一种无线火灾自动报警系统的研究

摘 要：本系统提出了一种基于无线传感器网络的火灾自动报警系统的解决方案；系统方案中以ARM为控制器，以无线通信为信号传输载体，克服了传统火灾报警系统由于信号传输采用有线方式造成故障率高、施工困难，成本高等缺点。

本文研究的系统具有智能化、无线数据传输、结构简单、施工方便、可变动性强的特点。不但符合设计要求的各项指标，也能满足现场火灾监控的实际需要，具有广阔的市场前景。

关键词：ARM；火灾报警；无线数据传输；传感器

Abstract: The system put forward solutions which based on an automatic alarm system for wireless sensor network fire; the system scheme based on ARM controller, wireless communication as the signal carrier, to overcome the traditional fire alarm system for signal transmission by wire made of high failure rate, difficult construction, high cost.

The system has the features of intelligence, wireless data transmission, simple structure, convenient construction, flexible and strong. Not only meet therequirement, also can satisfy the actual needs of fire control, and has broad market prospects.

Key words: ARM; fire alarm; wireless data transmission;sensor

中图分类号：TD75+2

1.前言

无线火灾报警系统是近几年来国外发展起来的新型火灾报警系统，它是利用无线火灾探测装置发出的火警信号和故障信号，并记录发出这些信号的地点和时间的火灾自动报警专用设备。由于无线火灾自报警系统不采用导线，因此可以方便地将火灾报警探测器从室内移到室外进行工艺处理，完成后再将探测器放回原位。这些都为无线火灾报警系统的发展提供了技术保障。

1983年美国推出第一代可靠性的无线报警系统，第三代技术是世界上最先进的无线报警技术，第四代产品也将推出。我国无线火灾报警系统技术基本空白，虽然有人进行了这方面的研究，但并没有成型产品推向市场。因此，无线火灾自动报警系统的研究势在必行。

2.无线火灾探测WSN网络介绍

无线火灾自动报警系统是典型的多传感器的事件驱动型无线传感器网络WSN，但又具有其特殊要求：①系统的可靠性必须考虑室内易发生的散射、回波、干扰、中断、碰撞探测等情况；②总机和探测器间必须双向通信；③报警信号的传输时间必须在10秒内；④系统干扰、故障探测反映时间宜在100秒内。

无线传感器网络（WSN）综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳（SelfOrganizingHop）的网络方式传送给数据处理中心。

针对火灾探测应用的实际情况，采用基于分组分层结构网络较为合理，在稳定运行阶段，每组中的所有节点按照时分复用的方式向相应的组内的控制子单元发送信号。

基于分组分层结构具有天然的分布式处理能力，每组的控制子单元就是分布式区域处理中心，每个探测器都把数据传给分组子机，数据融合后再传给上一级中继节点。再将数据直接传送至楼宇系统主机，然后再经GSM网络上传至消防控制中心，控制中心通过GSM网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。

3. 无线火灾自动报警控制器及控制子单元方案设计

3.1火灾报警控制器及控制子单元功能要求

无线火灾报警控制器及控制子单元的基本功能是对火灾报警探测器上报的火警、故障等信息进行相应处理、火灾报警探测器登录及存储、火警故障信息记录及查询等。

3.2火灾报警控制器及控制子单元实现方案

无线火灾自动报警系统由火灾报警控制器、火灾报警控制子单元及火灾报警探测器组成。火灾报警控制器对所带控制子单元等设备进行集中管理，它是无线火灾自动报警系统的核心部心。火灾报警控制器及控制子单元的工作原理描述如下：

当火灾报警探测器监测到火灾、故障等异常情况时，通过无线通信模块以无线电波的形式将这些信息发射给控制子单元。控制子单元将这些信息分别处理后，同样通过无线模块以无线电波形式发射到火灾报警控制器。火灾报警控制器通过无线模块接收这些信息后，及时进行相应的处理，将启动或停止相应的设备的命令发送给控制子单元，并发出声光报警信号，使用户可以要根据这些提示进行相应的灭火、排除故障等操作。同时火灾报警控制器将这些火警及故障信息在液晶屏上予以显示、存储，以备用户将来查询所用。控制子单元对接收来自火灾报警控制器的启停设备等命令，并进行相应处理操作，同时控制子单元对探测器登录等进行存储管理。

无线火灾自动报警系统设计方案如图3-1。

图3-1火灾自动报警系统设计方案

火灾报警控制子单元组成如图3-2。

图3-2火灾报警控制子单元组成

本系统中，每个防火分区由一个或者多个控制子单元来监控。每台控制子单元可同时与200个同样的探测器进行通信。为了减少功耗，火灾报警探测器无数据处理时处于休眠状态，当有数据交换时，探测器从休眠状态唤醒，通过无线模块与控制子单元进行数据交换。控制子单元同样通过无线模块接收来自探测器的数据，对数据进行分析处理后，将需要上报火灾报警控制器的数据通过无线模块上传。控制器每隔一段时间向所有探测器通过控制子单元发送同步信号，探测器在接收到同步信号后必须依次向控制子单元发送本探测器的信息。若控制子单元没有收到探测器的信号，则说明该探测器丢失，控制子单元将该探测器丢失信息上报火灾报警控制器，控制器发出声光报警信息通知用户检查探测器。

4. 无线火灾自动报警探测器方案设计

无线火灾报警探测器是无线火灾报警系统的前置探测和处理部分，是整个系统的关键组成部分。智能型火灾报警探测器有感温、感烟等几种类型。探测器对现场环境进行温度、烟雾等数据采集，并对这些数据进行计算和分析处理，向火灾报警控制器送出“正常”、“火警”、“故障”三种状态信息，火灾报警控制器只需对这三种状态信息进行分析和判断及处理。

4.1火灾报警探测器设计要求

当火灾发生时，火灾报警探测器会对火情进行数据采集。具有智能芯片的火灾报警探测器会对采集到的信息进行处理，以确认火情是否发生。根据检测对象的不同，选择不同的传感器件，组成不同的感烟探测器、感温探测器等火灾报警探测器。

4.2 火灾报警探测器选取

火灾发生时，会产生大量烟雾和热量，温度和烟雾是一个复杂的最明显的物理变化和化学反应过程。火灾探测的原理是检测火灾发生产生的各种物理、化学变化，进行动态监测，并将其转化为电信号传送给火灾报警控制器，从而实现对火灾的检测和报警。常见的火灾探测探测器根据所检测的对象不同，可以分为感温探测器、感烟探测器、气体探测器、火焰探测器、图像探测器、声间探测器等等。

经过对比，由于感温探测器，感烟探测器成本低，适用环境广，抗干扰能力强，因此本系统主要采用这两种探测器。物质燃烧过程如图4-1。

图4-1物质燃烧过程

4.3火灾报警探测器实现方案

本系统火灾报警探测器采用ARM作为中心处理器，其指令集简洁、功耗低，体积小、抗干涉能力强、价格便宜。

火灾报警探测器由电源模块、地址编码器、智能处理芯片、通信接口、检测元件等组成。它在安装到施工现场之前要通过地址编码器，对每个探测器进行地址编址。每个火灾报警探测器具有唯一的地址，这个地址是区别每个探测器的标志。火灾报警探测器结构如图4-3。

图4-3火灾报警探测器结构

4.3.1 火灾报警探测器检测部分

火灾报警探测器检测部分对周围环境是否发生火灾进行监测，其主要功能是对周围环境进行采集，并通过信号放大电路及A/D转换进行数据处理，以供智能处理芯片判断监测环境是否有火情发生。

本系统中采用感烟检测元器件及感温检测元器件，其中感烟探测器采用当前主流的光电传感器，设计了红外发光管驱动电路和光电检测电路。温度传感器则采用热敏电阻。检测器件采集的是各种连续变化的模拟量，对于这些模拟量，必须将它们转换为离散的数字量，智能处理芯片才能进行处理。所以要使用A/D转换器将这些模拟量转化为数字量，选用的A/D芯片要有多个转换通道，而且也要有一定的精度，才能满足系统对火灾报警探测器探测精度要求。如果A/D的精度和可靠性得不到保证的话，那么智能处理芯片接收到的数据也不准确，这样系统根据这些不准确的数据作出的判断，就会有误差，容易产生误报、漏报。

4.3.2 火灾报警探测器无线通信接口部分

无线通信部分主要作用是将用户要发送的数据进行调制，载波发送给控制子单元。同时也接收来自控制子单元的控制信息，进行解调后由探测器控制芯片处理。

无线传输结构如图4-4。

图4-4无线传输结构图

5.无线火灾自动报警系统软件设计

5.1火灾报警控制器软件流程设计

本系统中的火灾报警控制器程序主要分为火灾报警控制器主程序、时钟程序、液晶程序、寻键程序和通信子程序几个模块。几个模块共同工作完成火灾报警控制器的主要功能。

火灾报警控制器主程序是火灾报警系统上电后最先运行的程序，其功能是对ARM及器件进行初始化，及相应的参数配置。初始化完成后当有键按下时，查询是否为功能键。为功能键时，按照不同键码执行不同子功能程序。如果不是功能键，程序回到液晶初始界面显示，等待下次人机交互。

5.2火灾报警控制子单元软件流程设计

当火灾报警控制器发生复位时，火灾报警控制子单元也会接收到复位命令，这时火灾报警控制子单元复位，对ARM及周围器件进行初始化工作。初始化包括I/O端口，定时器、串口通信、外部中断、存储芯片参数配置等。初始化完成后，程序进行到无限循环。之后程序会根据不同的中断标志，接收火灾报警控制器发来的数据，并做相应处理，对需要转发到火灾报警探测器数据进行转发，对需要进行存储器读写操作的进行相应操作。处理完后，回到无限循环处，等待下次与火灾报警控制器或火灾报警探测器交互。

火灾报警控制子单元流程如图5-1。

图5-1 火灾报警控制子单元主程序流程图

5.3 火灾报警探测器软件流程设计

火灾报警探测器主程序包括初始化程序、睡眠及唤醒程序、通信程序及对监控现场数据采集及分析。首先是对ARMI/O端口，定时器，外部中断、及无线模块进行初始化，初始化后如果没有外部中断，则ARM进入休眠状态；当控制子单元有数据发送过来时，火灾报警探测器从休眠状态唤醒；对从控制子单元发送过来的数据进行处理，这些数据包括火灾报警探测器登录、现场数据采集等。火灾报警探测器根据不同的命令进行相应的处理操作。完成后，程序使芯片再次进入休眠。休眠状态可以使整个火灾报警探测器节省电。

火灾报警探测器主程序流程如图5-2。

图5-3 火灾报警探测器主程序流程图

6. 结论

通过对现有火灾自动报警系统的研究及大量文献资料的阅读，分析了现行火灾报警系统的利弊，提出了基于无线传输的火灾自动报警系统。无线传输方式改变了原有的双总线的火灾报警信息传输方式，这既使工程施工上变的方便、快捷，也提高了火灾自动报警系统的实用性和市场竞争力。

本系统改变了传统火灾报警系统现场施工安装管线，采用无线传输的方式。但由于无线传输到环境的抗干扰，抗电磁能力相对较差，就在会通信距离过远，环境更复杂，干扰源太强的情况下会产生火警、故障等误报、漏报现象。因此，无线传输更准确，传输距离更远，是一个重要的问题。并且随着现在网络技术的不断发展，应用范围越来越广，将各个独立的火灾报警系统组成局域网，将发生的火情、火警，除上报到本地火灾报警系统外，也同时上报到火灾报警控制中心，是未来发展的方向。火灾报警系统定会向可靠性高，误报、漏报率低，网络化，智能化的方向不断进步。

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