无线智能火灾自动报警系统设计

李子涵

（宁波效实中学，宁波 315010）

1 引言

目前，传统的火灾报警系统大多需要在布放场所架设线路，灵活度低，不具备智能性的自动报警功能，并且由于线路架设的局限性并不能在森林和牧场等大范围区域铺设[1]。因此，当前急需开发出一种高灵敏度、较强灵活性、施工维护简单且后期维护成本低的无线智能火灾自动报警系统。

随着现代无线通信技术和无线传感器网络技术的发展，将传统火灾报警系统与无线通信技术和无线传感器技术相结合能够很好地解决传统火灾报警系统自身存在的问题，拓展火灾自动报警系统的空间灵活度与智能性，从而形成一种无线智能火灾自动报警系统[2]。该系统能够在大空间尺度、全方位地对火灾防护区域进行全天候监控，并及时将火灾信息通过特定分析方式进行处理并在火灾发生初期进行报警，同时也可直接控制灭火联动设施对火灾进行预灭火处理。

2 总体设计方案

无线智能火灾自动报警系统的应用场景主要包括居民小区、商业建筑和森林保护区等。整个系统需要实现节点火情信息采集、节点间无线通信和集中式火情信息处理。整个无线智能火灾自动报警系统的结构分为2层。第一层为基于总线的节点内部控制网络，其主要功能是完成各个节点处的火情信息采集与集中。第二层为基于无线通信的整体控制系统，实现各个节点和系统控制器间的无线通信及对火情信息的智能分析。

图1 无线智能火灾自动报警系统整体架构

图1中的无线智能火灾自动报警系统主要由终端火灾信息采集装置、分布式无线通信节点、联动控制装置和集中式中央火情处理器和PC端组成。终端火灾信息采集装置主要由于例如气体探测器和火焰探测器等火灾信息探测器及手动火灾报警器等设备组成，其实现火情信息的实时收集并感知外界环境。分布式无线通信控制节点实现各个通信控制各节点与集中式中央火情处理器之间的信息无线传输。集中式中央火情处理器将各个探测节点的信息进行集中式的处理转换与数据分析，通过预先设定的算法得出火情信息，向PC端及各种火灾防护联动控制装置发出对应控制信号。

3 分布式无线通信节点设计

3.1 分布式无线通信节点设计需求

在无线智能火灾自动报警系统中无线通信有着十分显著的特点，在具体设计时应该根据其具体需求来选择合适的无线通信技术。

（1）实时性。火灾报警系统需要对监控区域内的火情迅速响应，整个无线通信系统需要快速的对火情信息进行传递，从而保证整个系统的高灵敏度。

（2）数据量较少。整个报警系统需要传递的信息主要为终端火灾信息采集装置所采集到的火情信息和控制信号，这些数据大部分为数字量，所以整个系统内的需要传输的数据量相对较小。

（3）低能耗。由于整个无线系统架设条件可能受到限制，无线通信节点不能直接连接上电能系统，只能靠其内部的电源对其进行供电。所以无线通信节点的设计需要做到低能耗，从而保障节点的工作寿命。

针对整个火灾自动报警系统各个无线节点传输距离短，信息传输量少，传输速率要求不高等特点，选用ZigBee技术作为整个无线火灾自动报警系统的无线通信手段。运用ZigBee技术实现整个火灾自动报警系统的无线通信，拓展整个系统的空间灵活度。

3.2 ZigBee技术

ZigBee无线通信技术是21世纪初出现的一种新型的无线通信技术，其工作在全球流行的2.4GHz的频段，最高的传输速率可达到250kb/s。其具有低功耗、低成本、反应迅速、安全可靠等特点[2]。在功耗方面，由于其自身的传输速率较低，发射功率只有1mW左右，且在其不发送数据时会进入休眠状态能进一步减少了整个设备的损耗。其休眠激活延时及传输延时都处于毫秒级，非常适用于实时性要求高的无线控制系统。

在工程中常用的ZigBee网络拓扑有星型结构和混合式结构2种，星型结构组网较为简单，各个节点设备只能与协调器之间进行通信，属于一种集中式分布网络，适用于覆盖范围较小的无线网络。混合式结构可以实现无线网络的大规模覆盖，可靠性高但同时存在成本较高的缺点。在无线智能火灾自动报警系统中可根据具体应用场景选择适用的拓扑结构，居民小区和商业建筑等场所监控范围相对较小可选用星型结构，森林等区域应选用覆盖范围更广的混合式结构。

4 节点内部控制网络设计

通过节点内部控制网络实时监控整个火灾防护区域与火情相关的信息，对整个区域的情况进行实时感知。节点内部网络通过火灾信息采集装置采集火情相关信息，通过内部通信网络将这些信息传输到分布式无线通信节点。

4.1 火灾信息采集装置

火灾信息采集装置主要是采集发生火灾时的物理特征值信息，其中包括火灾初期产生的大量烟雾，剧烈燃烧时所产生的大量热量、热辐射和声音等。分析应用场合普遍可燃物在火灾发生时燃烧的物理化学特点，可以得出所需信息采集器的类型分类。火灾发生时会发生物质的转换，产生可燃气体、燃烧气体等气体类产物和烟雾颗粒、气溶胶等固体产物。可以通过布置气体探测器、感烟探测器和静电探测器等探测这些物质，从而采集火灾信息。火灾发生时也会发生能量的转换，可燃物剧烈燃烧时伴随着温度的升高，火焰光和燃烧音的产生。通过感温传感器、火焰传感器和声音探测器可以分别采集监控现场的对应信息。通过多种类火灾信息采集装置信息融合的方式提高信息的维度，在集中式中央火情处理器中通过智能算法实现火情的准确分析与预警，提高整个系统的智能性与准确性。

4.2 内部通信方式设计

各终端火灾信息采集装置收集的信息需要传递到分布式无线通信节点进行集中汇总，需要实现终端火灾信息采集装置与无线通信节点之间的通信。由于各个节点内的终端火灾信息采集装置离节点距离一般不长，甚至会对这些装置与无线节点进行集成，所以选用有线的通信方式。

二总线是消防系统中常用的现场总线，其将供电线路与信号线路合二为一，减少了总线的数量，降低了施工的难度和成本，同时可实现自动同步的编码通信，其通信距离远，2000m左右距离传输数据无需中继器。结合内部通信方式设计的需求，选用二总线作为内部通信方式。

5 火灾信息处理系统算法

火灾时间随机性强，引起火灾的原因类型多且可燃物种类众多，这些因素都具有不确定性，所以适当且智能的火灾信息处理算法对整套智能火灾自动报警尤为重要，是整个火灾报警系统的心脏。

目前使用最多的火灾信息处理算法是阈值比较法，这种算法将火灾信息采集装置采集到的信息，如烟雾、气体、温度和火焰等信息，通过与预设定的阈值进行比较，若火情信息信号值超过阈值则判定火灾发生。该方法具有原理、逻辑及电路设计简单等优点，但是由于其不具有智能型和冗余性，很容易造成误报，很难准确区分环境因素误报和真实火灾，局限性相对较大。随着人工智能与非线性智能算法的发展，将智能算法引入火灾自动报警系统中形成智能的火灾自动报警系统已是当下的趋势[4]。智能算法例如神经网络算法具有自我学习能力，使其具有智能性减少了外界噪声对其的干扰。采用人工神经网络算法对火灾信息进行处理，该算法对所有火灾信息采集装置采集到的信息进行整体的并行处理，使其具有高容错率，反应速度快，整个系统可靠性高。

6 结束语

该无线智能火灾自动报警系统采用ZigBee无线通信技术和人工神经网络算法，实现了多场所的无线智能火灾实时监控，具有可靠性高、智能性强和拓展性高等特点。使用总线加无线的系统网络架构解决了传统火灾报警系统有线通信线路布线复杂、可维护性差等问题，扩大了整个火灾报警系统的覆盖范围。采用非线性智能算法和多传感器融合监控，使整个系统响应速度快、实时性强、可靠性高，有效提高了报警速度与准确性。

[1] 贾明海，王海祥.火灾自动报警技术的应用现状及其发展趋势[J].中国科技信息，2006（9）：207-208.

[2] 赵明.基于ZigBee的无线楼宇火灾监测网络设计[D].华中科技大学，2008.

[3] 李皓.基于ZigBee的无线网络技术及应用[J].信息技术，2008，32（1）：12-14.

[4] 魏海坤.神经网络结构设计的理论与方法[M].北京：国防工业出版社，2005.