基于ZigBee技术的消防设备电源监控系统研究

2014-03-05于江利田海虹司亚超时麟

电源技术 2014年5期

于江利，田海虹，司亚超，时麟

（1.河北建筑工程学院，河北张家口075000；2.中国寰球工程公司华北规划设计院，河北涿州072754；3.河北省城乡规划设计研究院，河北石家庄050000）

对于建筑物来说，消防设备的可靠性是消防安全的重要保证，而消防设备能否正常工作又取决于供电电源的工作状态。基于以上认识，我国在2011年开始实施的国家标准GB25506-2010《消防控制室通用技术要求》中做出了“消防控制室应能显示系统内各消防用电设备的供电电源和备用电源的工作状态和欠压报警信息”的强制性规定。这使消防电源监控系统的广泛应用成为智能建筑的必要之选。

消防电源监控系统的主要功能是对消防设备的电流、电压、开关状态等参数进行实时检测，从而判断电源是否存在断路、短路、过压、欠压、过流以及缺相、错相、过载等状态，并对这些状态进行记录和报警。监控系统应满足可靠性、实时性的要求并具有数字化、智能化、网络化和连续监控的特性，能够实时反映出被监控设备电源的运行状况，从而可有效避免火灾发生时，消防设备由于电源故障而无法正常工作的危急情况，最大限度地保障消防联动系统的可靠性。

1 消防设备电源监控系统的主要组成及功能

消防设备电源监控系统作为消防联动控制系统的必要子系统，主要由电源状态监控中心、中继器、监控模块和数据传输系统组成。

监控中心没有高级语言设计的应用程序和数据库，对所监测的消防设备电源的运行信息、故障信息、位置信息等参数进行跟踪采集、存储、分析，方便用户进行管理和监控；并通过人机交互界面，一方面将消防设备电源的数据进行汇总显示，同时完成管理、查看、报警、打印等任务；另一方面，工作人员可以通过人机交互界面发送远程控制命令至现场，以便更好地实现对设备的控制。

监控模块用于在现场对各种消防设备的电源及设备运行状态进行信息采集，各个监控模块由各种监控传感器，例如电压传感器、电流传感器、电压/电流传感器等组成。本系统设计了三种类型不同的监控模块，可通过选择功能不同的监控模块实现对不同消防设备电源的监控要求。这三种类型分别为：N1模块表示电源监控模块，用于监测电源的电压、电流；N2模块表示剩余电流监控模块，用于监测供电回路的剩余电流值；N3模块兼具以上N1和N2的功能，可以同时监测电源的电压、电流及剩余电流。

数据传输系统没有采用有线数据传输方式，而是结合消防设备数量多、分布点广的基本特点，采用ZigBee数据通讯与3G网络相结合的无线传输方式，从而有效地实现降低布线维护成本和扩大监控范围的目的。

该系统作为一种消防设备电源运行预警保障系统，其功能是对设备的相关电气参数进行实时的监视，并能够实时显示和查看各个消防用电设备供电电源和备用电源的工作状态及相应技术要求。同时，当电源发生过压、欠压、过流、缺相等故障和异常、相关参数不在设定值要求范围内时能发出报警信号，并在系统中指示报警具体部位，记录并保存报警信息，避免火灾发生时消防设备不能正常使用而导致不能有效控制火灾蔓延的情形发生，保证火灾发生时消防设备能可靠地投入工作。

2 ZigBee网络数据传输功能设计

监控系统的数据传输主要由两部分来完成，一部分是底层数据通信部分，主要由ZigBee网络来担当；另一部分是远程数据通信部分，选用3G网络来完成。

ZigBee网络是一种短距离低速无线个城网(一种短距离工业控制网），具有低成本、低功耗、低速率和低复杂度等特点，同时可靠性高、组网简单、方便灵活[1]。ZigBee网络由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和应用层组成。Zigbee协议栈软件采用C语言编写，开发环境采用AVR Studio4.12，硬件平台采用的单片机为Atmega128，射频模块采用CC2430。采用的标准是ZigBee 1.0规范,整个协议栈软件采用单线程，考虑到Atmega128内部RAM只有4 K的空间，因此，各模块之间采用共享缓冲区进行通信。Zigbee协议栈架构如图1所示。

图1 ZigBee协议架构

ZigBee协议栈的核心部分在网络层，其功能是实现网络的管理，主要是传感器节点的加入或离开、路由查找及传送数据等功能。为了实现消防设备电源的有效监控，ZigBee网络在各主要消防用电设备周围设置ZigBee节点，具体分布如表1所示。

ZigBee网络中的每一个节点集无线收发器、微处理器、存储器和用户API于一体，并采用TI公司的CC2430作为核心芯片。由于绝大多数消防设备都是静态的，所以整个网络采用Cluster-Tree拓扑结构来构建。

表1 ZigBee节点分布

Cluster-Tree是一种由网络协调器展开生成的树状网络。整个网络的建立和维护都由协调器进行管理。ZigBee节点的加入和脱离通过用C语言编写的原语请求来实现。具体过程为协调器启动后，当其他普通节点加入时，需将自己的信道设置成与协调器相同的信道，当该节点提供了正确的认证信息后，就可以请求加入网络。当一个节点加入网络后，可以从其父节点得到自已的短MAC地址、网络地址和相应的拓扑参数；而当一个节点要离开网络时，向父节点或协调器提出请求即可。

ZigBee网络路由依照Cluster-Tree结构进行设计和选择，整个结构设置两种节点，分别为FFD结点和RFD结点。FFD节点是全功能节点，具有数据转发功能，因此可担当左右子树结点，数据的传输方向也是双向的，即可以向下传至子结点，向上传至父结点，其路由选择的方法就是直接根据Cluster-Tree算法进行转发数据包，而RFD节点不具备数据转发功能，所以只能在树状结构中担任叶子点，数据转发方式也相应单一，即接收到数据包回复ACK后，把数据交至父节点，请其转让。