无线通信技术在火灾自动报警系统中的应用

孔颉

（芜湖市消防救援支队经济技术开发区大队 安徽省芜湖市 241000）

1 前言

火灾自动报警系统是通过火灾探测器探测火灾早期特征，在报警区域发出声光信号，为人员疏散逃生、阻止火灾蔓延以及启动自动灭火设备提供控制与指示的消防系统。火灾自动报警系统在我国发展了近40年，目前普遍应用的系统连接方式是二总线方式，采用铜芯电缆穿管将火灾探测器、声光报警器、报警控制器以及其他联动设备连接在一起。这种火灾自动报警系统用于布线的材料费和人工费约占整体工程费用的40%至70%，在系统施工过程中存在大量暗敷和电缆井内布线的情况，线路易受潮、腐蚀、老化，在探测器、报警器发生线路故障时，通常很难找到故障点，后期对系统的维护保养费时费力。同时，在实际应用中，当需要大量增加探测器时，传统的总线结构受制于总线和各回路容量限制，可用空余点位数量有限，如果新增回路，又面临着重新布线的困难，整体系统的拓展性差。有线火灾自动报警系统存在诸多缺陷，已经越来越难以满足实际应用需求，而无线通信技术的成熟和普及为解决这些问题提供了有力的手段。

2 无线传感器网络与短距离无线通信技术

2.1 无线传感器网络

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN），最早的使用记录来源于上世纪70年代的美国军方，越战中的美军通过在战场上散布分布式传感器感知战场情况，进行情报分析。近年来，随着微处理器、嵌入式技术和无线通信技术的发展，无线传感器网络也获得了长足的发展，已经广泛应用于工业监控、交通管理、医疗健康、智能工业、环境保护、灾害预测和智慧城市等多个领域，逐步深入到人们生活的各个方面，作为一种新型信息获取平台，无线传感器网络通过大量微型、智能、高效、廉价的传感器对环境和探测对象进行实时监测、感知、采集信息，采集到的数据信息将通过其他传感器节点构成的传输网路，利用无线通信技术传输到终端计算机进行处理分析，以实现“物理世界-计算机-人”的三元交互。无线传感网络是一种大规模、自组织、多跳、无基础设施支持的无线网络，网络中节点要求成本低，体积和耗电量小，大部分节点不移动，散布在监测区域内，要求网络具有尽可能长的工作时间和使用寿命[1]。

2.2 短距离无线通信技术

短距离无线通信技术是无线传感器网络的重要支撑技术，目的在于解决近距离节点之间的连通问题，支持动态组网，灵活地实现与上层网络的信息交互。低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势[2]。

2.2.1 Zigbee 技术和低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy, BLE)技术

图2：BLE 网络结构

Zigbee 又叫紫蜂，是基于蜜蜂相互间联系的方式而研发生成的一项应用于互联网通信的网络技术，于2004年由Zigbee 联盟发布，目前已经广泛应用于物联网产业链中的M2M 行业。

而BLE 技术与传统蓝牙技术不同，它是在诺基亚wibree 标准上发展而来的一种低能耗无线连接标准，从2010年蓝牙技术联盟(SIG)发布蓝牙4.0 开始，传统蓝牙设备和BLE 设备开始相互兼容，BLE 也得到了更广泛的应用。

Zigbee 和BLE 同属IEEE 802.15 系列WPAN(Wireless Personal Area Networks)无线通信规范标准，该系列标准主要特点是短距离、低功耗、低成本[3]。Zigbee 和BLE 均是使用2.4GHz 频段的无线通信技术，不论是底层协议还是技术特点，都有一定的共同性，下面介绍一下这两者的特点：

（1）功耗低。以主流的TI 公司芯片为例，基于Zigbee 协议的CC2530 芯片，收发模式功耗不足30mA，睡眠模式功耗1μA，而基于BLE 协议的CC2640 芯片，收发数据的峰值电量为6mA，待机电量仅1.1μA，由于能耗低，采用Zigbee 和BLE 技术的无线火灾探测器可依靠普通电池运作数年之久。

（2）建立连接快速。Zigbee 设备加入网络仅需要30ms，从休眠到激活的延迟是15ms，而BLE 模块打开到建立连接只需要短短的3ms，同时能以数毫秒的传输速度完成经认可的数据传递后立即关闭连接。在发生火灾时，无线探测器需要第一时间唤醒网络，并将报警信号传递至报警控制器，超短的响应时间能确保信号发送的及时性。

（3）安全性好。ZigBee 和BLE 都是使用CRC 校验（循环冗余校验）以防止通信渠道上的错误，CRC 侦听错误的能力取决于它的校验长度，ZigBee 采用16 位的CRC 校验码，而BLE 提供了一个更高的24 位的CRC 校验用以侦听错误。在火灾自动报警系统应用的场所，通常存在一定的无线电干扰，良好的校验技术能确保所有封包在受干扰时的最大稳定度。

表1：常见短距离无线通信技术对比

图3：无线火灾自动报警系统体系结构

图4：无线火灾报警探测器结构

（4）组网能力强大。Zigbee 支持星型、树型、网型三种网络拓扑结构，一个Zigbee 网络最多可以容纳65000 个节点，Zigbee网络中定义了两种设备：全功能设备（Full Function Device, FFD）和精简功能设备（Reduced Function Device, RFD），FFD 拥有路由发现、消息转发、设定网络参数、管理网络节点等功能，适合作为网络协调器和路由节点，而RFD 能耗和成本更低，适合作为终端节点（图1）。BLE 支持星型和网型两种网络拓扑结构，一个BLE网络最多支持32000 个节点，BLE 的mesh 协议是一种基于网络泛洪的协议，这种mesh 网络模式简单、易于实现，不需要特定的路由节点，缺点是不利于设备的低功耗优化，也不利于节点数目大规模提升（图2）。

（5）传输距离远。Zigbee 拥有10 至100 米的传输距离，BLE最高可达100 米以上的传输距离。配合mesh 组网功能，两者都能充分满足在任意位置布置火灾探测器和报警器的要求。

2.2.2 其他短距离无线通信技术

除了Zigbee 和BLE 技术， Z-Wave、LoRa、Wi-Fi 也是目前较为成熟和被广泛应用的短距无线通讯技术，下面简要介绍分析这三种无线技术的优缺点。

Z-Wave 是2001年由丹麦Zensys 推出的一种无线协议，Z-Wave使用的频段为908MHz(美国)或868MHz(欧洲)，虽然抗干扰能力较强，但在国内的普及度和软硬件支持度上相对较低，同时一个Z-Wave 网络最多仅可容纳232 个节点，对于需要大量探测器节点的火灾自动报警系统来说，容量也较低。

LoRa 是美国Semtech 公司推广的一种1GHz 以下基于扩频技术的超远距离无线传输协议，LoRa 主要使用433、470、868、915MHz 等全球免费频段，LoRa 的主要特点是传输距离远，能达到2km-5km，缺点是网络结构只有星型结构，需要一个网关收集各节点信息，再发送至终端计算机，所以LoRa 在布设过程中，需要新建信号塔、工业基站甚至是便携式网关，相对于室内大面积布点的火灾报警系统，LoRa 更适合室外长距离工业应用。

Wi-Fi 是指基于IEEE 802.11 的标准无线局域网，通常使用2.4G或5G 射频频段，在所有短距离无线通信技术中拥有最高的传输速率和较远的传输距离，但也导致了其能耗较高，所以并不适合需要长时间依靠电池运行的传感器。同LoRa 一样，Wi-Fi 只有星型网络结构，节点只能通过中枢路由互相通信，如果中枢路由发生故障，将导致整个网络瘫痪。

通过表1，我们可以更直观全面地对比上述五种短距离无线通信技术，综合比较可以看出，BLE 和Zigbee 技术在能耗、传输距离、模块成本上拥有巨大优势，特别是两者灵活多变的组网模式，更适合对通信延迟性和网络灵活性要求较高的无线火灾自动报警系统，是目前用于无线火灾探测器通信模块的最佳选择。

3 无线火灾自动报警系统

3.1 系统总体框架

无线火灾自动报警系统与传统火灾自动报警系统最大区别在于报警探测器结构和报警信号传输方式。无线火灾报警探测器一般使用电池供电，为降低能耗，平时处于睡眠状态，依靠定时器定时唤醒自检，自检完成再次睡眠。当环境中的火灾特征达到报警阈值或电池电量不足时，报警探测器能够迅速自我唤醒，发出声、光报警信号，并将火警、低电压、故障等信息通过无线网络发送出去。报警信号在无线网络中采用自组织多跳传输方式传输至火灾报警控制器，根据无线报警系统设置场所的大小和信号干扰，需要在网络中增加一定数量的路由节点（Zigbee）和中继节点（BLE），以确保信号传输的稳定性和及时性。火灾报警控制器在收到报警信号并确认火警后，发送火警确认信号，通过无线网络启动报警区域内的声光报警器和消防广播，并联动控制相关灭火设备启动。火灾报警控制器除了处理火警信息和联动控制相关灭火设备外，还应当具备显示在线探测器数量和位置的功能，当出现探测器失联时及时发出报警信息，新增探测器时，能同步更新探测器位置信息和路由表。具备IPv6功能的路由节点和报警控制器能够直接连接智慧城市系统，及时将火灾信息报送至城市公共安全信息平台，如图3 所示。

3.2 火灾报警探测器设计框架

无线火灾探测器是无线火灾自动报警系统中最重要的元件之一，其工作的灵敏度、信号可靠性和稳定性等技术指标直接影响着整个系统的好坏。一个无线火灾报警探测器的硬件结构应当由五个部分组成（图4），一是传感器模块，包含传感器（温度传感器、烟雾传感器、光强度传感器等）、信号调理电路、模拟数字转换器，传感器模块负责采集报警区域内的火灾信息；二是处理器模块，包括微处理器（MPU）、储存器，处理器模块负责对采集到的数据进行处理、设定火灾报警阈值，达到报警阈值后通过无线通信模块发送报警信息、启动报警模块；三是无线通信模块，包括MAC 层、射频收发器，负责将火灾报警信息通过无线网络发送出去，接受来自报警控制主机或手机APP 上的相关信息；四是报警模块，包括蜂鸣器（独立式火灾探测器）、报警指示灯，负责在确认报警信息后，发出声、光的报警信息；五是电池及电源管理模块，负责给其他四个模块供电，并在电池电量过低时，发出低电量报警。

3.3 应用范围

Zigbee 网络中路由节点（Router）能够储存路由表，可以对网络中的数据进行快速路由选择，这使得Zigbee 网络的延迟较小、节点能耗更低。同时，为了确保路由节点的稳定性，Zigbee 的路由节点是不能进行休眠的，需要对其进行常规供电，其路由节点的安装位置相对固定。所以基于Zigbee 的无线火灾自动报警系统更适合需要布置较多报警探测器且探测器位置相对固定的场所，例如大型楼宇、古建筑群落、商业服务网点群等。

BLE 的mesh 网络使用泛洪方法来路由数据包，这使得BLE 网络节点的加入和退出相对简单，但当网络规模扩大后，BLE 节点的能耗也会相应增加，所以基于BLE 的无线火灾自动报警系统更适合在一个相对封闭的小空间内使用，例如私人住宅、局部应用报警区域、数据中心、档案中心等。同时，BLE 在大多数流行的操作系统平台中都有相关协议栈支持，采用BLE 的火灾报警系统可以轻松的利用智能手机进行直接控制，而无需使用任何网关进行临时连接，也能轻松接入基于蓝牙协议的其他安防监控系统内，成为一个子系统，所以采用BLE 技术的无线火灾报警系统将会在未来智能家居和智能安防市场拥有广阔的前景。

3.4 系统应用注意事项

（1）安装前信号测试。Zigbee 和BLE 使用的均是2.4GHz 频段，这是一个全世界公开通用的无线频段，广泛用于各种无线产品、个人穿戴设备和无线路由器，这些设备都会对火灾自动报警系统的无线信号产生干扰。拟安装无线自动报警系统的场所要提前测试无线电信号在整体建筑内部的传输性能，测试每一个探测器点位的信号强度和无线干扰强度，根据建筑物的结构，调整各个装置的信号强度范围[4]，对较厚的承重墙两侧和可能存在较大信号干扰的区域采取增加局部探测器密度、增加中继节点、避免强干扰设备进场等措施。

（2）安装后网络维护。无线火灾自动报警系统安装完成后，所有探测器节点、路由节点和中继节点之间要能时时保持信号畅通。当新增报警探测器或单个报警探测器故障时，要对整个网络进行通信测试，确保其他探测器仍能够正常通信。当重要的路由节点和中继节点故障时，要立即统计有无探测器失联，以及失联探测器数量和区域，尽快更换故障节点。对于发出低电量信号的探测器，要及时安排维护人员更换探测器电池。

（3）出台相关规范，加强人员培训。目前我国仅于2014年发布了《火灾报警系统无线通信功能通用要求》（XF1151-2014），对无线报警系统的通信功能进行了简单的规定要求。随着无线火灾自动报警技术的日益成熟并逐步推广应用，国家相关主管部门应及时组织开展对无线火灾自动报警系统规范的编撰，严格落实相关产品监督管理工作。对于无线火灾自动报警系统的使用单位，应当加强操作人员的业务培训，使其熟练掌握系统的工作原理、操作规程和维护保养方法，确保整个系统的正常运行。

4 结语

无线火灾自动报警系统极大降低了传统报警系统的布线难度和安装成本，系统的扩展性也更加灵活，是将来消防系统与其他建筑智能系统相结合的纽带，也是智慧消防的基石。在无线火灾自动报警系统的实际安装使用中，由于应用场景的复杂性，决定了没有哪一种网络协议可以适用于所有场景，要根据不同的安装环境、网络结构、信号干扰和用户需求，选择不同的通信协议，以充分发挥其技术特性。在未来很长一段之间之内，包括Zigbee、BLE 在内的多种无线通信标准将会共存，共同推进无线火灾自动报警系统的发展。