常瑞莉

（青海建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 青海省西寧市 810012）

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，大眾對于消防安全的重視程度越來越高，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，無線通信技術(shù)與其結(jié)合能夠完善系統(tǒng)的信息傳遞功能，將系統(tǒng)自動報警的速度和質(zhì)量最大化提高。無線通信技術(shù)主要被應(yīng)用于此類系統(tǒng)中的報警探測器與報警信號傳輸。

1 無線通信技術(shù)在火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中的應(yīng)用方式

1.1 報警探測器

無線通信技術(shù)在時代發(fā)展中逐漸成為了主流技術(shù)，其被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，經(jīng)過反復(fù)實踐后發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在消防預(yù)警中的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中具有重大應(yīng)用意義，與傳統(tǒng)的探測器相比，無線探測器通常為了降低自身的能耗選擇電池供電，其平時保持休眠狀態(tài)，在固定時間利用定時器的功能進(jìn)行喚醒實施自檢，完成自檢工作后再次休眠以降低能耗。當(dāng)實際環(huán)境中具有火災(zāi)特征且已經(jīng)達(dá)到了設(shè)定的報警值時，探測器可以快速地自我喚醒，利用無線網(wǎng)絡(luò)將報警信號發(fā)出。當(dāng)探測器出現(xiàn)故障或電量過低時也可以自我喚醒將故障信息與低電壓的數(shù)據(jù)以無線信號的形式傳遞給工作人員。

1.2 報警信號傳輸

無線網(wǎng)絡(luò)中，報警信號通常采用的傳輸方式為自組織類型的多跳傳輸。無線報警信號容易受到消防場所的面積以及當(dāng)?shù)匦盘柛蓴_的影響，因此為了保證無線信號傳輸?shù)姆€(wěn)定與清晰，應(yīng)當(dāng)增加適量路由節(jié)點與中繼節(jié)點，通過節(jié)點的增加以確保能夠穩(wěn)定且及時地進(jìn)行信號傳輸。當(dāng)報警控制器接收到信號時需要立刻確認(rèn)火警情況，確認(rèn)無誤后將確認(rèn)信號發(fā)送出去，利用無線網(wǎng)絡(luò)將火災(zāi)區(qū)域設(shè)置的聲光報警器啟動，同時啟動消防廣播，控制滅火設(shè)備進(jìn)行初步滅火。信號的傳輸不僅體現(xiàn)在火警信息的傳遞上，還可以體現(xiàn)探測器的運行狀況，當(dāng)探測器新增時，其位置信息都將被信號傳輸至控制器中。除此之外，擁有IPv6 功能的控制器能夠直連智慧城市的系統(tǒng)，將火警的各方面信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至公共安全的信息平臺[1]。

2 在火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中應(yīng)用的無線通信具體技術(shù)

當(dāng)前無線類型的火災(zāi)報警系統(tǒng)除了要滿足傳統(tǒng)系統(tǒng)的通用要求之外，還需要注意以下要求：供電系統(tǒng)必須要同時具備交流供電與直流供電兩種類型的機(jī)制以保證該系統(tǒng)能夠在火災(zāi)中擁有一段穩(wěn)定的工作時間。其測試程序必須要方便快捷，合理的測試系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)的狀態(tài)以及備用電池進(jìn)行及時的檢查。限定區(qū)域中不僅需要保證無線發(fā)射器有充足的數(shù)量，還需要保證其與主機(jī)之間的通信穩(wěn)定。無線信號的發(fā)射與接收信號的裝置中必須設(shè)置應(yīng)答機(jī)制，信號發(fā)射端能夠?qū)鞲衅鱾鬏數(shù)男盘柗磸?fù)發(fā)送直至接收端確認(rèn)收到。多級傳輸結(jié)構(gòu)之中應(yīng)當(dāng)設(shè)置多路徑傳輸，即便其中一個路徑遭到破壞或出現(xiàn)故障，信號終端也能夠從備用路徑中獲取發(fā)射端傳輸?shù)男盘枴?/p>

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的最早時間為20世紀(jì)70年代，使用者是美國軍方。當(dāng)時美國軍方通過無線傳感器搜集戰(zhàn)場信息進(jìn)行情報分析。隨著無線通信技術(shù)不斷進(jìn)步，微處理器也獲得了較快的發(fā)展，無線傳感器類型的網(wǎng)絡(luò)在社會上的應(yīng)用越來越廣泛，無論是工業(yè)監(jiān)控、醫(yī)療健康還是交通管理、智慧城市，都存在使用此類網(wǎng)絡(luò)的情況，其為大眾的生活帶來了諸多便利。無線傳感器類型的網(wǎng)絡(luò)實際上是信息獲取平臺，其通過大量的傳感器采集信息，該網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的傳感器具有智能化、高效率、成本低且型號微小等特點，在采集數(shù)據(jù)信息方面擁有突出的優(yōu)勢。通過傳感器獲取的各類數(shù)據(jù)信息被多個傳感器節(jié)點組成的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳到計算機(jī)終端，在終端對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。無線傳感的規(guī)模較大，且其無需基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，能夠完成自組織，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置節(jié)點的成本較低，無論是體積還是耗能都較小，大多數(shù)的節(jié)點都較為固定地散落于被監(jiān)測的區(qū)域之中[2]。

2.2 短距離無線通信

2.2.1 低功耗藍(lán)牙技術(shù)

低功耗藍(lán)牙技術(shù)簡稱BLE 技術(shù)，其相較于傳統(tǒng)的藍(lán)牙技術(shù)而言能耗較低，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟在2010年將藍(lán)牙4.0 版本發(fā)布，從此以后實現(xiàn)了傳統(tǒng)的藍(lán)牙設(shè)備與BLE 設(shè)備的兼容，為BLE 爭取到了更加廣闊的應(yīng)用空間。BLE 的優(yōu)勢較多，其功耗低，以BLE 協(xié)議為基礎(chǔ)的CC2640 芯片在收發(fā)數(shù)據(jù)時使用的峰值電量僅為6mA，當(dāng)其處于待機(jī)狀態(tài)時消耗的電量僅為1.1μA。其能夠快速建立連接。BLE 模塊從打開到成功建立連接耗費的時間僅為3ms，同時其能夠保持以毫秒計算的傳輸速度將認(rèn)可完成的數(shù)據(jù)成功傳遞后實現(xiàn)連接的立即關(guān)閉。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，探測器需要在第一時間進(jìn)行自我喚醒，其依靠BLE 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)瞬間喚醒，傳遞報警信號，通過極短的喚醒時間保證信號傳輸?shù)募皶r性。BLE 技術(shù)具有較強(qiáng)的安全性，其使用循環(huán)冗余（CRC）校驗方式來避免通信渠道上發(fā)生信號錯誤。CRC 對于錯誤的偵聽能力受其校驗長度影響，BLE 為其提供24 位CRC 校驗將其偵聽錯誤的能力最大化發(fā)揮。一般應(yīng)用自動報警系統(tǒng)的環(huán)境中都具有無線電干擾。而完善的校驗技術(shù)則可以確保處于干擾環(huán)境中的封包具有穩(wěn)定度。BLE 技術(shù)的組網(wǎng)能力較強(qiáng)，其支持的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有兩種，一種是星型，另一種是網(wǎng)型。一個BLE 網(wǎng)絡(luò)中能夠支持32000 個節(jié)點，而其中應(yīng)用的mesh 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模式簡單且非常容易實現(xiàn)，路由節(jié)點不需要固定。BLE 技術(shù)擁有室內(nèi)較遠(yuǎn)的傳輸距離。其傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到100 米以上。

2.2.2 ZigBee 技術(shù)

ZigBee 技術(shù)是當(dāng)前運用效果最好的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其能夠?qū)崿F(xiàn)近距離的信號傳輸，運用的復(fù)雜度較低，不需要耗費大量功率與速率，同時其應(yīng)用的成本較低。該技術(shù)主要針對組網(wǎng)、安全以及軟件應(yīng)用，適用于大多數(shù)不需要承載大量數(shù)據(jù)流量的業(yè)務(wù)。ZigBee 技術(shù)的物理層、介質(zhì)訪問控制層以及數(shù)據(jù)鏈路層都是在IEEE802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上完善的，通過拓展協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)獲得了更好的應(yīng)用。該技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層等應(yīng)用規(guī)范都需要由ZigBee 聯(lián)盟制定。ZigBee 技術(shù)具有較多的優(yōu)勢，其功耗低，以ZigBee 技術(shù)為基礎(chǔ)的CC2530 芯片在收發(fā)數(shù)據(jù)時使用的電量低于30mA，當(dāng)其處于待機(jī)狀態(tài)時消耗的電量僅為1μA。與BLE 技術(shù)相比，ZigBee 技術(shù)在待機(jī)睡眠時消耗的電量沒有明顯的差距，但在收發(fā)數(shù)據(jù)時消耗的電量較高，但與其他技術(shù)相比，ZigBee 技術(shù)的能耗控制已經(jīng)處于較高的水平。建立連接的速度也是如此，ZigBee 技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)的時間為30ms，在同類技術(shù)中處在較高水平，但與BLE 技術(shù)相比稍顯遜色。ZigBee 技術(shù)與BLE 技術(shù)一樣具有較強(qiáng)的安全性，其同樣使用循環(huán)冗余（CRC）校驗方式來避免通信渠道上發(fā)生信號錯誤[3]。并且ZigBee 技術(shù)還提供了應(yīng)用128 位高級加密標(biāo)準(zhǔn)算法的軟件以確保安全性，將IEEE802.15.4 中的所有安全元素集成。為了確保其靈活性，對簡單的器件設(shè)備表示支持，ZigBee 技術(shù)推出了三級安全的模式，從無安全設(shè)定到加強(qiáng)接入控制清單避免非法獲取數(shù)據(jù)情況的發(fā)生，還包括了以高級加密標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的對稱密碼，通過靈活性確保使用ZigBee 技術(shù)的安全。ZigBee 技術(shù)的組網(wǎng)能力較強(qiáng)。

IEEE802.15.4 中的ZigBee 協(xié)議對其適用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了明確，除了星形結(jié)構(gòu)與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之外，ZigBee 技術(shù)還支持簇狀結(jié)構(gòu)。一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中理論上能夠支持65535 個節(jié)點，將整個傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用了全功能設(shè)備以及精簡功能設(shè)備，其中全功能設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸與網(wǎng)絡(luò)管理上具有全方面的功能，非常適合協(xié)調(diào)火災(zāi)自動報警的網(wǎng)絡(luò)和路由節(jié)點。ZigBee 技術(shù)的傳輸距離也能夠符合火災(zāi)自動報警系統(tǒng)對于設(shè)置探測器的要求。

2.2.3 其他技術(shù)

除了以上兩種無線技術(shù)之外，還有多種無線通信技術(shù)存在并有一定的應(yīng)用價值，其中Z-Wave、LoRa、Wi-Fi 技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用較多的技術(shù)。Z-Wave 最早由Zensys 推出，Z-Wave 的無線協(xié)議中不使用2.4GHz 頻段而是使用美國908MHz 頻段或歐洲868MHz 頻段，頻段的不沖突為其帶來了強(qiáng)大的抗信號干擾，但由于難以被國內(nèi)的軟件和硬件支持，因此其普及程度較低。并且一個Z-Wave 網(wǎng)絡(luò)中能夠容納的最多節(jié)點僅為232 個，對于依靠大量探測器進(jìn)行工作的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)而言容量嚴(yán)重不足。LoRa 是超遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膮f(xié)議，其主要應(yīng)用擴(kuò)頻技術(shù)，該無線協(xié)議中使用的頻段大多全球免費，主要包括433MHz、470MHz、868MHz 以及、915MHz 等。其最大的優(yōu)勢在于遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸?shù)木嚯x在2km-5km 之間，其缺點也較為明顯，此協(xié)議僅支持星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，必須依靠網(wǎng)關(guān)進(jìn)行節(jié)點信息的收集，才能夠?qū)?shù)據(jù)輸送到計算機(jī)終端，因此必須要做好基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建造信號塔，建設(shè)工業(yè)基站，還需要新建便攜式的網(wǎng)關(guān)，對于火災(zāi)自動報警系統(tǒng)而言投入較大。Wi-Fi 是當(dāng)下標(biāo)準(zhǔn)性較強(qiáng)的無線局域網(wǎng)，其大多使用的頻段為2.4GHz 或5GHz 的射頻頻段，所有短距離類型中其具備的傳輸速率最高，傳輸?shù)木嚯x最遠(yuǎn)，但其相應(yīng)的能耗較高，對于運用電池的傳感器而言實用價值不高，并不適用于長期待機(jī)的報警探測器。并且其與LoRa 具有同樣的缺陷，都只適用于星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傳輸節(jié)點的通信必須依靠中樞路由，一旦中樞路由產(chǎn)生了運行故障，則整個報警網(wǎng)絡(luò)都將面臨癱瘓的風(fēng)險[4]。

3 在火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中應(yīng)用無線通信技術(shù)的注意事項

3.1 進(jìn)行信號測試

無論是Zigbee 還是BLE 使用的頻段都是2.4GHz，其作為世界公用無線頻段被大量使用于無線產(chǎn)品之中，而此類設(shè)備中的無線信號會干擾無線類型的火災(zāi)報警系統(tǒng)，影響其使用效果。因此需要對具有安裝需求的場所進(jìn)行信號測試，測試的主要目的是查看建筑內(nèi)無線信號的傳輸性能，明確各個探測器點位實際具備的信號強(qiáng)度以及其對于無線信號的干擾強(qiáng)度，了解各個強(qiáng)度后依照建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)對各個無線探測裝置體現(xiàn)的信號強(qiáng)度與信號范圍進(jìn)行調(diào)整。其中厚度較大的承重墻周圍此類信號干擾嚴(yán)重的區(qū)域應(yīng)當(dāng)做好增加探測器的準(zhǔn)備，通過采取提高探測器的設(shè)置密度或中繼節(jié)點的數(shù)量等措施加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的信號強(qiáng)度，還可以拒絕強(qiáng)信號干擾的設(shè)備進(jìn)場以避免信號傳輸受到影響[5]。

3.2 落實網(wǎng)絡(luò)維護(hù)

無線類型的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)在安裝結(jié)束之后，應(yīng)該要確保全部探測器節(jié)點與路由節(jié)點、中繼節(jié)點保持良好的信號，一旦出現(xiàn)探測器故障或進(jìn)行探測器的新增設(shè)置時需要重新實施通信測試，保證剩余的探測器處于正常通信狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點出現(xiàn)故障或中繼節(jié)點有問題時，需要明確探測器的失聯(lián)情況，了解其失聯(lián)數(shù)量以及失聯(lián)的具體區(qū)域，以最快的速度將故障的節(jié)點更換。如果是由于電量過低發(fā)出的警報則需要指派工作人員對警報的探測器進(jìn)行電池的更換。

3.3 明確應(yīng)用范圍

在應(yīng)用各種無線通信技術(shù)時需要明確其應(yīng)用范圍。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中為了保證路由節(jié)點具有穩(wěn)定性，路由節(jié)點無法休眠，并且需要實施常規(guī)供電，同時其安裝的位置也不能隨意改變。因此基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的報警系統(tǒng)適用于探測器較多且位置較為固定的現(xiàn)實場所，例如各種大型的建筑群或面積較大的商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點。而BLE 中的mesh 網(wǎng)絡(luò)大多以泛洪的方法控制數(shù)據(jù)包，方便加入BLE 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，也使其退出較為簡單，但擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模之后，BLE 節(jié)點產(chǎn)生的能耗隨之增加，因此以BLE 為基礎(chǔ)的無線自動報警系統(tǒng)的適用范圍是較小的空間，并且該空間相對封閉，例如個人房產(chǎn)、檔案中心等地點。

4 結(jié)論

無線類型的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的系統(tǒng)而言更加靈活，隨著建筑智能化的發(fā)展，無線報警系統(tǒng)更適合與其結(jié)合共同構(gòu)建智慧消防。實際應(yīng)用無線報警系統(tǒng)時需要考慮現(xiàn)實場景的情況，根據(jù)不同的場景和用戶的具體需求選擇合適的通信協(xié)議和無線通信技術(shù)，將其技術(shù)特性全面、有效地發(fā)揮出來。