基于ZigBee技術的消防設備電源監控系統研究

于江利，田海虹，司亞超，時麟

（1.河北建筑工程學院，河北張家口075000；2.中國寰球工程公司華北規劃設計院，河北涿州072754；3.河北省城鄉規劃設計研究院，河北石家莊050000）

對于建筑物來說，消防設備的可靠性是消防安全的重要保證，而消防設備能否正常工作又取決于供電電源的工作狀態。基于以上認識，我國在2011年開始實施的國家標準GB25506-2010《消防控制室通用技術要求》中做出了“消防控制室應能顯示系統內各消防用電設備的供電電源和備用電源的工作狀態和欠壓報警信息”的強制性規定。這使消防電源監控系統的廣泛應用成為智能建筑的必要之選。

消防電源監控系統的主要功能是對消防設備的電流、電壓、開關狀態等參數進行實時檢測，從而判斷電源是否存在斷路、短路、過壓、欠壓、過流以及缺相、錯相、過載等狀態，并對這些狀態進行記錄和報警。監控系統應滿足可靠性、實時性的要求并具有數字化、智能化、網絡化和連續監控的特性，能夠實時反映出被監控設備電源的運行狀況，從而可有效避免火災發生時，消防設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動系統的可靠性。

1 消防設備電源監控系統的主要組成及功能

消防設備電源監控系統作為消防聯動控制系統的必要子系統，主要由電源狀態監控中心、中繼器、監控模塊和數據傳輸系統組成。

監控中心沒有高級語言設計的應用程序和數據庫，對所監測的消防設備電源的運行信息、故障信息、位置信息等參數進行跟蹤采集、存儲、分析，方便用戶進行管理和監控；并通過人機交互界面，一方面將消防設備電源的數據進行匯總顯示，同時完成管理、查看、報警、打印等任務；另一方面，工作人員可以通過人機交互界面發送遠程控制命令至現場，以便更好地實現對設備的控制。

監控模塊用于在現場對各種消防設備的電源及設備運行狀態進行信息采集，各個監控模塊由各種監控傳感器，例如電壓傳感器、電流傳感器、電壓/電流傳感器等組成。本系統設計了三種類型不同的監控模塊，可通過選擇功能不同的監控模塊實現對不同消防設備電源的監控要求。這三種類型分別為：N1模塊表示電源監控模塊，用于監測電源的電壓、電流；N2模塊表示剩余電流監控模塊，用于監測供電回路的剩余電流值；N3模塊兼具以上N1和N2的功能，可以同時監測電源的電壓、電流及剩余電流。

數據傳輸系統沒有采用有線數據傳輸方式，而是結合消防設備數量多、分布點廣的基本特點，采用ZigBee數據通訊與3G網絡相結合的無線傳輸方式，從而有效地實現降低布線維護成本和擴大監控范圍的目的。

該系統作為一種消防設備電源運行預警保障系統，其功能是對設備的相關電氣參數進行實時的監視，并能夠實時顯示和查看各個消防用電設備供電電源和備用電源的工作狀態及相應技術要求。同時，當電源發生過壓、欠壓、過流、缺相等故障和異常、相關參數不在設定值要求范圍內時能發出報警信號，并在系統中指示報警具體部位，記錄并保存報警信息，避免火災發生時消防設備不能正常使用而導致不能有效控制火災蔓延的情形發生，保證火災發生時消防設備能可靠地投入工作。

2 ZigBee網絡數據傳輸功能設計

監控系統的數據傳輸主要由兩部分來完成，一部分是底層數據通信部分，主要由ZigBee網絡來擔當；另一部分是遠程數據通信部分，選用3G網絡來完成。

ZigBee網絡是一種短距離低速無線個城網(一種短距離工業控制網），具有低成本、低功耗、低速率和低復雜度等特點，同時可靠性高、組網簡單、方便靈活[1]。ZigBee網絡由物理層、介質訪問控制層、網絡層、安全層和應用層組成。Zigbee協議棧軟件采用C語言編寫，開發環境采用AVR Studio4.12，硬件平臺采用的單片機為Atmega128，射頻模塊采用CC2430。采用的標準是ZigBee 1.0規范,整個協議棧軟件采用單線程，考慮到Atmega128內部RAM只有4 K的空間，因此，各模塊之間采用共享緩沖區進行通信。Zigbee協議棧架構如圖1所示。

圖1 ZigBee協議架構

ZigBee協議棧的核心部分在網絡層，其功能是實現網絡的管理，主要是傳感器節點的加入或離開、路由查找及傳送數據等功能。為了實現消防設備電源的有效監控，ZigBee網絡在各主要消防用電設備周圍設置ZigBee節點，具體分布如表1所示。

ZigBee網絡中的每一個節點集無線收發器、微處理器、存儲器和用戶API于一體，并采用TI公司的CC2430作為核心芯片。由于絕大多數消防設備都是靜態的，所以整個網絡采用Cluster-Tree拓撲結構來構建。

表1 ZigBee節點分布

Cluster-Tree是一種由網絡協調器展開生成的樹狀網絡。整個網絡的建立和維護都由協調器進行管理。ZigBee節點的加入和脫離通過用C語言編寫的原語請求來實現。具體過程為協調器啟動后，當其他普通節點加入時，需將自己的信道設置成與協調器相同的信道，當該節點提供了正確的認證信息后，就可以請求加入網絡。當一個節點加入網絡后，可以從其父節點得到自已的短MAC地址、網絡地址和相應的拓撲參數；而當一個節點要離開網絡時，向父節點或協調器提出請求即可。

ZigBee網絡路由依照Cluster-Tree結構進行設計和選擇，整個結構設置兩種節點，分別為FFD結點和RFD結點。FFD節點是全功能節點，具有數據轉發功能，因此可擔當左右子樹結點，數據的傳輸方向也是雙向的，即可以向下傳至子結點，向上傳至父結點，其路由選擇的方法就是直接根據Cluster-Tree算法進行轉發數據包，而RFD節點不具備數據轉發功能，所以只能在樹狀結構中擔任葉子點，數據轉發方式也相應單一，即接收到數據包回復ACK后，把數據交至父節點，請其轉讓。

3 結論

隨著電力電子和建筑技術水平的不斷提高，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，消防設備電源監控系統成為必要的選擇。

本文利用ZigBee網絡構建了底層消防設備電源監控系統。系統通過硬件平臺，借助傳感網絡及相應的路由算法，將消防電源運行數據傳送至底層數據中心，并由數據中心經3G網絡傳送至監控中心，從而實現消防電源的有效管理。

[1] 劉市生，張賢華.ZigBee網絡層的設計與實現[J].無線電工程，2008(11)：8-9.