無(wú)線(xiàn)火災報警系統的體系結構研究

　　一、前言

　　隨著(zhù)智能樓宇技術(shù)應用的迅速發(fā)展，商業(yè)市場(chǎng)對火災報警器的需求不斷增長(cháng)，目前主要使用的是智能型總線(xiàn)制分布式計算機系統的火災報警系統，雖然在系統安裝方面比過(guò)去大大方便，但仍然不能滿(mǎn)足現代需要，其安裝成本約占設備成本的33％～70％。實(shí)際應用對系統的要求如圖1所示。而無(wú)線(xiàn)火災報警系統能夠滿(mǎn)足目前要求，它具有安裝容易、快捷、便宜、無(wú)需布線(xiàn)、對建筑物表面的最小破壞性、對功能變化的易適應性等特點(diǎn)。

　　雖然WSN（Wireless Sensor Networks）正處于完善的迅速發(fā)展時(shí)期，但并沒(méi)有妨礙它在各領(lǐng)域的應用。德國、日本、美國等發(fā)達國家對無(wú)線(xiàn)火災自動(dòng)報警系統的研究投入大量人力、財力。無(wú)線(xiàn)火災自動(dòng)報警系統是典型的多傳感器的事件驅動(dòng)型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN，但又具有其特殊要求：①系統的可靠性、可信度、必須考慮室內多路徑散射、回波、干擾、中斷、碰撞探測等處理；②系統的最小工作生命周期為5年；③總機和探測器間必須雙向通信；④報警信號的傳輸時(shí)間必須在10秒內；⑤系統干擾、故障探測反映時(shí)間要小于100秒。[1]

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監測、感知和采集網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中各種環(huán)境或監測對象的信息，并對其進(jìn)行處理，處理后的信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送，并以自組多跳（Self Organizing Hop）的網(wǎng)絡(luò )方式傳送給數據處理中心。WSN的應用前景十分廣闊，在軍事、工農業(yè)、環(huán)境監測，醫療護理、危險區域遠程控制等領(lǐng)域都有潛在的應用價(jià)值，已經(jīng)引起了許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。[2]

　　二、火災探測WSN網(wǎng)絡(luò )體系結構

　　要設計出具有可靠性高、抗干擾能力強的火災自動(dòng)報警系統，其要求是：①當有火情發(fā)生時(shí)，能以最快的速度檢測報警，并能檢測火情發(fā)生的具體地點(diǎn)（特定的地址編碼）；②經(jīng)查實(shí)確認后，能及時(shí)的通報消防部門(mén)滅火；③系統本身應有自身故障檢測的功能，如系統欠電壓報警和自檢功能等，保證自動(dòng)報警系統功能完好；④較高的系統抗干擾能力，防止系統發(fā)生誤報警。⑤相對較長(cháng)的系統工作生命周期。

　　針對火災探測應用的實(shí)際情況，采用基于簇的分層結構網(wǎng)絡(luò )較為合理，在穩定運行階段，簇中的所有節點(diǎn)按照時(shí)分復用的方式向相應的簇頭發(fā)送數據。如圖2所示。

　　基于簇（Cluster）的分層結構具有天然的分布式處理能力[3]，簇頭FLCH（First Level Cluster Heads）就是分布式區域處理中心，每個(gè)簇成員SN（Simple Node）都把數據傳給簇頭，數據融合后再傳給SLCH（Second Level Cluster Heads）節點(diǎn)。 FLCH節點(diǎn)和SN節點(diǎn)之間通過(guò)ZigBee技術(shù)實(shí)現無(wú)線(xiàn)的信息交換；帶有射頻收發(fā)器的SN節點(diǎn)負責對火災數據的感知和處理并傳送給FLCH節點(diǎn)；FLCH節點(diǎn)處理的數據直接傳給SLCH節點(diǎn), SLCH節點(diǎn)的數據經(jīng)中繼器或直接傳至樓宇管理中心，然后再經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò )上傳于消防控制中心，控制中心通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現對現場(chǎng)的有效控制和管理。系統結構如圖3所示。

　　為了達到傳感器的實(shí)用數量、減少網(wǎng)絡(luò )的復雜性、降低網(wǎng)絡(luò )整體的功耗，基于每個(gè)火災傳感器節點(diǎn)和FLCH節點(diǎn)之間通信量較小的特點(diǎn)，提出一種基于需求時(shí)喚醒（Wake up On-demand ）的工作模式，即傳感器節點(diǎn)（SN）火災發(fā)生時(shí)，能自動(dòng)醒來(lái)和FLCH節點(diǎn)進(jìn)行通信；否則工作于睡眠狀態(tài)并采用低功率監測信道，以節約傳感器節點(diǎn)功耗并拒絕接受非法的連接訪(fǎng)問(wèn)請求，大大降低了接入FLCH節點(diǎn)時(shí)消息碰撞的概率，極大地增加了傳感器網(wǎng)絡(luò )容量。

　　三、火災探測的特殊性

　　1、建筑物對信號的影響

　　在建筑物內，發(fā)射和接收間的信號傳播主要受多徑反射的影響，信號場(chǎng)強是多種波的總和，因此決定反射／吸收特性的建筑材料和內部結構對于輻射范圍是決定性的。圖4表示某建筑物內的信號衰減情況；距離越遠，場(chǎng)強越弱，在建筑物內部，約與1/r5成正比，即距離增加一倍，衰減約增加17dB，在空曠地帶僅為 6dB。幾種障礙物對無(wú)線(xiàn)信號的衰減情況如表1所示。

　　為了保證系統在５－６年時(shí)間里能夠可靠通信，并考慮到各種可能的結構環(huán)境，對衰減預算量，即發(fā)射功率與最小接收功率之差，一般為115dBm。而衰減預留量為25dBm，所以實(shí)際有效的衰減預算值約為95 dBm。

　　2、網(wǎng)絡(luò )的完整性驗證

　　為了可靠地探測報警，每一個(gè)探測器節點(diǎn)必須保證正常工作，維護網(wǎng)絡(luò )的完整性。當任意節點(diǎn)受到干擾或出現故障時(shí)或鏈路斷裂時(shí)，臨近節點(diǎn)會(huì )自動(dòng)救援，將需要傳輸的數據發(fā)送。其自組織連接過(guò)程如圖5所示。

 　　3、火災特定算法的嵌入

　　目前國內總線(xiàn)型火災探測報警系統已經(jīng)由開(kāi)關(guān)型逐步過(guò)渡到模擬量系統，但要真正達到智能系統，仍有一定距離，在設計新型系統時(shí)最好融入最新的火災智能算法如概率估計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、人工智能等最新研究成果，使得系統得可靠性和智能化大大提高。