端高性能服務(wù)器，對(duì)建筑內(nèi)大量的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和云端監(jiān)控，也就不必?fù)?dān)心容量和其他限制要求了。

3.3? 多方兼容，統(tǒng)一監(jiān)測(cè)

目前市面上的消防設(shè)施產(chǎn)品種類復(fù)雜、品牌眾多，各企業(yè)為鞏固品牌護(hù)城河效應(yīng)，通常會(huì)設(shè)置自己的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)壁壘，產(chǎn)品之間所采用的接口、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)類型等都存在差異，消控值班人員經(jīng)常會(huì)面臨對(duì)主機(jī)設(shè)備不熟、操作方法不一致等難題，延誤初期火災(zāi)的處理。而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以較好地解決上述問題，通過統(tǒng)一操作平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)建筑內(nèi)部的各類型終端探測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)云數(shù)據(jù)收集，而各探測(cè)報(bào)警終端設(shè)備的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)包格式等進(jìn)行統(tǒng)一制定后接入數(shù)據(jù)平臺(tái)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同品牌、不同型號(hào)的設(shè)備進(jìn)行后臺(tái)監(jiān)控，同時(shí)，如果條件許可，也完全可以由遠(yuǎn)程平臺(tái)操作，從而助力維保和消控人員。

3.4? 降低成本，數(shù)據(jù)共享

目前在建工程中有線消防設(shè)備的工程耗材多、造價(jià)高、抗干擾能力弱、設(shè)計(jì)施工與維護(hù)復(fù)雜，筆者所在轄區(qū)中曾有兩處2010年左右交付使用的高層住宅小區(qū)，因消防設(shè)施癱瘓進(jìn)行消防設(shè)施改造，耗費(fèi)的維修費(fèi)用分別高達(dá)1100萬元和480萬元，而工程量最大的部分恰恰是對(duì)舊設(shè)備的拆除以及回路線路的摸排和布線。但是隨著這些工程順利完工后，如果后期的維護(hù)保養(yǎng)和管理不到位，可能十年后又將面臨艱難的改造。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)恰好可以在這方面達(dá)到預(yù)期效果，通過建立無線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施智能化火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的改造，從而實(shí)現(xiàn)投入減少、維護(hù)簡便、不進(jìn)行建筑大面積損傷性施工等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，消防部門也可通過數(shù)據(jù)后臺(tái)實(shí)時(shí)查詢和掌握某些特定區(qū)域、高危單位及其他場(chǎng)所的火災(zāi)發(fā)生具體情況、現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)隱患情況等，從而進(jìn)行大數(shù)據(jù)的研判和分析，及時(shí)調(diào)度執(zhí)法人員處理和消除隱患。

3.5? 傳輸提升，多種探測(cè)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，依靠無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包流量、傳輸速率等可大幅提升，完全可以由目前的感溫、感煙、紅外等數(shù)據(jù)變化類的探測(cè)器終端更新升級(jí)為同步帶有視頻、音頻監(jiān)測(cè)的探測(cè)器終端設(shè)備，從而供安保力量和消防滅火人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)火勢(shì)大小、蔓延方向、現(xiàn)場(chǎng)溫度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)，以便及時(shí)在第一時(shí)間調(diào)派人員和改變進(jìn)攻策略進(jìn)行實(shí)時(shí)決策。同時(shí)，借助無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過新設(shè)備的研發(fā)，還可以為進(jìn)入火場(chǎng)內(nèi)的消防人員進(jìn)行輔助定位和引導(dǎo)，掌握現(xiàn)場(chǎng)位置信息和周邊范圍內(nèi)的消防設(shè)施情況[3]。

4 結(jié)語

伴隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人們對(duì)消防安全需求的進(jìn)一步提高，必定會(huì)促進(jìn)和帶動(dòng)無線消防預(yù)警設(shè)備的發(fā)展。本文分析了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的現(xiàn)狀，結(jié)合傳感器及物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展技術(shù)，提出了利用無線傳感傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，優(yōu)化了傳統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工復(fù)雜、維護(hù)困難、智能化程度低的問題，設(shè)想了通過傳輸效率更高、傳輸容量更大的結(jié)合音視頻進(jìn)行探測(cè)預(yù)警的新型傳感器設(shè)備，其應(yīng)用場(chǎng)景勢(shì)必更加廣闊，也將為我國的消防事業(yè)添磚加瓦。

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Li Hui

（Hangzhou Municipal Fire and Rescue Brigade， Zhejiang Hangzhou 310000）

Abstract： Traditional fire alarm devices have problems such as complicated wiring and difficult maintenance， and often miss and report late， which cannot meet the deep-seated needs of modern society for fire early warning. Therefore， the XL1101-D01 radio frequency chip with a longer wireless signal transmission distance， wireless wake-up and stronger ability to diffract obstacles is used as the medium to form a wireless sensor network. Through RS-485 and RS-232 communication methods and the host computer management platform， data is exchanged. And the fire alarm monitoring system with good accuracy and repeatability is constructed to provide active support for early disposal.

Keywords： Internet of Things; wireless communication; XL1101-D01; fire alarm