智慧城市感知消防系统的软件平台设计

钟君柳，郑春芳，张永亮

（1.广东机电职业技术学院，广东广州 510515；2.广州航海学院，广东广州 510515）

智慧城市感知消防系统的软件平台设计

钟君柳1，郑春芳2，张永亮1

（1.广东机电职业技术学院，广东广州 510515；2.广州航海学院，广东广州 510515）

主要介绍智慧城市感知消防系统的软件平台设计，提出了采用RS-485通信和WSN（无线传感器网络）网络的ZigBee技术的双备份通信技术，使系统模型同时具有有线和无线双备份组网的能力，系统通信具有一定冗余性，增加了通信的可靠性。最后，采用实验并搭建仿真模型的方法，验证所提出的技术方案的可行性，为未来智能的感知消防系统设计提供了一个技术参考。

智慧城市；感知消防系统；组网技术；系统模型

0 引言

纵观现有的消防报警技术及市面上销售的消防系统产品，不管是国内或者国外的产品，普遍存在联网探测点数偏少（一个大型控制系统也是12 700点数，如果采用拨码电路的方式，探测点数更少），增加探测点数困难（只能在火灾报警控制器内增加回路板），一般使用的232串口通信，CAN总线，或者是自己独有的总线技术（使用距离有限，最大传输距离为1 200 m），部分兼使用485总线，组网都比较困难，不易维护，自动识别故障困难，而且现有系统不具备无线通讯的能力。

因此，本文针对现有消防系统技术存在的缺点，并根据所提出的智慧城市感知消防系统模型，研究了一种智慧城市的易增加探测点数、扩展探测范围，具有双向通讯能力、稳定可靠、实时性强的感知型消防报警控制系统的软件平台设计。软件平台使用有线电缆RS485构成数据通讯总线，通信总线除了能完成必要的通信巡检之外，还可以识别短路、断路、掉线等故障。软件平台还充分利用物联网最新技术成果，使用了WSN（无线传感器网络）网络的ZigBee技术来进行无线的组网，使该系统模型同时具有有线和无线双备份组网的能力，系统通信具有一定冗余性，增加了通信的可靠性[1]。

1 智慧城市感知消防系统模型的方案设计

本系统系统模型主要由：火灾报警控制器（主控制台）、点型感温探测器（从机）、点型感烟探测器（从机）、手动报警按钮（从机）、消火栓按钮（手动报警）、输出模块、输入输出模块、警铃（蜂鸣器）、扬声器（语音报警）、喷淋泵、有线通信网络、无线通信网络、后备太阳能电源、LED广告牌以及自动巡检的消防车等组成[2-9]。系统模型结构图如图1，系统模型实物图如图2所示。本智慧城市感知消防控制系统的状态包括正常监控状态、故障检测状态、响应状态、运行状态都是根据国标的要求而设计的，系统模型满足国标的要求，可用于工程上的实际运用。

图1 系统模型结构图

图2 系统模型实物图

2 智慧城市感知消防系统模型双备份通信技术

双备份通信技术就是使系统模型同时具有有线和无线双备份组网的能力。本系统有线通信技术采用RS-485通信方式，无线通信技术采用WSN（无线传感器网络）网络的ZigBee技术，下面将分别介绍两种技术特点[10]。

2.1 RS-485通讯方式

RS-485是一种多发送器标准，在通信线路上最多可以使用32对差分驱动器/接收器。485通讯芯片的外观和引脚图如图3。

图3 MAX485引脚封装图与实物图

一个从机作为中继模块通过485总线可以挂接32个设备，一个主机如果自带1路串口，则可以挂接32个从机（中继模块），这样挂接探测点数可以达到32×32=1 024个，如果把一个从机（中继器）作为下一级主机，则系统可以扩展为32×32×32=32 768个。理论上可以继续扩展，但考虑到单片机处理速度，最多扩展2级，如果要继续扩展可以使用多串口，运行速度达到200 M以上的ARM9或者FPGA作为控制核心[11]。

2.2 ZigBee通信方式

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通讯技术。

该系统模型研究了物联网技术，使用了WSN网络的ZigBee技术作为系统模型的辅助通讯方式。系统模型从机把采集的各种信息通过有线电缆传输给主机，同时从机也会把信息传给ZigBee模块，通过ZigBee把信息通过无线收发的方式跟主机保持通讯。一旦从机有线电缆发生故障的时候，如果此时发生火警信息，从机将无法报警，错失火警报警、人员疏散的宝贵时间。该系统使用ZigBee无线模块作为备份的通信系统，即使有线电缆出现故障，也不影响系统的正常监控、报警等状态，使系统通信具有更高的可靠性。其电路实物图如图4所示。

图4 ZigBee模块实物图

3 智慧城市感知消防系统的软件设计

本文研究的智慧城市消防感知系统设计的软件部分采用C语言结构进行编写。

C语言编写的程序结构清晰、条例明确。通过WAVE仿真器上位机程序编译连接可以自动生成用于烧写于单片机的.BIN文件。而且通过编译可以自动分配数据区和程序区的地址。

系统模型主机需要通信的对象如图5所示。

图5 系统主机模型通信对象

图5中，从机、数据存储模块、GSM模块都有一块MCU控制着各个模块的运行，与此同时带来的好处就是，主机只需要与各个模块上的处理器通信，再由各模块上的处理器实现各自模块对应的功能。从图5中看，主机与从机阵列中各个从机通信的内容除了地址码不相同外，其他的通信内容都是一样的，主机与数据存储模块通信有着特定的内容与格式定义。数据存储模块上的处理器分别与主机、上位机、GSM通信，本次研究的系统模型中加入了中间存储模块，也就是图5中的数据存储模块，主要是为了能让上位机能访问系统数据同时的又不让主机运行阻塞，主机只需要按一定格式把收集到的数据发送到数据存储模块中，然后让上位机独自访问获取数据[12-13]。

本系统模型有线电缆通信链路具有自动故障识别的算法，并为该算法定义了通信协议。该协议是有电路模块和程序共同完成，其中协议每帧数据长度确定共35位。第1位：探头/模块表示位，探头为0，模块为1；第2～9位：地址段，高位在前，低位在后；第10～17位：命令段，高位在前，低位在后，具体命令见下面的软件细则；第18～25位：第一个反馈段；第26～33位：第二个反馈段；第34位：特殊识别位；第35位：停止位。

主机与探测点从机通信过程如图6所示。数据模块程序流程图如图7所示。

图6 主机通信过程

4 智慧城市感知消防系统主要测试

根据从机上的功能及其模块，对各个从机系统进行了测试。分别给从机一个感温信号或感烟信号，具体实现方法是：先用一个高温物体，如打着火机靠近温度传感器，观察从机的红色报警灯是否亮起，主机是否作出相应的响应；然后用能产生烟雾的物体，如蚊香，靠近烟雾传感器，观察从机的红色报警灯是否亮起，主机是否作出相应的响应；按下从机的一键报警按钮，同样观察从机的红色报警灯是否亮起，主机是否作出相应的响应；断开从机与主机通信线路，查看主机是否在标准时间下报故障信号。在每次测试的情况下，同时计时从机和主机响应的时间，对比GB4715-2005《点型感烟火灾 探 测器》、GB4716-2005《点型感温火灾探测器》等标准，测试其响应时间是否符合标准。其主机、从机响应状态如图8、9所示。

图7 数据模块程序流程图

图8 感温感烟传感器实物图及响应

5 结论

本文提出使用485总线的有线通信和ZigBee技术实现智慧城市感知消防系统的双备份通信。因此，本文研究的智慧城市感知消防系统，能第一时间发现火警、第一时间通过无线的GSM或者有线的通讯线告知警示，并手动或者联动地启动相关设备进行灭火和疏散相关人员，能应用于一般的公众场所，如酒店，展览厅，舞会，学校等等。在设计时，是在实用可行的基础上进行考虑的，因此本系统可以用于多种场合。

图9 从机接收到烟雾信号后红色报警灯亮起及主机作出响应

［1］GB16806-2006.国家消防联动控制系统［S］.

［2］GB4715-2005.点型感烟火灾探测器［S］.

［3］GB4716-2005.点型感温火灾探测器［S］.

［4］GB4717-2005.火灾报警控制器［S］.

［5］GB19880-2005.手动火灾报警按钮［S］.

［6］GB14003-2005.线型光束感烟火灾探测器［S］.

［7］GB16280-2005.线型感温火灾探测器［S］.

［8］深圳赋安安全系统有限公司.火灾产品设计手册V4［Z］.2008.

［9］陆荣峰.智能数码广播系统的研究和开发［D］.合肥：合肥工业大学，2006.

［10］潘新民.微型计算机控制技术［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［11］李玮，赵江，刘建业.一种实用的单片机控制的数字式调速系统［J］.吉林化工学院学报，2002，6（2）：35-37.

［12］胡跃明，戚浩峰，王建.基于遗传算法的P-F-PI控制器在机器人手臂定位控制中的应用［J］.控制理论与应用，2000，17（5）：716-720.

［13］孟帅.消防广播远程控制系统的研究及消防电话的系统集成［D］.成都：电子科技大学，2003.

Smart City-Based Perception of the Fire Control System Design

ZHONG Jun-liu1，ZHENG Chun-fang2，ZHANG Yong-liang1
（1.Guangdong Jidian Polytechnic，Guangzhou510515，China；2.Guangzhou Maritime Institute，Guangzhou510725，China）

This paper describes the perception-based smart city fire control system design software platform，proposes a dual backup communications technology using RS-485 communications and WSN(wireless sensor networks)networks ZigBee technology，so the system model has both wired and wireless networking capabilities dual backup，which makes system communication with a certain redundancy，increasing the reliability of communication.Finally the experiment and build a simulation model to verify the feasibility of proposed technical solutions for the future intelligent perception fire system design provides a technical reference.

smart city；perception of fire protection systems；networking technology；system model

TP311

A

1009－9492(2014)02－0061－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.018

钟君柳，男，1981年生，广东廉江人，硕士研究生，工程师。研究领域：智能控制与模式识别技术.。已发表论文4篇。

(编辑：向 飞)

2013－07－06