无线通信技术在火灾自动报警系统中的应用

常瑞莉

（青海建筑职业技术学院 青海省西宁市 810012）

随着建筑行业的不断发展，大众对于消防安全的重视程度越来越高，火灾自动报警系统的应用受到广泛关注，无线通信技术与其结合能够完善系统的信息传递功能，将系统自动报警的速度和质量最大化提高。无线通信技术主要被应用于此类系统中的报警探测器与报警信号传输。

1 无线通信技术在火灾自动报警系统中的应用方式

1.1 报警探测器

无线通信技术在时代发展中逐渐成为了主流技术，其被广泛应用于多个领域，经过反复实践后发现该技术在消防预警中的火灾自动报警系统中具有重大应用意义，与传统的探测器相比，无线探测器通常为了降低自身的能耗选择电池供电，其平时保持休眠状态，在固定时间利用定时器的功能进行唤醒实施自检，完成自检工作后再次休眠以降低能耗。当实际环境中具有火灾特征且已经达到了设定的报警值时，探测器可以快速地自我唤醒，利用无线网络将报警信号发出。当探测器出现故障或电量过低时也可以自我唤醒将故障信息与低电压的数据以无线信号的形式传递给工作人员。

1.2 报警信号传输

无线网络中，报警信号通常采用的传输方式为自组织类型的多跳传输。无线报警信号容易受到消防场所的面积以及当地信号干扰的影响，因此为了保证无线信号传输的稳定与清晰，应当增加适量路由节点与中继节点，通过节点的增加以确保能够稳定且及时地进行信号传输。当报警控制器接收到信号时需要立刻确认火警情况，确认无误后将确认信号发送出去，利用无线网络将火灾区域设置的声光报警器启动，同时启动消防广播，控制灭火设备进行初步灭火。信号的传输不仅体现在火警信息的传递上，还可以体现探测器的运行状况，当探测器新增时，其位置信息都将被信号传输至控制器中。除此之外，拥有IPv6 功能的控制器能够直连智慧城市的系统，将火警的各方面信息通过无线网络传输至公共安全的信息平台[1]。

2 在火灾自动报警系统中应用的无线通信具体技术

当前无线类型的火灾报警系统除了要满足传统系统的通用要求之外，还需要注意以下要求：供电系统必须要同时具备交流供电与直流供电两种类型的机制以保证该系统能够在火灾中拥有一段稳定的工作时间。其测试程序必须要方便快捷，合理的测试系统能够对系统的状态以及备用电池进行及时的检查。限定区域中不仅需要保证无线发射器有充足的数量，还需要保证其与主机之间的通信稳定。无线信号的发射与接收信号的装置中必须设置应答机制，信号发射端能够将传感器传输的信号反复发送直至接收端确认收到。多级传输结构之中应当设置多路径传输，即便其中一个路径遭到破坏或出现故障，信号终端也能够从备用路径中获取发射端传输的信号。

2.1 无线传感器网络

无线传感器网络使用的最早时间为20世纪70年代，使用者是美国军方。当时美国军方通过无线传感器搜集战场信息进行情报分析。随着无线通信技术不断进步，微处理器也获得了较快的发展，无线传感器类型的网络在社会上的应用越来越广泛，无论是工业监控、医疗健康还是交通管理、智慧城市，都存在使用此类网络的情况，其为大众的生活带来了诸多便利。无线传感器类型的网络实际上是信息获取平台，其通过大量的传感器采集信息，该网络中应用的传感器具有智能化、高效率、成本低且型号微小等特点，在采集数据信息方面拥有突出的优势。通过传感器获取的各类数据信息被多个传感器节点组成的通信传输网络上传到计算机终端，在终端对其进行数据分析和处理。无线传感的规模较大，且其无需基础设施建设，能够完成自组织，在网络中设置节点的成本较低，无论是体积还是耗能都较小，大多数的节点都较为固定地散落于被监测的区域之中[2]。

2.2 短距离无线通信

2.2.1 低功耗蓝牙技术

低功耗蓝牙技术简称BLE 技术，其相较于传统的蓝牙技术而言能耗较低，蓝牙技术联盟在2010年将蓝牙4.0 版本发布，从此以后实现了传统的蓝牙设备与BLE 设备的兼容，为BLE 争取到了更加广阔的应用空间。BLE 的优势较多，其功耗低，以BLE 协议为基础的CC2640 芯片在收发数据时使用的峰值电量仅为6mA，当其处于待机状态时消耗的电量仅为1.1μA。其能够快速建立连接。BLE 模块从打开到成功建立连接耗费的时间仅为3ms，同时其能够保持以毫秒计算的传输速度将认可完成的数据成功传递后实现连接的立即关闭。当火灾发生时，探测器需要在第一时间进行自我唤醒，其依靠BLE 技术能够实现瞬间唤醒，传递报警信号，通过极短的唤醒时间保证信号传输的及时性。BLE 技术具有较强的安全性，其使用循环冗余（CRC）校验方式来避免通信渠道上发生信号错误。CRC 对于错误的侦听能力受其校验长度影响，BLE 为其提供24 位CRC 校验将其侦听错误的能力最大化发挥。一般应用自动报警系统的环境中都具有无线电干扰。而完善的校验技术则可以确保处于干扰环境中的封包具有稳定度。BLE 技术的组网能力较强，其支持的网络结构有两种，一种是星型，另一种是网型。一个BLE 网络中能够支持32000 个节点，而其中应用的mesh 协议网络模式简单且非常容易实现，路由节点不需要固定。BLE 技术拥有室内较远的传输距离。其传输距离最远可以达到100 米以上。

2.2.2 ZigBee 技术

ZigBee 技术是当前运用效果最好的无线网络技术。其能够实现近距离的信号传输，运用的复杂度较低，不需要耗费大量功率与速率，同时其应用的成本较低。该技术主要针对组网、安全以及软件应用，适用于大多数不需要承载大量数据流量的业务。ZigBee 技术的物理层、介质访问控制层以及数据链路层都是在IEEE802.15.4 协议标准的基础上完善的，通过拓展协议标准获得了更好的应用。该技术的网络层以及应用层等应用规范都需要由ZigBee 联盟制定。ZigBee 技术具有较多的优势，其功耗低，以ZigBee 技术为基础的CC2530 芯片在收发数据时使用的电量低于30mA，当其处于待机状态时消耗的电量仅为1μA。与BLE 技术相比，ZigBee 技术在待机睡眠时消耗的电量没有明显的差距，但在收发数据时消耗的电量较高，但与其他技术相比，ZigBee 技术的能耗控制已经处于较高的水平。建立连接的速度也是如此，ZigBee 技术接入网络的时间为30ms，在同类技术中处在较高水平，但与BLE 技术相比稍显逊色。ZigBee 技术与BLE 技术一样具有较强的安全性，其同样使用循环冗余（CRC）校验方式来避免通信渠道上发生信号错误[3]。并且ZigBee 技术还提供了应用128 位高级加密标准算法的软件以确保安全性，将IEEE802.15.4 中的所有安全元素集成。为了确保其灵活性，对简单的器件设备表示支持，ZigBee 技术推出了三级安全的模式，从无安全设定到加强接入控制清单避免非法获取数据情况的发生，还包括了以高级加密标准为基础的对称密码，通过灵活性确保使用ZigBee 技术的安全。ZigBee 技术的组网能力较强。

IEEE802.15.4 中的ZigBee 协议对其适用的网络拓扑结构进行了明确，除了星形结构与网状结构之外，ZigBee 技术还支持簇状结构。一个ZigBee 网络中理论上能够支持65535 个节点，将整个传感器网络覆盖。ZigBee网络中应用了全功能设备以及精简功能设备，其中全功能设备在数据传输与网络管理上具有全方面的功能，非常适合协调火灾自动报警的网络和路由节点。ZigBee 技术的传输距离也能够符合火灾自动报警系统对于设置探测器的要求。

2.2.3 其他技术

除了以上两种无线技术之外，还有多种无线通信技术存在并有一定的应用价值，其中Z-Wave、LoRa、Wi-Fi 技术是当前应用较多的技术。Z-Wave 最早由Zensys 推出，Z-Wave 的无线协议中不使用2.4GHz 频段而是使用美国908MHz 频段或欧洲868MHz 频段，频段的不冲突为其带来了强大的抗信号干扰，但由于难以被国内的软件和硬件支持，因此其普及程度较低。并且一个Z-Wave 网络中能够容纳的最多节点仅为232 个，对于依靠大量探测器进行工作的火灾自动报警系统而言容量严重不足。LoRa 是超远距离传输的协议，其主要应用扩频技术，该无线协议中使用的频段大多全球免费，主要包括433MHz、470MHz、868MHz 以及、915MHz 等。其最大的优势在于远距离传输，传输的距离在2km-5km 之间，其缺点也较为明显，此协议仅支持星型网络结构，必须依靠网关进行节点信息的收集，才能够将数据输送到计算机终端，因此必须要做好基础设施建设，建造信号塔，建设工业基站，还需要新建便携式的网关，对于火灾自动报警系统而言投入较大。Wi-Fi 是当下标准性较强的无线局域网，其大多使用的频段为2.4GHz 或5GHz 的射频频段，所有短距离类型中其具备的传输速率最高，传输的距离最远，但其相应的能耗较高，对于运用电池的传感器而言实用价值不高，并不适用于长期待机的报警探测器。并且其与LoRa 具有同样的缺陷，都只适用于星型网络结构，传输节点的通信必须依靠中枢路由，一旦中枢路由产生了运行故障，则整个报警网络都将面临瘫痪的风险[4]。

3 在火灾自动报警系统中应用无线通信技术的注意事项

3.1 进行信号测试

无论是Zigbee 还是BLE 使用的频段都是2.4GHz，其作为世界公用无线频段被大量使用于无线产品之中，而此类设备中的无线信号会干扰无线类型的火灾报警系统，影响其使用效果。因此需要对具有安装需求的场所进行信号测试，测试的主要目的是查看建筑内无线信号的传输性能，明确各个探测器点位实际具备的信号强度以及其对于无线信号的干扰强度，了解各个强度后依照建筑内部结构对各个无线探测装置体现的信号强度与信号范围进行调整。其中厚度较大的承重墙周围此类信号干扰严重的区域应当做好增加探测器的准备，通过采取提高探测器的设置密度或中继节点的数量等措施加强区域内的信号强度，还可以拒绝强信号干扰的设备进场以避免信号传输受到影响[5]。

3.2 落实网络维护

无线类型的火灾自动报警系统在安装结束之后，应该要确保全部探测器节点与路由节点、中继节点保持良好的信号，一旦出现探测器故障或进行探测器的新增设置时需要重新实施通信测试，保证剩余的探测器处于正常通信状态。发现路由节点出现故障或中继节点有问题时，需要明确探测器的失联情况，了解其失联数量以及失联的具体区域，以最快的速度将故障的节点更换。如果是由于电量过低发出的警报则需要指派工作人员对警报的探测器进行电池的更换。

3.3 明确应用范围

在应用各种无线通信技术时需要明确其应用范围。Zigbee 网络中为了保证路由节点具有稳定性，路由节点无法休眠，并且需要实施常规供电，同时其安装的位置也不能随意改变。因此基于Zigbee网络的报警系统适用于探测器较多且位置较为固定的现实场所，例如各种大型的建筑群或面积较大的商业服务网点。而BLE 中的mesh 网络大多以泛洪的方法控制数据包，方便加入BLE 网络节点，也使其退出较为简单，但扩大网络规模之后，BLE 节点产生的能耗随之增加，因此以BLE 为基础的无线自动报警系统的适用范围是较小的空间，并且该空间相对封闭，例如个人房产、档案中心等地点。

4 结论

无线类型的火灾自动报警系统相较于传统的系统而言更加灵活，随着建筑智能化的发展，无线报警系统更适合与其结合共同构建智慧消防。实际应用无线报警系统时需要考虑现实场景的情况，根据不同的场景和用户的具体需求选择合适的通信协议和无线通信技术，将其技术特性全面、有效地发挥出来。