基于無線傳感的物聯(lián)網(wǎng)火災報警系統(tǒng)應用探討

李輝

摘要：傳統(tǒng)火災報警裝置存在布線復雜、維護困難等問題，且經(jīng)常出現(xiàn)漏報遲報現(xiàn)象，無法滿足現(xiàn)代社會對火災預警的深層次需要。因此，利用無線信號傳輸距離更長、無線喚醒、繞射障礙物能力更強的XL1101-D01無線射頻芯片為媒介組建無線傳感網(wǎng)絡，通過RS-485、RS-232通信方式與上位機管理平臺進行數(shù)據(jù)交換，構(gòu)筑具有良好準確性和重復性的火災報警監(jiān)測系統(tǒng)，為早期處置提供積極支持。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無線通信；XL1101-D01；火災報警

火災報警系統(tǒng)主要起到在火災早期發(fā)現(xiàn)和通報火警信息，及時疏散人員、控制火勢等作用，屬于建筑在投入使用前設置安裝的重要消防設施。火災發(fā)生后，該系統(tǒng)可以在第一時間將火警信息傳輸至消控中心，由其通知火災附近人員逃生，通知安保人員準確定位起火部位處置火情。但各類火災案例表明，建筑內(nèi)部因該設施損壞或維護不當，會延誤初期火災的發(fā)現(xiàn)和處置，進而導致火勢的蔓延，因此火災報警系統(tǒng)工作是否正常，能否及時起到預警作用，應當引起我們的高度重視和警惕。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展和推廣普及，基于無線傳感的物聯(lián)網(wǎng)火災報警系統(tǒng)可以快速、準確地反饋火警信息，從而減少火災損失，同時在日常維護管理中也較傳統(tǒng)有線系統(tǒng)擁有更多優(yōu)點。

1 消防報警系統(tǒng)的應用及研究現(xiàn)狀

自20世紀起，歐美國家就將火災報警設備接入了監(jiān)控網(wǎng)絡中，一旦發(fā)生火災，消控中心能夠快速準確地掌握火災發(fā)生的位置及火勢大小，能夠合理高效地對消防人員進行調(diào)度。我國從20世紀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）《建筑設計防火規(guī)范》第8.4.1條中，對于需要設置該系統(tǒng)的場所和建筑并未要求對所有建筑進行全覆蓋，同時已建成未曾安裝該系統(tǒng)的建筑也沒有強制要求增設。所以在日常的工作中會發(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)，探測器通常采用導線電纜與控制器相接，工程量大、耗材多、造價高、功耗大、抗干擾能力低、設計施工與維護復雜，施工過程甚至會造成建筑物結(jié)構(gòu)的破壞。二是傳統(tǒng)的火災報警系統(tǒng)還存在線路老化故障率高、監(jiān)視容量小、響應速度慢等缺點，尤其在后期使用中如果維保服務不到位，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嬖诓町悾O備一旦出現(xiàn)故障，可能會因為得不到相關技術支持和維修，導致火災隱患無法及時消除。四是生產(chǎn)廠商在技術提升的同時也為了增加利潤，產(chǎn)品的升級迭代頻繁，往往導致后期設備與已安裝設備無法較好地匹配兼容。

與此同時，目前物聯(lián)網(wǎng)技術已發(fā)展到具備5G高速率低延時傳輸，終端設備高度智能化，區(qū)域密度覆蓋廣泛，維護成本較低且便捷，可以說物聯(lián)網(wǎng)技術是以互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、局域無線網(wǎng)等為信息載體的傳輸網(wǎng)，以實現(xiàn)萬物互聯(lián)為目的的技術變革。它可以通過各種傳感設備對被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各類物體信息進行全面感知，然后實時地對區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進行搜集、獲取和記錄分析，隨后將有用信息以最快的速度傳輸并進行云計算和模糊識別處理，在短時間內(nèi)將結(jié)果顯示預警給后臺的操控者，以實現(xiàn)對保護區(qū)域范圍內(nèi)的實時監(jiān)控和及時處理，從而降低相關風險度和減少事故帶來的損失。

2 基于無線傳感的物聯(lián)網(wǎng)火災報警系統(tǒng)的技術原理

物聯(lián)網(wǎng)火災報警系統(tǒng)將嵌入式技術和無線通信相結(jié)合，提供了高效低成本的火災監(jiān)控解決方案。系統(tǒng)以無線射頻芯片為信息傳輸載體，同時結(jié)合外圍電路和傳感器，組成網(wǎng)絡節(jié)點的硬件部分。實現(xiàn)了聲光電的傳統(tǒng)消防預警功能，并完成各節(jié)點的軟件和無線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)設計，具有組網(wǎng)簡易、維護簡便、經(jīng)濟性高、高速傳輸、延時率低、云端技術利用等優(yōu)勢，在應用該無線物聯(lián)網(wǎng)技術的火災報警系統(tǒng)中，將各類火災探測傳感器的相關溫度、煙霧濃度、可燃氣體濃度、現(xiàn)場實時畫面等傳輸至消控中心，同時也可模擬火勢蔓延方向，為后續(xù)的火災撲救力量部署、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展、易隔離故障的樹形網(wǎng)絡結(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、路由節(jié)點、匯聚節(jié)點和上位機操作平臺所構(gòu)成。傳感器節(jié)點設置在監(jiān)控區(qū)域范圍內(nèi)，每個傳感器節(jié)點分別接入各類型火災報警探測器，傳感器節(jié)點由傳感器、控制器、無線射頻模塊構(gòu)成[1]。路由器節(jié)點上取消傳感器部分，在匯聚節(jié)點上增加串口通信模塊。上位機操作平臺在利用數(shù)據(jù)庫、串口通信等技術實現(xiàn)信息的實時顯示和存儲，并將相關數(shù)據(jù)傳輸至自動消防系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場實時情況聯(lián)動對應消防設施。系統(tǒng)運行時，傳感器節(jié)點錯時、定時采集現(xiàn)場信息（溫度、煙霧濃度、可燃氣體濃度、現(xiàn)場畫面等），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，隨后該設備進入臨時性的休眠狀態(tài)節(jié)約能耗。路由節(jié)點作為數(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)點后由RS232串口與上位機操作平臺進行數(shù)據(jù)通信交互。對樹形結(jié)構(gòu)中存在的多處子節(jié)點和路由節(jié)點的信息通信，采用復用TDMA技術，避免數(shù)據(jù)丟包或混亂。上位機對數(shù)據(jù)進行解析、顯示和存儲，用戶通過終端實時查詢數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)中最核心處即無線收發(fā)模塊，見圖1。它是整個系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的關鍵，選擇適合的無線模塊對整個系統(tǒng)起到至關重要的作用。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，同時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型號的無線芯片。

系統(tǒng)的拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)見圖2，該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖設置的傳感器都屬于子節(jié)點，匯聚節(jié)點則屬于中心節(jié)點，路由節(jié)點則作為兩者之間的中轉(zhuǎn)站，負責進行數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)。同時，我們還可根據(jù)所監(jiān)控的場所范圍的面積適當增減相關路由節(jié)點數(shù)量，從而提高靈活高效度，對現(xiàn)場的情況及系統(tǒng)進行合理的設計。

現(xiàn)場的傳感器節(jié)點按照一定的間隔時間喚醒后即刻進入工作狀態(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，隨后關閉傳感器電源，發(fā)送完數(shù)據(jù)包后，各個模塊再次進入休眠狀態(tài)以節(jié)省電能，等待下一次喚醒探測和采集。每次傳輸完數(shù)據(jù)后，各節(jié)點均進行計時校準，防止累計偏差。匯聚節(jié)點通過RS232串口與上位機平臺進行通信。匯聚節(jié)點利用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)點在系統(tǒng)初始化后進入休眠模式以節(jié)電，待接收數(shù)據(jù)時間到達，系統(tǒng)自動喚醒該節(jié)點接收數(shù)據(jù)，接收完成后將數(shù)據(jù)發(fā)往匯聚節(jié)點，重新進入休眠。路由節(jié)點設置了路由列表，只有對應的ID數(shù)據(jù)包才會被接收。此外，為防止錯過接收時間，我們將系統(tǒng)喚醒時間設置提前一段時間。如果在規(guī)定時間內(nèi)未接收到傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，那么系統(tǒng)將適當延長接收時間以防止遺漏。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)點則認定該傳感器節(jié)點故障需維護。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的火災報警系統(tǒng)正是利用了以上的技術特點，將若干個火災探測器作為一個個小型基站，通過傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、路由節(jié)點等，利用芯片的處理和傳輸協(xié)議進行通信轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與外界的互聯(lián)互通，將各節(jié)點收集的信息加以實時分析和決策。

3 智能物聯(lián)網(wǎng)火災報警系統(tǒng)在消防中的應用

3.1? 即時反饋，統(tǒng)一控制

在一個多種功能并存的公共建筑內(nèi)，內(nèi)部消防設施繁多，若該公共建筑采用了智能物聯(lián)網(wǎng)火災報警系統(tǒng)，當火災發(fā)生時，系統(tǒng)能夠第一時間迅速地通過物聯(lián)網(wǎng)技術及現(xiàn)場探測報警器將發(fā)生火災的位置、溫度、煙霧濃度甚至現(xiàn)場視頻情況同步發(fā)送至系統(tǒng)平臺，平臺則根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的處置流程將相關數(shù)據(jù)傳輸給消控主機，通過值班人員的及時確認操作，控制現(xiàn)場各區(qū)域的消防設施聯(lián)動啟動，從而起到快速控制火勢、減少財產(chǎn)損失和人員傷亡的效果。

3.2? 云端監(jiān)測，實時處理

目前在用的消防設備中，通常都會有例如傳輸速度、儲存記錄容量、回路控制點位數(shù)量等技術規(guī)范要求，同時在日常管理中還經(jīng)常會出現(xiàn)因某條回路發(fā)生短路、斷路、屏蔽等故障而導致部分探測器失效的情況，那么對于主機的要求和管理的難度可想而知。而作為物聯(lián)網(wǎng)技術的智能火災報警系統(tǒng)可以及時統(tǒng)計出設備的工作在線情況，當各設備傳感器終端未按期發(fā)送相關基礎數(shù)據(jù)包時，則表明該探測器存在問題，維保人員可以有效地做好巡檢工作，僅需及時確認數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡是否正常、探測器點位及傳輸路由是否正常即可，從而實現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)并消除消防隱患。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，我們也完全可以通過設置云端高性能服務器，對建筑內(nèi)大量的智能火災報警系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析和云端監(jiān)控，也就不必擔心容量和其他限制要求了。

3.3? 多方兼容，統(tǒng)一監(jiān)測

目前市面上的消防設施產(chǎn)品種類復雜、品牌眾多，各企業(yè)為鞏固品牌護城河效應，通常會設置自己的標準和技術壁壘，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)常會面臨對主機設備不熟、操作方法不一致等難題，延誤初期火災的處理。而基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能火災報警系統(tǒng)可以較好地解決上述問題，通過統(tǒng)一操作平臺系統(tǒng)對建筑內(nèi)部的各類型終端探測進行實時云數(shù)據(jù)收集，而各探測報警終端設備的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)包格式等進行統(tǒng)一制定后接入數(shù)據(jù)平臺，便可實現(xiàn)對不同品牌、不同型號的設備進行后臺監(jiān)控，同時，如果條件許可，也完全可以由遠程平臺操作，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備的工程耗材多、造價高、抗干擾能力弱、設計施工與維護復雜，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)，因消防設施癱瘓進行消防設施改造，耗費的維修費用分別高達1100萬元和480萬元，而工程量最大的部分恰恰是對舊設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)的智能火災報警系統(tǒng)恰好可以在這方面達到預期效果，通過建立無線物聯(lián)網(wǎng)絡，實施智能化火災報警系統(tǒng)的改造，從而實現(xiàn)投入減少、維護簡便、不進行建筑大面積損傷性施工等優(yōu)勢。同時，消防部門也可通過數(shù)據(jù)后臺實時查詢和掌握某些特定區(qū)域、高危單位及其他場所的火災發(fā)生具體情況、現(xiàn)場火災隱患情況等，從而進行大數(shù)據(jù)的研判和分析，及時調(diào)度執(zhí)法人員處理和消除隱患。

3.5? 傳輸提升，多種探測

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術的發(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)變化類的探測器終端更新升級為同步帶有視頻、音頻監(jiān)測的探測器終端設備，從而供安保力量和消防滅火人員實時掌握現(xiàn)場火勢大小、蔓延方向、現(xiàn)場溫度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)，以便及時在第一時間調(diào)派人員和改變進攻策略進行實時決策。同時，借助無線物聯(lián)網(wǎng)技術，通過新設備的研發(fā)，還可以為進入火場內(nèi)的消防人員進行輔助定位和引導，掌握現(xiàn)場位置信息和周邊范圍內(nèi)的消防設施情況[3]。

4 結(jié)語

伴隨著城市現(xiàn)代化進程的不斷推進，計算機網(wǎng)絡技術、微電子技術和物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術的迅速發(fā)展，以及人們對消防安全需求的進一步提高，必定會促進和帶動無線消防預警設備的發(fā)展。本文分析了火災報警系統(tǒng)的現(xiàn)狀，結(jié)合傳感器及物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展技術，提出了利用無線傳感傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)火災報警系統(tǒng)，優(yōu)化了傳統(tǒng)報警系統(tǒng)設計施工復雜、維護困難、智能化程度低的問題，設想了通過傳輸效率更高、傳輸容量更大的結(jié)合音視頻進行探測預警的新型傳感器設備，其應用場景勢必更加廣闊，也將為我國的消防事業(yè)添磚加瓦。

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[3]張琰.論消防無線通信在災害事故中的應用[J].網(wǎng)絡安全技術與應用，2014（8）：66+68.

Discussion on the application of Internet of Things fire alarm system based on wireless sensing

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