基于智能建筑火災自動報警系統的設計與研究

張 鑫

（北京東方華脈工程設計有限公司，北京 100081）

0 引 言

傳統的小區火災報警系統采用有線傳輸方式，具有布線難度大、采集信號單一以及檢測火災不靈敏等缺點。ZigBee是一種新興的短距離無線通信技術，具有安全、可靠以及簡單等特點，適用于對數據傳輸速率要求不高、相對距離較短的設備，其出現為研發新型小區火災報警系統提供了可能。目前，在小區火災報警系統的設計領域，相關學者做了大量工作，并取得了豐碩成果。有學者以STC12C5A60S2單片機為平臺，與紅外探測器和煙霧報警器相結合，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（Global System for Mobile Communication，GSM）遠距離報警。還有學者針對市場上火災報警系統單一、缺乏實時性等問題，分析了傳感器數據融合的層次結構，勾勒出系統模型圖，實現了基于多傳感器數據融合技術的智能消防報警系統。文章結合ZigBee技術，把煙霧、CO與溫度探測功能融合一體，設計一種火災報警系統，能夠將火災的數據使用無線通信的方式進行傳輸，并可實現遠程監控。經測試，該系統的優勢顯著，值得被推廣應用。

1 火災自動報警系統設計要點

1.1 明確設計要求

設計之初，應在明確建筑結構形式的前提下進一步確定火災自動報警系統的具體設計內容。一般在民用建筑設計中，火災自動報警系統主要由小區管理，因此在進行火災自動報警系統設計時，可根據小區物業的集中管理特點進行規劃設計，既能全方位實施監控管理，還能滿足消防聯動的安裝條件。相對而言，在進行別墅住宅等獨立單位的火災自動報警系統設計時，則需要考慮區域完整性與合理性，無論是火災探測器、報警器、警報器，還是報警控制裝置都要一應俱全[1]。

1.2 消防聯動設計

火災自動報警系統設計中還涉及消防聯動設計，這一部分需要建立在各專業設計密切銜接的基礎上。設計人員不僅要考慮到火災報警聯動反應裝置的合理設計，還要做出詳細的聯動規劃表，以滿足火災發生時的消防聯動要求。這就需要針對現場實際情況進行準確判斷，主要是在火災探測器發出警報后，需要根據火災險情進行滅火裝置設計，其中主要包括消火栓、消防泵、噴淋泵以及消防電梯等裝置。在當前諸多建筑消防滅火系統中，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計的關鍵所在[2]。從其使用功能而言，自動噴水滅火裝置具有一定的先進性，而且適用范圍較廣，在設計中可按照建筑需求進行水箱抑或供水系統的連接設計，并將水流指示器、信號閥、壓力開關等進行模塊設計，確保火災發生時能夠快速觸發啟動，達到方便快捷滅火。

2 系統設計

2.1 功能模塊設計

基于ZigBee的小區火災報警系統可分為4個功能模塊，即信息采集模塊、通信模塊、火災報警模塊以及聯動控制模塊，如圖1所示。

圖1 系統功能模塊

信息采集模塊中，考慮到火災發生的特征，利用傳感器采集火災發生的因素，即煙霧濃度、CO和溫度等信息，并將這些數據進行分析與處理，傳遞給路由節點[3]。通信模塊中，基于ZigBee的短距離通信技術，將收集到的煙霧濃度、CO和溫度等信息通過路由節點轉發給協調器結點。協調器是具有數據整合、傳輸功能的智能節點，會將接到的火災特征信息傳輸至云平臺，云平臺對這些特征信息進行處理，基于設定的閾值判定是否有火災發生。火災報警模塊中，當有火災發生時，系統啟動蜂鳴器產生警報聲音，并報告火災的具體位置，提醒人們盡快疏散，為救援爭取時間。聯動控制模塊中，當報警器工作時，表明有火災發生，假如火災發生在夜晚，則需要為居民疏散提供條件，如啟動應急照明、告知居民火災發生的具體位置等。聯動控制模塊就是通過路由節點實現對聯動設備進行控制，滿足報警后人們的疏散與逃生需求[4]。

2.2 總體設計

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

3 硬件設計

硬件設計主要是針對信息采集模塊、通信模塊、火災報警模塊以及聯動控制模塊的具體功能進行設計。

3.1 開發板設計

CC2530芯片具有低成本、高性能、低功耗、支持硬件調試以及支持CSMA/CA功能等優點。其吸收了2.4 GHz射頻（Radio Frequency，RF）收發器的優良性能，是ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統解決方案，可以以非常低的成本建立起一個強大的無線網絡，廣泛用于ZigBee系統、照明系統、樓宇系統和工業監控等領域。因此，可將其集成在復合式火災探測器、3種無線節點及聯動設備的ZigBee芯片中[6]。

3.2 復合式火災探測器設計

火災的發生會伴隨著溫度、CO濃度和煙霧濃度等而改變，監測這些信息的準確性及靈敏度對整個火災報警系統至關重要。基于CC2530芯片的復合式火災探測器主要包含外部時鐘模塊、無線下載模塊、復位電路模塊、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監測模塊，由外置電源供電。為了節省實驗成本，本系統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，實物如圖2所示。

圖2 下位機實物

4 軟件設計

火災報警系統的軟件設計包含下位機軟件設計和上位機軟件設計。下位機軟件是指運行在終端、路由、協調結點即復合式火災探測器上的軟件，主要是通過Z-stack協議棧啟動CC2530芯片構建無線傳感網絡；上位機軟件指的是小區監控中心和客戶端運行的軟件，客戶端可與小區監控中心通信，顯示火災發生的具體位置等信息[7]。

4.1 下位機軟件設計

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

式中，融合參數M表示煙霧濃度、CO濃度、溫度及其對應權重乘積的累計值；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濃度和溫度對應的權重。如果M大于等于設定值的閾值S，則表明發生了火災，此時會觸發報警器，并啟動聯動設備[8]。

4.2 上位機軟件設計

上位機軟件包含登錄界面和報警界面，JavaScript是一種優秀的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，用戶輸入驗證完成即可進入系統。當有火災發生時，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 系統測試

5.1 數據采集測試

選取3個安裝在不同位置的復合式火災探測器，通過串口助手觀察這3個探測器所采集的火災信息，測試數據如表1所示。

由表1可知，序號2、3、5、8、10顯示的CO的參數都為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進行有效采集；9號和10號兩組數據中煙霧數據不同，并且長地址也不同，說明煙霧參數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，說明數據采集功能穩定[9]。

表1 測試數據

5.2 數據接收測試

利用串口調試助手向服務器發送數據，模擬火災發生所需信息，為了保證數據傳輸成功，就要求數據發送方與數據接受方遵循相同的規則，即要保證收發數據的格式要一致。數據發送完成，主界面會彈出如圖3所示的報警窗口，說明數據接收正常[10]。

圖3 報警界面

6 結 論

本文考慮到小區消防安全存在的問題，運用物聯網中的ZigBee技術，將煙霧、CO和溫度探測相融合，設計并實現了基于ZigBee技術的小區火災報警系統。與傳統小區火災報警系統相比，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。