火災自動報警系統(tǒng)通信技術(shù)

張卓

摘要：通信技術(shù)是火災自動報警系統(tǒng)完成信號傳輸、確認及響應的基礎，并通過回顧火災自動報警系統(tǒng)的發(fā)展歷史，展現(xiàn)了其通信方式的變革過程及各種通信方式的特點。進而給出一個火災自動報警系統(tǒng)的典型通信方案，通過對其進行分析，提出通信兼容性、通信距離等在工程設計中存在的不足，并探討了解決措施。最后探討了火災自動報警系統(tǒng)通信技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：火災自動報警系統(tǒng)?通信?總線?工程設計

中圖分類號：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

火災自動報警系統(tǒng)是綜合利用傳感、通信、自動控制和信息處理等技術(shù)，實現(xiàn)火災自動探測、報警、滅火及記錄的一體化平臺，是消防設施的重要組成部分。新材料、微電子、AI和IOT等新技術(shù)甫一提出，便開始對火災自動報警系統(tǒng)進行改進，推動其更新?lián)Q代。

火災自動報警系統(tǒng)的各項功能是在可靠通信的前提下實現(xiàn)的，硬件接口和通信協(xié)議是通信的基礎[1]。

1?火災自動報警系統(tǒng)發(fā)展歷程

火災自動報警系統(tǒng)的提出可追溯到百余年前。這期間，隨著消防理念的進步以及新技術(shù)的問世、發(fā)展和成熟，火災自動報警系統(tǒng)也蓬勃發(fā)展起來，其發(fā)展過程歷經(jīng)了以下幾個階段[2]。

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

第二階段從20世紀40年代至20世紀80年代，離子式感煙探測器與光電式感煙探測器相繼研制成功，以其高靈敏度與響應迅速的優(yōu)點，其一經(jīng)問世便獲得廣泛關(guān)注，至今仍為主要的探測器類型之一。這一階段的探測器一般采用閾值比較算法，將當前的探測量與設定值進行比較，當探測值大時，開關(guān)電路動作。系統(tǒng)通信采用多線制拓撲結(jié)構(gòu)，每個探測器發(fā)出的開關(guān)量報警信號通過單拉電纜傳送至火災自動報警控制器。

第三階段從20世紀80年代至今，微電子和數(shù)字電路技術(shù)的應用使得多個探測器可以通過同一條總線與火災自動報警控制器連接，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)基礎上，分布智能型系統(tǒng)開始出現(xiàn)。探測器自身具備了一定的運算能力，前端探測器對采集到的傳感信號進行初步分析后，再將運算結(jié)果傳送至火災自動報警控制器進行進一步復雜處理。

2?典型火災自動報警系統(tǒng)通信技術(shù)

如今的火災自動報警系統(tǒng)大致可分為上、中、下三層[3]，典型的網(wǎng)絡拓撲如圖1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)域火災自動報警控制器的通信網(wǎng)絡，呈現(xiàn)星型拓撲結(jié)構(gòu)。由于消防指揮中心與用戶之間一般距離較遠，因此一般采用光纖網(wǎng)、電話網(wǎng)和無線通信。

由于火災自動報警系統(tǒng)的設置范圍一般較大，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。火災自動報警控制器采用各類光纖收發(fā)器將TCP/IP、Modbus和CANbus等協(xié)議的數(shù)據(jù)包電信號轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纜進行傳遞。消防指揮系統(tǒng)采用同樣的光纖收發(fā)器進行光電轉(zhuǎn)換，并通過交換機或通信模塊完成信號收發(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設施或?qū)ｉT建設光纖通信網(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)和火災自動報警控制器中安裝調(diào)制解調(diào)設備，利用現(xiàn)有電話網(wǎng)作為傳輸鏈路是經(jīng)濟有效的方案，其缺點是帶寬低和實時性較差。

當在局部小范圍無法新建或利舊已有通信線路時，便只能通過各種無線技術(shù)實現(xiàn)信號傳輸。在消防指揮系統(tǒng)和火災自動報警控制器中安裝無線通信模塊，通過申請到的頻率或GPRS網(wǎng)絡服務建立無線鏈路后即可進行通信。雖然無線通信組網(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)指火災自動報警控制器之間、火災自動報警控制器和回路卡之間、火災自動報警控制器和某些火警設備之間的通信鏈路。

由于聯(lián)網(wǎng)方式需求的多樣性，目前火災自動報警控制器多通過各類通信卡進行組網(wǎng)通信。通信卡通過接口與主板連接，當需要不同的通信方式時，只需選擇對應類別的通信卡即可，并可通過各類通信轉(zhuǎn)換卡實現(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，也可以采用光信號。由于火災自動報警網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)多樣、節(jié)點間距遠，因此可以采用通信轉(zhuǎn)換卡實現(xiàn)各類通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換，達到靈活組網(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似，可采用VESA等并行總線，也可采用IIC等串行總線。火災顯示盤等火警設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)是回路卡與探測器、手動報警按鈕或聲光報警器等設備之間的通信鏈路。

系統(tǒng)中要想使用總線的設備應首先發(fā)出使用申請，回路卡完成下一個傳輸周期總線使用權(quán)的指派，獲得使用權(quán)的設備發(fā)出存儲器地址或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)常見的通信方式可分為以下3種。

2.3.1?專用回路通信

專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)行的標準、規(guī)范中沒有通信協(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，其拓撲結(jié)構(gòu)、協(xié)議內(nèi)容及信號處理方式均不相同，無法相互兼容，形成多種協(xié)議并存的局面。因此，很多設備的通信依然采用開關(guān)量信號，通過輸入模塊、輸出模塊實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。

2.3.2?低壓電力載波通信

低壓電力載波通信無須額外的通信鏈路，通過調(diào)制解調(diào)、小信號檢測等技術(shù)，可在供電的同時實現(xiàn)信號傳輸。火災自動報警設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用，但隨著電磁污染的治理和通信技術(shù)的進步，這種通信方式將有進一步的發(fā)展。

2.3.3?無線通信

無線通信采用電磁波作為信號傳輸介質(zhì)，具有簡單、靈活的特點，通過在設備側(cè)配置無線調(diào)制解調(diào)設備，即可實現(xiàn)相互間的無線信號傳輸，但由于發(fā)射功率限制，且在復雜環(huán)境下存在遮擋、電磁干擾等問題，因此其應用范圍受到限制[4-5]。

3?存在的問題與解決措施

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

3.1?兼容性

3.1.1?問題

兼容性是目前火災自動報警系統(tǒng)通信所面對的重要問題，技術(shù)上的封閉性導致不同品牌產(chǎn)品或同品牌的新舊產(chǎn)品之間無法兼容。在中層通信網(wǎng)中表現(xiàn)為系統(tǒng)擴展困難，新增的火災自動報警控制器須與原系統(tǒng)保持一致才能添加入網(wǎng)絡。在底層通信網(wǎng)中表現(xiàn)為拓撲結(jié)構(gòu)復雜與設備維護困難。通信協(xié)議的差異，一方面增加了開關(guān)量信號的點位，對通信對側(cè)設備提出更高的要求，另一方面導致不同廠家總線拓撲結(jié)構(gòu)不同，且各類火警設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，系統(tǒng)則面臨失效風險。

3.1.2?措施

在中層通信網(wǎng)中采用開放的通信協(xié)議接口和集成化軟件環(huán)境可解決系統(tǒng)擴展難題。開放的通信協(xié)議使得不同廠家、不同型號的火災自動報警控制器可以相互通信，組成網(wǎng)絡。集成化的軟件環(huán)境通過各廠家提供的SDK實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)包的解析，完成火災自動報警系統(tǒng)軟件的搭建。

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

3.2?通信距離

3.2.1?問題

在底層通信網(wǎng)中，通信距離是總線回路設計的重要考量因素，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，當回路中設備總功率較大時，將明顯拉低總線電壓，除影響設備供電外，也增加了信號處理的難度。

3.2.2?措施

為了擴展火災自動報警系統(tǒng)的覆蓋范圍，可以從電源、線路和終端設備三個角度出發(fā)，減少噪聲及壓降所帶來的影響。，具體優(yōu)化措施如表1所示。

3.3?合規(guī)問題

3.3.1?問題

除此以外，火災報警系統(tǒng)還面臨模擬量信號處理方面的不足。根據(jù)《SH/T?3153—2021?石油化工電信設計規(guī)范》中的條文解釋，對于新建項目，應選用能夠控制和傳遞模擬量信號的火災自動報警系統(tǒng)，不再使用生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)控制消防設施[8]。在實際應用中，消防成套設備中常含有模擬量儀表、變送器，而很多廠家的火災自動報警系統(tǒng)不具備模擬量通信功能，導致模擬量信號須先輸入生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)或消防控制系統(tǒng)，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換后再輸入火災自動報警系統(tǒng)，這不僅增加了系統(tǒng)的復雜性，而且?guī)砹瞬缓弦?guī)風險。

3.3.2措施

火災報警系統(tǒng)廠家應加快設備更新，增加模擬量輸入功能，以符合規(guī)范及市場要求。或是增加消防控制系統(tǒng)，消防設備的壓力、液位等模擬量信號反饋及聯(lián)動信號的接收均通過消防控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

4?結(jié)語

本文從火災自動報警系統(tǒng)的發(fā)展歷程開始，逐步介紹了總線技術(shù)和當前典型的火災自動報警系統(tǒng)通信技術(shù)，分析了存在的問題并提出可能的改進措施。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，火災自動報警系統(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、低誤報和智能化的方向發(fā)展。多樣化的通信方式將使得火災自動報警系統(tǒng)的設計更加靈活，以滿足日益復雜的需求與嚴格的要求。

參考文獻

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[7] 張培鴻.基于深度學習的火災報警系統(tǒng)研究[D].成都：電子科技大學，2023.

[8] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部，中國石化工程建設有限公司.石油化工電信設計規(guī)范：SH/T?3153-2021[S].北京：中國石化出版社出版，2021.