火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)通信技術(shù)

張卓

摘要：通信技術(shù)是火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)完成信號(hào)傳輸、確認(rèn)及響應(yīng)的基礎(chǔ)，并通過(guò)回顧火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展歷史，展現(xiàn)了其通信方式的變革過(guò)程及各種通信方式的特點(diǎn)。進(jìn)而給出一個(gè)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的典型通信方案，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分析，提出通信兼容性、通信距離等在工程設(shè)計(jì)中存在的不足，并探討了解決措施。最后探討了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)通信技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)?通信?總線?工程設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN914

Communication?Technology?for?the?Automatic?Fire?Alarm?System

ZHANG?Zhuo

（CNOOC?Petrochemical?Engineering?Co.，?Ltd.，?Jinan，?Shandong?Province，?250001?China）

Abstract：?Communication?technology?is?the?foundation?for?the?automatic?fire?alarm?system?to?complete?signal?transmission，?confirmation?and?response.?This?article?reviews?the?development?history?of?the?automatic?fire?alarm?system，?demonstrating?the?transformation?process?of?its?communication?methods?and?the?characteristics?of?various?communication?methods.?Then，?it?provides?a?typical?communication?scheme?of?the?automatic?fire?alarm?system，?puts?forward?the?shortcomings?of?communication?compatibility?and?communication?distance?in?engineering?design?through?the?analysis?of?the?scheme，?and?discusses?solutions.?Finally，?it?discusses?the?development?direction?of?the?communication?technology?of?the?automatic?fire?alarm?system.

Key?Words：?Automatic?fire?alarm?system;?Communication;?Bus;?Engineering?design

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是綜合利用傳感、通信、自動(dòng)控制和信息處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)、報(bào)警、滅火及記錄的一體化平臺(tái)，是消防設(shè)施的重要組成部分。新材料、微電子、AI和IOT等新技術(shù)甫一提出，便開(kāi)始對(duì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，推動(dòng)其更新?lián)Q代。

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是在可靠通信的前提下實(shí)現(xiàn)的，硬件接口和通信協(xié)議是通信的基礎(chǔ)[1]。

1?火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展歷程

火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的提出可追溯到百余年前。這期間，隨著消防理念的進(jìn)步以及新技術(shù)的問(wèn)世、發(fā)展和成熟，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)也蓬勃發(fā)展起來(lái)，其發(fā)展過(guò)程歷經(jīng)了以下幾個(gè)階段[2]。

第一階段從19世紀(jì)40年代至20世紀(jì)40年代，這一階段系統(tǒng)主要為簡(jiǎn)單的分立器件，借助于一些材料對(duì)于溫度的敏感，研發(fā)了高溫時(shí)可發(fā)出報(bào)警的探測(cè)器。

第二階段從20世紀(jì)40年代至20世紀(jì)80年代，離子式感煙探測(cè)器與光電式感煙探測(cè)器相繼研制成功，以其高靈敏度與響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，其一經(jīng)問(wèn)世便獲得廣泛關(guān)注，至今仍為主要的探測(cè)器類(lèi)型之一。這一階段的探測(cè)器一般采用閾值比較算法，將當(dāng)前的探測(cè)量與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)探測(cè)值大時(shí)，開(kāi)關(guān)電路動(dòng)作。系統(tǒng)通信采用多線制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)探測(cè)器發(fā)出的開(kāi)關(guān)量報(bào)警信號(hào)通過(guò)單拉電纜傳送至火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器。

第三階段從20世紀(jì)80年代至今，微電子和數(shù)字電路技術(shù)的應(yīng)用使得多個(gè)探測(cè)器可以通過(guò)同一條總線與火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器連接，降低了布線工程量。部分硬件電路功能由軟件實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的靈活性與可靠性，減小了安裝和調(diào)試的難度。

現(xiàn)如今，在總線制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，分布智能型系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)。探測(cè)器自身具備了一定的運(yùn)算能力，前端探測(cè)器對(duì)采集到的傳感信號(hào)進(jìn)行初步分析后，再將運(yùn)算結(jié)果傳送至火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器進(jìn)行進(jìn)一步復(fù)雜處理。

2?典型火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)通信技術(shù)

如今的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)大致可分為上、中、下三層[3]，典型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

2.1?上層通信網(wǎng)

上層通信網(wǎng)是連接消防指揮系統(tǒng)與區(qū)域火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器的通信網(wǎng)絡(luò)，呈現(xiàn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于消防指揮中心與用戶(hù)之間一般距離較遠(yuǎn)，因此一般采用光纖網(wǎng)、電話網(wǎng)和無(wú)線通信。

由于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)置范圍一般較大，且可能存在電磁干擾等不利環(huán)境，因此可考慮采用光纖通信的方式提高通信可靠性與安全性。火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器采用各類(lèi)光纖收發(fā)器將TCP/IP、Modbus和CANbus等協(xié)議的數(shù)據(jù)包電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過(guò)光纜進(jìn)行傳遞。消防指揮系統(tǒng)采用同樣的光纖收發(fā)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并通過(guò)交換機(jī)或通信模塊完成信號(hào)收發(fā)。

雖然光纖通信的成本已顯著降低，但依然需要依托已有光纖通信基礎(chǔ)設(shè)施或?qū)ｉT(mén)建設(shè)光纖通信網(wǎng)。由于電話網(wǎng)已獲得廣泛普及，因而在資金投入有限的情況下，在消防指揮系統(tǒng)和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器中安裝調(diào)制解調(diào)設(shè)備，利用現(xiàn)有電話網(wǎng)作為傳輸鏈路是經(jīng)濟(jì)有效的方案，其缺點(diǎn)是帶寬低和實(shí)時(shí)性較差。

當(dāng)在局部小范圍無(wú)法新建或利舊已有通信線路時(shí)，便只能通過(guò)各種無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。在消防指揮系統(tǒng)和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器中安裝無(wú)線通信模塊，通過(guò)申請(qǐng)到的頻率或GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)建立無(wú)線鏈路后即可進(jìn)行通信。雖然無(wú)線通信組網(wǎng)方便，但易受干擾，穩(wěn)定性和安全性存在隱患。

2.2?中層通信網(wǎng)

中層通信網(wǎng)指火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器之間、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器和回路卡之間、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器和某些火警設(shè)備之間的通信鏈路。

由于聯(lián)網(wǎng)方式需求的多樣性，目前火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器多通過(guò)各類(lèi)通信卡進(jìn)行組網(wǎng)通信。通信卡通過(guò)接口與主板連接，當(dāng)需要不同的通信方式時(shí)，只需選擇對(duì)應(yīng)類(lèi)別的通信卡即可，并可通過(guò)各類(lèi)通信轉(zhuǎn)換卡實(shí)現(xiàn)通信方式的中轉(zhuǎn)。通信卡與主板之間通信可以采用并行總線，如VESA；也可采用串行總線，如RS232。通信卡間的通信協(xié)議十分豐富，既有串行總線，也有TCP＼IP協(xié)議，既可采用電信號(hào)，也可以采用光信號(hào)。由于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣、節(jié)點(diǎn)間距遠(yuǎn)，因此可以采用通信轉(zhuǎn)換卡實(shí)現(xiàn)各類(lèi)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換，達(dá)到靈活組網(wǎng)的目的。

回路卡與主板之間的通信和通信卡與主板之間的通信類(lèi)似，可采用VESA等并行總線，也可采用IIC等串行總線?；馂?zāi)顯示盤(pán)等火警設(shè)備與主板之間的通信一般采用串行總線，如RS485。

2.3?底層通信網(wǎng)

底層通信網(wǎng)是回路卡與探測(cè)器、手動(dòng)報(bào)警按鈕或聲光報(bào)警器等設(shè)備之間的通信鏈路。

系統(tǒng)中要想使用總線的設(shè)備應(yīng)首先發(fā)出使用申請(qǐng)，回路卡完成下一個(gè)傳輸周期總線使用權(quán)的指派，獲得使用權(quán)的設(shè)備發(fā)出存儲(chǔ)器地址或I/O端口以建立通信鏈路，最后通信完成后讓出總線。底層通信網(wǎng)常見(jiàn)的通信方式可分為以下3種。

2.3.1?專(zhuān)用回路通信

專(zhuān)用回路一般采用雙絞線作為物理傳輸介質(zhì)，通信協(xié)議可使用Modbus或Canbus等，但由于現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中沒(méi)有通信協(xié)議或通信接口的相關(guān)內(nèi)容，因而廠家通常使用私有的總線協(xié)議，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、協(xié)議內(nèi)容及信號(hào)處理方式均不相同，無(wú)法相互兼容，形成多種協(xié)議并存的局面。因此，很多設(shè)備的通信依然采用開(kāi)關(guān)量信號(hào)，通過(guò)輸入模塊、輸出模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。

2.3.2?低壓電力載波通信

低壓電力載波通信無(wú)須額外的通信鏈路，通過(guò)調(diào)制解調(diào)、小信號(hào)檢測(cè)等技術(shù)，可在供電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備可以就近接入低壓電網(wǎng)，利用電力線作為供電和通信介質(zhì)，節(jié)省了布線成本。低壓電力載波通信對(duì)低壓電網(wǎng)的電磁兼容性要求較高，因此目前此種通信方式還未廣泛應(yīng)用，但隨著電磁污染的治理和通信技術(shù)的進(jìn)步，這種通信方式將有進(jìn)一步的發(fā)展。

2.3.3?無(wú)線通信

無(wú)線通信采用電磁波作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，具有簡(jiǎn)單、靈活的特點(diǎn)，通過(guò)在設(shè)備側(cè)配置無(wú)線調(diào)制解調(diào)設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)相互間的無(wú)線信號(hào)傳輸，但由于發(fā)射功率限制，且在復(fù)雜環(huán)境下存在遮擋、電磁干擾等問(wèn)題，因此其應(yīng)用范圍受到限制[4-5]。

3?存在的問(wèn)題與解決措施

不同的通信方式均存在自身的優(yōu)勢(shì)和弱點(diǎn)，合理地選擇通信方式混合組網(wǎng)可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，解決大部分的實(shí)際通信困難。相較于各類(lèi)通信方式的不足，系統(tǒng)兼容性及通信距離方面的問(wèn)題更加突出。

3.1?兼容性

3.1.1?問(wèn)題

兼容性是目前火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)通信所面對(duì)的重要問(wèn)題，技術(shù)上的封閉性導(dǎo)致不同品牌產(chǎn)品或同品牌的新舊產(chǎn)品之間無(wú)法兼容。在中層通信網(wǎng)中表現(xiàn)為系統(tǒng)擴(kuò)展困難，新增的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器須與原系統(tǒng)保持一致才能添加入網(wǎng)絡(luò)。在底層通信網(wǎng)中表現(xiàn)為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜與設(shè)備維護(hù)困難。通信協(xié)議的差異，一方面增加了開(kāi)關(guān)量信號(hào)的點(diǎn)位，對(duì)通信對(duì)側(cè)設(shè)備提出更高的要求，另一方面導(dǎo)致不同廠家總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，且各類(lèi)火警設(shè)備和模塊的維修或更換受限于系統(tǒng)廠家，若廠家不再提供技術(shù)服務(wù)，系統(tǒng)則面臨失效風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2?措施

在中層通信網(wǎng)中采用開(kāi)放的通信協(xié)議接口和集成化軟件環(huán)境可解決系統(tǒng)擴(kuò)展難題。開(kāi)放的通信協(xié)議使得不同廠家、不同型號(hào)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器可以相互通信，組成網(wǎng)絡(luò)。集成化的軟件環(huán)境通過(guò)各廠家提供的SDK實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)包的解析，完成火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)軟件的搭建。

在底層通信網(wǎng)中采用智能型設(shè)備和統(tǒng)一的通信接口可解決設(shè)備兼容性難題。隨著火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備電子集成度的提高，其信息處理能力也明顯增強(qiáng)，部分信號(hào)分析、控制算法開(kāi)始由設(shè)備完成，分布智能型火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)逐漸形成[6-7]。分布智能型設(shè)備可對(duì)信息進(jìn)行預(yù)處理，減少了數(shù)據(jù)傳輸量。若再對(duì)有限的通信接口信號(hào)進(jìn)行規(guī)范統(tǒng)一，可在保障廠家核心技術(shù)安全的情況下實(shí)現(xiàn)通信兼容。

3.2?通信距離

3.2.1?問(wèn)題

在底層通信網(wǎng)中，通信距離是總線回路設(shè)計(jì)的重要考量因素，總線的通信距離主要受到誤碼率和電壓的限制。隨著總線長(zhǎng)度的增加，線路中引入的噪聲將增大誤碼率；由于總線電壓為直流24?V，當(dāng)回路中設(shè)備總功率較大時(shí)，將明顯拉低總線電壓，除影響設(shè)備供電外，也增加了信號(hào)處理的難度。

3.2.2?措施

為了擴(kuò)展火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的覆蓋范圍，可以從電源、線路和終端設(shè)備三個(gè)角度出發(fā)，減少噪聲及壓降所帶來(lái)的影響。，具體優(yōu)化措施如表1所示。

3.3?合規(guī)問(wèn)題

3.3.1?問(wèn)題

除此以外，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)還面臨模擬量信號(hào)處理方面的不足。根據(jù)《SH/T?3153—2021?石油化工電信設(shè)計(jì)規(guī)范》中的條文解釋?zhuān)瑢?duì)于新建項(xiàng)目，應(yīng)選用能夠控制和傳遞模擬量信號(hào)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，不再使用生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)控制消防設(shè)施[8]。在實(shí)際應(yīng)用中，消防成套設(shè)備中常含有模擬量?jī)x表、變送器，而很多廠家的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)不具備模擬量通信功能，導(dǎo)致模擬量信號(hào)須先輸入生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)或消防控制系統(tǒng)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換后再輸入火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，這不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且?guī)?lái)了不合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.2措施

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)廠家應(yīng)加快設(shè)備更新，增加模擬量輸入功能，以符合規(guī)范及市場(chǎng)要求?；蚴窃黾酉揽刂葡到y(tǒng)，消防設(shè)備的壓力、液位等模擬量信號(hào)反饋及聯(lián)動(dòng)信號(hào)的接收均通過(guò)消防控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

4?結(jié)語(yǔ)

本文從火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展歷程開(kāi)始，逐步介紹了總線技術(shù)和當(dāng)前典型的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)通信技術(shù)，分析了存在的問(wèn)題并提出可能的改進(jìn)措施。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能等新興技術(shù)的逐步成熟，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)與之不斷融合，通信技術(shù)得到豐富和優(yōu)化，朝著高可靠、低誤報(bào)和智能化的方向發(fā)展。多樣化的通信方式將使得火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加靈活，以滿(mǎn)足日益復(fù)雜的需求與嚴(yán)格的要求。

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