無線通信技術在火災自動報警系統中的應用

常瑞莉

（青海建筑職業技術學院 青海省西寧市 810012）

隨著建筑行業的不斷發展，大眾對于消防安全的重視程度越來越高，火災自動報警系統的應用受到廣泛關注，無線通信技術與其結合能夠完善系統的信息傳遞功能，將系統自動報警的速度和質量最大化提高。無線通信技術主要被應用于此類系統中的報警探測器與報警信號傳輸。

1 無線通信技術在火災自動報警系統中的應用方式

1.1 報警探測器

無線通信技術在時代發展中逐漸成為了主流技術，其被廣泛應用于多個領域，經過反復實踐后發現該技術在消防預警中的火災自動報警系統中具有重大應用意義，與傳統的探測器相比，無線探測器通常為了降低自身的能耗選擇電池供電，其平時保持休眠狀態，在固定時間利用定時器的功能進行喚醒實施自檢，完成自檢工作后再次休眠以降低能耗。當實際環境中具有火災特征且已經達到了設定的報警值時，探測器可以快速地自我喚醒，利用無線網絡將報警信號發出。當探測器出現故障或電量過低時也可以自我喚醒將故障信息與低電壓的數據以無線信號的形式傳遞給工作人員。

1.2 報警信號傳輸

無線網絡中，報警信號通常采用的傳輸方式為自組織類型的多跳傳輸。無線報警信號容易受到消防場所的面積以及當地信號干擾的影響，因此為了保證無線信號傳輸的穩定與清晰，應當增加適量路由節點與中繼節點，通過節點的增加以確保能夠穩定且及時地進行信號傳輸。當報警控制器接收到信號時需要立刻確認火警情況，確認無誤后將確認信號發送出去，利用無線網絡將火災區域設置的聲光報警器啟動，同時啟動消防廣播，控制滅火設備進行初步滅火。信號的傳輸不僅體現在火警信息的傳遞上，還可以體現探測器的運行狀況，當探測器新增時，其位置信息都將被信號傳輸至控制器中。除此之外，擁有IPv6 功能的控制器能夠直連智慧城市的系統，將火警的各方面信息通過無線網絡傳輸至公共安全的信息平臺[1]。

2 在火災自動報警系統中應用的無線通信具體技術

當前無線類型的火災報警系統除了要滿足傳統系統的通用要求之外，還需要注意以下要求：供電系統必須要同時具備交流供電與直流供電兩種類型的機制以保證該系統能夠在火災中擁有一段穩定的工作時間。其測試程序必須要方便快捷，合理的測試系統能夠對系統的狀態以及備用電池進行及時的檢查。限定區域中不僅需要保證無線發射器有充足的數量，還需要保證其與主機之間的通信穩定。無線信號的發射與接收信號的裝置中必須設置應答機制，信號發射端能夠將傳感器傳輸的信號反復發送直至接收端確認收到。多級傳輸結構之中應當設置多路徑傳輸，即便其中一個路徑遭到破壞或出現故障，信號終端也能夠從備用路徑中獲取發射端傳輸的信號。

2.1 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡使用的最早時間為20世紀70年代，使用者是美國軍方。當時美國軍方通過無線傳感器搜集戰場信息進行情報分析。隨著無線通信技術不斷進步，微處理器也獲得了較快的發展，無線傳感器類型的網絡在社會上的應用越來越廣泛，無論是工業監控、醫療健康還是交通管理、智慧城市，都存在使用此類網絡的情況，其為大眾的生活帶來了諸多便利。無線傳感器類型的網絡實際上是信息獲取平臺，其通過大量的傳感器采集信息，該網絡中應用的傳感器具有智能化、高效率、成本低且型號微小等特點，在采集數據信息方面擁有突出的優勢。通過傳感器獲取的各類數據信息被多個傳感器節點組成的通信傳輸網絡上傳到計算機終端，在終端對其進行數據分析和處理。無線傳感的規模較大，且其無需基礎設施建設，能夠完成自組織，在網絡中設置節點的成本較低，無論是體積還是耗能都較小，大多數的節點都較為固定地散落于被監測的區域之中[2]。

2.2 短距離無線通信

2.2.1 低功耗藍牙技術

低功耗藍牙技術簡稱BLE 技術，其相較于傳統的藍牙技術而言能耗較低，藍牙技術聯盟在2010年將藍牙4.0 版本發布，從此以后實現了傳統的藍牙設備與BLE 設備的兼容，為BLE 爭取到了更加廣闊的應用空間。BLE 的優勢較多，其功耗低，以BLE 協議為基礎的CC2640 芯片在收發數據時使用的峰值電量僅為6mA，當其處于待機狀態時消耗的電量僅為1.1μA。其能夠快速建立連接。BLE 模塊從打開到成功建立連接耗費的時間僅為3ms，同時其能夠保持以毫秒計算的傳輸速度將認可完成的數據成功傳遞后實現連接的立即關閉。當火災發生時，探測器需要在第一時間進行自我喚醒，其依靠BLE 技術能夠實現瞬間喚醒，傳遞報警信號，通過極短的喚醒時間保證信號傳輸的及時性。BLE 技術具有較強的安全性，其使用循環冗余（CRC）校驗方式來避免通信渠道上發生信號錯誤。CRC 對于錯誤的偵聽能力受其校驗長度影響，BLE 為其提供24 位CRC 校驗將其偵聽錯誤的能力最大化發揮。一般應用自動報警系統的環境中都具有無線電干擾。而完善的校驗技術則可以確保處于干擾環境中的封包具有穩定度。BLE 技術的組網能力較強，其支持的網絡結構有兩種，一種是星型，另一種是網型。一個BLE 網絡中能夠支持32000 個節點，而其中應用的mesh 協議網絡模式簡單且非常容易實現，路由節點不需要固定。BLE 技術擁有室內較遠的傳輸距離。其傳輸距離最遠可以達到100 米以上。

2.2.2 ZigBee 技術

ZigBee 技術是當前運用效果最好的無線網絡技術。其能夠實現近距離的信號傳輸，運用的復雜度較低，不需要耗費大量功率與速率，同時其應用的成本較低。該技術主要針對組網、安全以及軟件應用，適用于大多數不需要承載大量數據流量的業務。ZigBee 技術的物理層、介質訪問控制層以及數據鏈路層都是在IEEE802.15.4 協議標準的基礎上完善的，通過拓展協議標準獲得了更好的應用。該技術的網絡層以及應用層等應用規范都需要由ZigBee 聯盟制定。ZigBee 技術具有較多的優勢，其功耗低，以ZigBee 技術為基礎的CC2530 芯片在收發數據時使用的電量低于30mA，當其處于待機狀態時消耗的電量僅為1μA。與BLE 技術相比，ZigBee 技術在待機睡眠時消耗的電量沒有明顯的差距，但在收發數據時消耗的電量較高，但與其他技術相比，ZigBee 技術的能耗控制已經處于較高的水平。建立連接的速度也是如此，ZigBee 技術接入網絡的時間為30ms，在同類技術中處在較高水平，但與BLE 技術相比稍顯遜色。ZigBee 技術與BLE 技術一樣具有較強的安全性，其同樣使用循環冗余（CRC）校驗方式來避免通信渠道上發生信號錯誤[3]。并且ZigBee 技術還提供了應用128 位高級加密標準算法的軟件以確保安全性，將IEEE802.15.4 中的所有安全元素集成。為了確保其靈活性，對簡單的器件設備表示支持，ZigBee 技術推出了三級安全的模式，從無安全設定到加強接入控制清單避免非法獲取數據情況的發生，還包括了以高級加密標準為基礎的對稱密碼，通過靈活性確保使用ZigBee 技術的安全。ZigBee 技術的組網能力較強。

IEEE802.15.4 中的ZigBee 協議對其適用的網絡拓撲結構進行了明確，除了星形結構與網狀結構之外，ZigBee 技術還支持簇狀結構。一個ZigBee 網絡中理論上能夠支持65535 個節點，將整個傳感器網絡覆蓋。ZigBee網絡中應用了全功能設備以及精簡功能設備，其中全功能設備在數據傳輸與網絡管理上具有全方面的功能，非常適合協調火災自動報警的網絡和路由節點。ZigBee 技術的傳輸距離也能夠符合火災自動報警系統對于設置探測器的要求。

2.2.3 其他技術

除了以上兩種無線技術之外，還有多種無線通信技術存在并有一定的應用價值，其中Z-Wave、LoRa、Wi-Fi 技術是當前應用較多的技術。Z-Wave 最早由Zensys 推出，Z-Wave 的無線協議中不使用2.4GHz 頻段而是使用美國908MHz 頻段或歐洲868MHz 頻段，頻段的不沖突為其帶來了強大的抗信號干擾，但由于難以被國內的軟件和硬件支持，因此其普及程度較低。并且一個Z-Wave 網絡中能夠容納的最多節點僅為232 個，對于依靠大量探測器進行工作的火災自動報警系統而言容量嚴重不足。LoRa 是超遠距離傳輸的協議，其主要應用擴頻技術，該無線協議中使用的頻段大多全球免費，主要包括433MHz、470MHz、868MHz 以及、915MHz 等。其最大的優勢在于遠距離傳輸，傳輸的距離在2km-5km 之間，其缺點也較為明顯，此協議僅支持星型網絡結構，必須依靠網關進行節點信息的收集，才能夠將數據輸送到計算機終端，因此必須要做好基礎設施建設，建造信號塔，建設工業基站，還需要新建便攜式的網關，對于火災自動報警系統而言投入較大。Wi-Fi 是當下標準性較強的無線局域網，其大多使用的頻段為2.4GHz 或5GHz 的射頻頻段，所有短距離類型中其具備的傳輸速率最高，傳輸的距離最遠，但其相應的能耗較高，對于運用電池的傳感器而言實用價值不高，并不適用于長期待機的報警探測器。并且其與LoRa 具有同樣的缺陷，都只適用于星型網絡結構，傳輸節點的通信必須依靠中樞路由，一旦中樞路由產生了運行故障，則整個報警網絡都將面臨癱瘓的風險[4]。

3 在火災自動報警系統中應用無線通信技術的注意事項

3.1 進行信號測試

無論是Zigbee 還是BLE 使用的頻段都是2.4GHz，其作為世界公用無線頻段被大量使用于無線產品之中，而此類設備中的無線信號會干擾無線類型的火災報警系統，影響其使用效果。因此需要對具有安裝需求的場所進行信號測試，測試的主要目的是查看建筑內無線信號的傳輸性能，明確各個探測器點位實際具備的信號強度以及其對于無線信號的干擾強度，了解各個強度后依照建筑內部結構對各個無線探測裝置體現的信號強度與信號范圍進行調整。其中厚度較大的承重墻周圍此類信號干擾嚴重的區域應當做好增加探測器的準備，通過采取提高探測器的設置密度或中繼節點的數量等措施加強區域內的信號強度，還可以拒絕強信號干擾的設備進場以避免信號傳輸受到影響[5]。

3.2 落實網絡維護

無線類型的火災自動報警系統在安裝結束之后，應該要確保全部探測器節點與路由節點、中繼節點保持良好的信號，一旦出現探測器故障或進行探測器的新增設置時需要重新實施通信測試，保證剩余的探測器處于正常通信狀態。發現路由節點出現故障或中繼節點有問題時，需要明確探測器的失聯情況，了解其失聯數量以及失聯的具體區域，以最快的速度將故障的節點更換。如果是由于電量過低發出的警報則需要指派工作人員對警報的探測器進行電池的更換。

3.3 明確應用范圍

在應用各種無線通信技術時需要明確其應用范圍。Zigbee 網絡中為了保證路由節點具有穩定性，路由節點無法休眠，并且需要實施常規供電，同時其安裝的位置也不能隨意改變。因此基于Zigbee網絡的報警系統適用于探測器較多且位置較為固定的現實場所，例如各種大型的建筑群或面積較大的商業服務網點。而BLE 中的mesh 網絡大多以泛洪的方法控制數據包，方便加入BLE 網絡節點，也使其退出較為簡單，但擴大網絡規模之后，BLE 節點產生的能耗隨之增加，因此以BLE 為基礎的無線自動報警系統的適用范圍是較小的空間，并且該空間相對封閉，例如個人房產、檔案中心等地點。

4 結論

無線類型的火災自動報警系統相較于傳統的系統而言更加靈活，隨著建筑智能化的發展，無線報警系統更適合與其結合共同構建智慧消防。實際應用無線報警系統時需要考慮現實場景的情況，根據不同的場景和用戶的具體需求選擇合適的通信協議和無線通信技術，將其技術特性全面、有效地發揮出來。