無線火災報警系統(tǒng)的體系結構研究

　　一、前言

　　隨著智能樓宇技術應用的迅速發(fā)展，商業(yè)市場對火災報警器的需求不斷增長，目前主要使用的是智能型總線制分布式計算機系統(tǒng)的火災報警系統(tǒng)，雖然在系統(tǒng)安裝方面比過去大大方便，但仍然不能滿足現(xiàn)代需要，其安裝成本約占設備成本的33％～70％。實際應用對系統(tǒng)的要求如圖1所示。而無線火災報警系統(tǒng)能夠滿足目前要求，它具有安裝容易、快捷、便宜、無需布線、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。

　　雖然WSN（Wireless Sensor Networks）正處于完善的迅速發(fā)展時期，但并沒有妨礙它在各領域的應用。德國、日本、美國等發(fā)達國家對無線火災自動報警系統(tǒng)的研究投入大量人力、財力。無線火災自動報警系統(tǒng)是典型的多傳感器的事件驅動型無線傳感器網(wǎng)絡WSN，但又具有其特殊要求：①系統(tǒng)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(tǒng)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報警信號的傳輸時間必須在10秒內；⑤系統(tǒng)干擾、故障探測反映時間要小于100秒。[1]

　　無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術，能夠協(xié)同地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以自組多跳（Self Organizing Hop）的網(wǎng)絡方式傳送給數(shù)據(jù)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(jiān)測，醫(yī)療護理、危險區(qū)域遠程控制等領域都有潛在的應用價值，已經(jīng)引起了許多國家學術界和工業(yè)界的高度重視。[2]

　　二、火災探測WSN網(wǎng)絡體系結構

　　要設計出具有可靠性高、抗干擾能力強的火災自動報警系統(tǒng)，其要求是：①當有火情發(fā)生時，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（特定的地址編碼）；②經(jīng)查實確認后，能及時的通報消防部門滅火；③系統(tǒng)本身應有自身故障檢測的功能，如系統(tǒng)欠電壓報警和自檢功能等，保證自動報警系統(tǒng)功能完好；④較高的系統(tǒng)抗干擾能力，防止系統(tǒng)發(fā)生誤報警。⑤相對較長的系統(tǒng)工作生命周期。

　　針對火災探測應用的實際情況，采用基于簇的分層結構網(wǎng)絡較為合理，在穩(wěn)定運行階段，簇中的所有節(jié)點按照時分復用的方式向相應的簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)。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(qū)域處理中心，每個簇成員SN（Simple Node）都把數(shù)據(jù)傳給簇頭，數(shù)據(jù)融合后再傳給SLCH（Second Level Cluster Heads）節(jié)點。 FLCH節(jié)點和SN節(jié)點之間通過ZigBee技術實現(xiàn)無線的信息交換；帶有射頻收發(fā)器的SN節(jié)點負責對火災數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送給FLCH節(jié)點；FLCH節(jié)點處理的數(shù)據(jù)直接傳給SLCH節(jié)點, SLCH節(jié)點的數(shù)據(jù)經(jīng)中繼器或直接傳至樓宇管理中心，然后再經(jīng)GSM網(wǎng)絡上傳于消防控制中心，控制中心通過GSM網(wǎng)絡獲取采集到的相關信息，實現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。系統(tǒng)結構如圖3所示。

　　為了達到傳感器的實用數(shù)量、減少網(wǎng)絡的復雜性、降低網(wǎng)絡整體的功耗，基于每個火災傳感器節(jié)點和FLCH節(jié)點之間通信量較小的特點，提出一種基于需求時喚醒（Wake up On-demand ）的工作模式，即傳感器節(jié)點（SN）火災發(fā)生時，能自動醒來和FLCH節(jié)點進行通信；否則工作于睡眠狀態(tài)并采用低功率監(jiān)測信道，以節(jié)約傳感器節(jié)點功耗并拒絕接受非法的連接訪問請求，大大降低了接入FLCH節(jié)點時消息碰撞的概率，極大地增加了傳感器網(wǎng)絡容量。

　　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。幾種障礙物對無線信號的衰減情況如表1所示。

　　為了保證系統(tǒng)在５－６年時間里能夠可靠通信，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，所以實際有效的衰減預算值約為95 dBm。

　　2、網(wǎng)絡的完整性驗證

　　為了可靠地探測報警，每一個探測器節(jié)點必須保證正常工作，維護網(wǎng)絡的完整性。當任意節(jié)點受到干擾或出現(xiàn)故障時或鏈路斷裂時，臨近節(jié)點會自動救援，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送。其自組織連接過程如圖5所示。

 　　3、火災特定算法的嵌入

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