火灾自动报警系统通信技术

2024-06-24张卓

科技资讯 2024年7期

张卓

摘要：通信技术是火灾自动报警系统完成信号传输、确认及响应的基础，并通过回顾火灾自动报警系统的发展历史，展现了其通信方式的变革过程及各种通信方式的特点。进而给出一个火灾自动报警系统的典型通信方案，通过对其进行分析，提出通信兼容性、通信距离等在工程设计中存在的不足，并探讨了解决措施。最后探讨了火灾自动报警系统通信技术的发展方向。

关键词：火灾自动报警系统通信总线工程设计

中图分类号：TN914

Communication Technology for the Automatic Fire Alarm System

ZHANG Zhuo

（CNOOC Petrochemical Engineering Co.， Ltd.， Jinan， Shandong Province， 250001 China）

Abstract： Communication technology is the foundation for the automatic fire alarm system to complete signal transmission， confirmation and response. This article reviews the development history of the automatic fire alarm system， demonstrating the transformation process of its communication methods and the characteristics of various communication methods. Then， it provides a typical communication scheme of the automatic fire alarm system， puts forward the shortcomings of communication compatibility and communication distance in engineering design through the analysis of the scheme， and discusses solutions. Finally， it discusses the development direction of the communication technology of the automatic fire alarm system.

Key Words： Automatic fire alarm system; Communication; Bus; Engineering design

火灾自动报警系统是综合利用传感、通信、自动控制和信息处理等技术，实现火灾自动探测、报警、灭火及记录的一体化平台，是消防设施的重要组成部分。新材料、微电子、AI和IOT等新技术甫一提出，便开始对火灾自动报警系统进行改进，推动其更新换代。

火灾自动报警系统的各项功能是在可靠通信的前提下实现的，硬件接口和通信协议是通信的基础[1]。

1 火灾自动报警系统发展历程

火灾自动报警系统的提出可追溯到百余年前。这期间，随着消防理念的进步以及新技术的问世、发展和成熟，火灾自动报警系统也蓬勃发展起来，其发展过程历经了以下几个阶段[2]。

第一阶段从19世纪40年代至20世纪40年代，这一阶段系统主要为简单的分立器件，借助于一些材料对于温度的敏感，研发了高温时可发出报警的探测器。

第二阶段从20世纪40年代至20世纪80年代，离子式感烟探测器与光电式感烟探测器相继研制成功，以其高灵敏度与响应迅速的优点，其一经问世便获得广泛关注，至今仍为主要的探测器类型之一。这一阶段的探测器一般采用阈值比较算法，将当前的探测量与设定值进行比较，当探测值大时，开关电路动作。系统通信采用多线制拓扑结构，每个探测器发出的开关量报警信号通过单拉电缆传送至火灾自动报警控制器。

第三阶段从20世纪80年代至今，微电子和数字电路技术的应用使得多个探测器可以通过同一条总线与火灾自动报警控制器连接，降低了布线工程量。部分硬件电路功能由软件实现，提高了系统的灵活性与可靠性，减小了安装和调试的难度。

现如今，在总线制系统基础上，分布智能型系统开始出现。探测器自身具备了一定的运算能力，前端探测器对采集到的传感信号进行初步分析后，再将运算结果传送至火灾自动报警控制器进行进一步复杂处理。

2 典型火灾自动报警系统通信技术

如今的火灾自动报警系统大致可分为上、中、下三层[3]，典型的网络拓扑如图1所示。

2.1 上层通信网

上层通信网是连接消防指挥系统与区域火灾自动报警控制器的通信网络，呈现星型拓扑结构。由于消防指挥中心与用户之间一般距离较远，因此一般采用光纤网、电话网和无线通信。

由于火灾自动报警系统的设置范围一般较大，且可能存在电磁干扰等不利环境，因此可考虑采用光纤通信的方式提高通信可靠性与安全性。火灾自动报警控制器采用各类光纤收发器将TCP/IP、Modbus和CANbus等协议的数据包电信号转换为光信号，通过光缆进行传递。消防指挥系统采用同样的光纤收发器进行光电转换，并通过交换机或通信模块完成信号收发。

虽然光纤通信的成本已显著降低，但依然需要依托已有光纤通信基础设施或专门建设光纤通信网。由于电话网已获得广泛普及，因而在资金投入有限的情况下，在消防指挥系统和火灾自动报警控制器中安装调制解调设备，利用现有电话网作为传输链路是经济有效的方案，其缺点是带宽低和实时性较差。

当在局部小范围无法新建或利旧已有通信线路时，便只能通过各种无线技术实现信号传输。在消防指挥系统和火灾自动报警控制器中安装无线通信模块，通过申请到的频率或GPRS网络服务建立无线链路后即可进行通信。虽然无线通信组网方便，但易受干扰，稳定性和安全性存在隐患。

2.2 中层通信网

中层通信网指火灾自动报警控制器之间、火灾自动报警控制器和回路卡之间、火灾自动报警控制器和某些火警设备之间的通信链路。

由于联网方式需求的多样性，目前火灾自动报警控制器多通过各类通信卡进行组网通信。通信卡通过接口与主板连接，当需要不同的通信方式时，只需选择对应类别的通信卡即可，并可通过各类通信转换卡实现通信方式的中转。通信卡与主板之间通信可以采用并行总线，如VESA；也可采用串行总线，如RS232。通信卡间的通信协议十分丰富，既有串行总线，也有TCP＼IP协议，既可采用电信号，也可以采用光信号。由于火灾自动报警网络拓扑结构多样、节点间距远，因此可以采用通信转换卡实现各类通信协议的转换和光电转换，达到灵活组网的目的。

回路卡与主板之间的通信和通信卡与主板之间的通信类似，可采用VESA等并行总线，也可采用IIC等串行总线。火灾显示盘等火警设备与主板之间的通信一般采用串行总线，如RS485。

2.3 底层通信网

底层通信网是回路卡与探测器、手动报警按钮或声光报警器等设备之间的通信链路。

系统中要想使用总线的设备应首先发出使用申请，回路卡完成下一个传输周期总线使用权的指派，获得使用权的设备发出存储器地址或I/O端口以建立通信链路，最后通信完成后让出总线。底层通信网常见的通信方式可分为以下3种。

2.3.1 专用回路通信

专用回路一般采用双绞线作为物理传输介质，通信协议可使用Modbus或Canbus等，但由于现行的标准、规范中没有通信协议或通信接口的相关内容，因而厂家通常使用私有的总线协议，其拓扑结构、协议内容及信号处理方式均不相同，无法相互兼容，形成多种协议并存的局面。因此，很多设备的通信依然采用开关量信号，通过输入模块、输出模块实现信号转换。

2.3.2 低压电力载波通信

低压电力载波通信无须额外的通信链路，通过调制解调、小信号检测等技术，可在供电的同时实现信号传输。火灾自动报警设备可以就近接入低压电网，利用电力线作为供电和通信介质，节省了布线成本。低压电力载波通信对低压电网的电磁兼容性要求较高，因此目前此种通信方式还未广泛应用，但随着电磁污染的治理和通信技术的进步，这种通信方式将有进一步的发展。

2.3.3 无线通信

无线通信采用电磁波作为信号传输介质，具有简单、灵活的特点，通过在设备侧配置无线调制解调设备，即可实现相互间的无线信号传输，但由于发射功率限制，且在复杂环境下存在遮挡、电磁干扰等问题，因此其应用范围受到限制[4-5]。

3 存在的问题与解决措施

不同的通信方式均存在自身的优势和弱点，合理地选择通信方式混合组网可以扬长避短，解决大部分的实际通信困难。相较于各类通信方式的不足，系统兼容性及通信距离方面的问题更加突出。

3.1 兼容性

3.1.1 问题

兼容性是目前火灾自动报警系统通信所面对的重要问题，技术上的封闭性导致不同品牌产品或同品牌的新旧产品之间无法兼容。在中层通信网中表现为系统扩展困难，新增的火灾自动报警控制器须与原系统保持一致才能添加入网络。在底层通信网中表现为拓扑结构复杂与设备维护困难。通信协议的差异，一方面增加了开关量信号的点位，对通信对侧设备提出更高的要求，另一方面导致不同厂家总线拓扑结构不同，且各类火警设备和模块的维修或更换受限于系统厂家，若厂家不再提供技术服务，系统则面临失效风险。

3.1.2 措施

在中层通信网中采用开放的通信协议接口和集成化软件环境可解决系统扩展难题。开放的通信协议使得不同厂家、不同型号的火灾自动报警控制器可以相互通信，组成网络。集成化的软件环境通过各厂家提供的SDK实现通信数据包的解析，完成火灾自动报警系统软件的搭建。

在底层通信网中采用智能型设备和统一的通信接口可解决设备兼容性难题。随着火灾自动报警设备电子集成度的提高，其信息处理能力也明显增强，部分信号分析、控制算法开始由设备完成，分布智能型火灾自动报警系统逐渐形成[6-7]。分布智能型设备可对信息进行预处理，减少了数据传输量。若再对有限的通信接口信号进行规范统一，可在保障厂家核心技术安全的情况下实现通信兼容。

3.2 通信距离

3.2.1 问题

在底层通信网中，通信距离是总线回路设计的重要考量因素，总线的通信距离主要受到误码率和电压的限制。随着总线长度的增加，线路中引入的噪声将增大误码率；由于总线电压为直流24 V，当回路中设备总功率较大时，将明显拉低总线电压，除影响设备供电外，也增加了信号处理的难度。

3.2.2 措施

为了扩展火灾自动报警系统的覆盖范围，可以从电源、线路和终端设备三个角度出发，减少噪声及压降所带来的影响。，具体优化措施如表1所示。

3.3 合规问题

3.3.1 问题

除此以外，火灾报警系统还面临模拟量信号处理方面的不足。根据《SH/T 3153—2021 石油化工电信设计规范》中的条文解释，对于新建项目，应选用能够控制和传递模拟量信号的火灾自动报警系统，不再使用生产过程控制系统控制消防设施[8]。在实际应用中，消防成套设备中常含有模拟量仪表、变送器，而很多厂家的火灾自动报警系统不具备模拟量通信功能，导致模拟量信号须先输入生产过程控制系统或消防控制系统，经信号转换后再输入火灾自动报警系统，这不仅增加了系统的复杂性，而且带来了不合规风险。

3.3.2措施

火灾报警系统厂家应加快设备更新，增加模拟量输入功能，以符合规范及市场要求。或是增加消防控制系统，消防设备的压力、液位等模拟量信号反馈及联动信号的接收均通过消防控制系统实现。

4 结语

本文从火灾自动报警系统的发展历程开始，逐步介绍了总线技术和当前典型的火灾自动报警系统通信技术，分析了存在的问题并提出可能的改进措施。随着物联网、大数据及人工智能等新兴技术的逐步成熟，火灾自动报警系统与之不断融合，通信技术得到丰富和优化，朝着高可靠、低误报和智能化的方向发展。多样化的通信方式将使得火灾自动报警系统的设计更加灵活，以满足日益复杂的需求与严格的要求。