基于无线传感的物联网火灾报警系统应用探讨

李辉

摘要：传统火灾报警装置存在布线复杂、维护困难等问题，且经常出现漏报迟报现象，无法满足现代社会对火灾预警的深层次需要。因此，利用无线信号传输距离更长、无线唤醒、绕射障碍物能力更强的XL1101-D01无线射频芯片为媒介组建无线传感网络，通过RS-485、RS-232通信方式与上位机管理平台进行数据交换，构筑具有良好准确性和重复性的火灾报警监测系统，为早期处置提供积极支持。

关键词：物联网；无线通信；XL1101-D01；火灾报警

火灾报警系统主要起到在火灾早期发现和通报火警信息，及时疏散人员、控制火势等作用，属于建筑在投入使用前设置安装的重要消防设施。火灾发生后，该系统可以在第一时间将火警信息传输至消控中心，由其通知火灾附近人员逃生，通知安保人员准确定位起火部位處置火情。但各类火灾案例表明，建筑内部因该设施损坏或维护不当，会延误初期火灾的发现和处置，进而导致火势的蔓延，因此火灾报警系统工作是否正常，能否及时起到预警作用，应当引起我们的高度重视和警惕。伴随着物联网技术的迅速发展和推广普及，基于无线传感的物联网火灾报警系统可以快速、准确地反馈火警信息，从而减少火灾损失，同时在日常维护管理中也较传统有线系统拥有更多优点。

1 消防报警系统的应用及研究现状

自20世纪起，欧美国家就将火灾报警设备接入了监控网络中，一旦发生火灾，消控中心能够快速准确地掌握火灾发生的位置及火势大小，能够合理高效地对消防人员进行调度。我国从20世纪80年代起，开始在部分重要建筑物内采用消防监控系统，并逐步推及各类建筑。

GB50016—2014（2018年版）《建筑设计防火规范》第8.4.1条中，对于需要设置该系统的场所和建筑并未要求对所有建筑进行全覆盖，同时已建成未曾安装该系统的建筑也没有强制要求增设。所以在日常的工作中会发现一些问题：一是未安装该系统和拟提升改造的建筑内，探测器通常采用导线电缆与控制器相接，工程量大、耗材多、造价高、功耗大、抗干扰能力低、设计施工与维护复杂，施工过程甚至会造成建筑物结构的破坏。二是传统的火灾报警系统还存在线路老化故障率高、监视容量小、响应速度慢等缺点，尤其在后期使用中如果维保服务不到位，系统基本处于半瘫痪或大量故障存在状态。三是现有的消防设备厂商中，国内品牌众多，各类型产品所依据和适用的物理接口型式、通信协议方式、数据保存传输格式均存在差异，设备一旦出现故障，可能会因为得不到相关技术支持和维修，导致火灾隐患无法及时消除。四是生产厂商在技术提升的同时也为了增加利润，产品的升级迭代频繁，往往导致后期设备与已安装设备无法较好地匹配兼容。

与此同时，目前物联网技术已发展到具备5G高速率低延时传输，终端设备高度智能化，区域密度覆盖广泛，维护成本较低且便捷，可以说物联网技术是以互联网、电信网、局域无线网等为信息载体的传输网，以实现万物互联为目的的技术变革。它可以通过各种传感设备对被监测区域内的各类物体信息进行全面感知，然后实时地对区域内数据进行搜集、获取和记录分析，随后将有用信息以最快的速度传输并进行云计算和模糊识别处理，在短时间内将结果显示预警给后台的操控者，以实现对保护区域范围内的实时监控和及时处理，从而降低相关风险度和减少事故带来的损失。

2 基于无线传感的物联网火灾报警系统的技术原理

物联网火灾报警系统将嵌入式技术和无线通信相结合，提供了高效低成本的火灾监控解决方案。系统以无线射频芯片为信息传输载体，同时结合外围电路和传感器，组成网络节点的硬件部分。实现了声光电的传统消防预警功能，并完成各节点的软件和无线网络拓扑结构设计，具有组网简易、维护简便、经济性高、高速传输、延时率低、云端技术利用等优势，在应用该无线物联网技术的火灾报警系统中，将各类火灾探测传感器的相关温度、烟雾浓度、可燃气体浓度、现场实时画面等传输至消控中心，同时也可模拟火势蔓延方向，为后续的火灾扑救力量部署、人员逃生方向等给出重要的参考信息。

我们此次采用了易扩展、易隔离故障的树形网络结构，根据数据信息传输逻辑分为四部分。系统由传感器节点、路由节点、汇聚节点和上位机操作平台所构成。传感器节点设置在监控区域范围内，每个传感器节点分别接入各类型火灾报警探测器，传感器节点由传感器、控制器、无线射频模块构成[1]。路由器节点上取消传感器部分，在汇聚节点上增加串口通信模块。上位机操作平台在利用数据库、串口通信等技术实现信息的实时显示和存储，并将相关数据传输至自动消防系统，根据现场实时情况联动对应消防设施。系统运行时，传感器节点错时、定时采集现场信息（温度、烟雾浓度、可燃气体浓度、现场画面等），通过XL1101-D01无线数传芯片作为无线模块传输给路由节点，随后该设备进入临时性的休眠状态节约能耗。路由节点作为数据信息传输的中转站，将采集的数据经汇聚节点后由RS232串口与上位机操作平台进行数据通信交互。对树形结构中存在的多处子节点和路由节点的信息通信，采用复用TDMA技术，避免数据丢包或混乱。上位机对数据进行解析、显示和存储，用户通过终端实时查询数据。

系统中最核心处即无线收发模块，见图1。它是整个系统正常运转的关键，选择适合的无线模块对整个系统起到至关重要的作用。处理器、射频收发芯片及少许外围辅助模块等构成一个短距离无线通信系统[2]。我们根据数据收传灵敏度、芯片功耗情况、数据传输距离和速率及基带处理能力等指标，同时又满足外围辅助电路尽可能简单、搭配元器件尽可能少、无线唤醒等的要求，选取了美国TI公司研发的XL1101-D01型号的无线芯片。

系统的拓扑网络结构见图2，该结构系统图设置的传感器都属于子节点，汇聚节点则属于中心节点，路由节点则作为两者之间的中转站，负责进行数据的传输和转发。同时，我们还可根据所监控的场所范围的面积适当增减相关路由节点数量，从而提高灵活高效度，对现场的情况及系统进行合理的设计。

现场的传感器节点按照一定的间隔时间唤醒后即刻进入工作状态。系统初始化主要包括MCU从掉电模式中转入正常模式，接着开启传感器电源，采集监控区域信息，随后关闭传感器电源，发送完数据包后，各个模块再次进入休眠状态以节省电能，等待下一次唤醒探测和采集。每次传输完数据后，各节点均进行计时校准，防止累计偏差。汇聚节点通过RS232串口与上位机平台进行通信。汇聚节点利用USB接入电脑供电，无需休眠，一直处于等待接收数据的状态。路由节点在系统初始化后进入休眠模式以节电，待接收数据时间到达，系统自动唤醒该节点接收数据，接收完成后将数据发往汇聚节点，重新进入休眠。路由节点设置了路由列表，只有对应的ID数据包才会被接收。此外，为防止错过接收时间，我们将系统唤醒时间设置提前一段时间。如果在规定时间内未接收到传感器节点的数据，那么系统将适当延长接收时间以防止遗漏。如果连续超过一定次数未接收到数据，那么路由节点则认定该传感器节点故障需维护。

基于物联网技术的火灾报警系统正是利用了以上的技术特点，将若干个火灾探测器作为一个个小型基站，通过传感器节点、汇聚节点、路由节点等，利用芯片的处理和传输协议进行通信转换，实现与外界的互联互通，将各节点收集的信息加以实时分析和决策。

3 智能物联网火灾报警系统在消防中的应用

3.1  即时反馈，统一控制

在一个多种功能并存的公共建筑内，内部消防设施繁多，若该公共建筑采用了智能物联网火灾报警系统，当火灾发生时，系统能够第一时间迅速地通过物联网技术及现场探测报警器将发生火灾的位置、温度、烟雾浓度甚至现场视频情况同步发送至系统平台，平台则根据系统内的处置流程将相关数据传输给消控主机，通过值班人员的及时确认操作，控制现场各区域的消防设施联动启动，从而起到快速控制火势、减少财产损失和人员伤亡的效果。

3.2  云端监测，实时处理

目前在用的消防设备中，通常都会有例如传输速度、储存记录容量、回路控制点位数量等技术规范要求，同时在日常管理中还经常会出现因某条回路发生短路、断路、屏蔽等故障而导致部分探测器失效的情况，那么对于主机的要求和管理的难度可想而知。而作为物联网技术的智能火灾报警系统可以及时统计出设备的工作在线情况，当各设备传感器终端未按期发送相关基础数据包时，则表明该探测器存在问题，维保人员可以有效地做好巡检工作，仅需及时确认数据传输网络是否正常、探测器点位及传输路由是否正常即可，从而实现快速发现并消除消防隐患。伴随着物联网技术的不断发展，我们也完全可以通过设置云端高性能服务器，对建筑内大量的智能火灾报警系统进行数据分析和云端监控，也就不必担心容量和其他限制要求了。

3.3  多方兼容，统一监测

目前市面上的消防设施产品种类复杂、品牌众多，各企业为巩固品牌护城河效应，通常会设置自己的标准和技术壁垒，产品之间所采用的接口、通信协议、数据类型等都存在差异，消控值班人员经常会面临对主机设备不熟、操作方法不一致等难题，延误初期火灾的处理。而基于物联网技术的智能火灾报警系统可以较好地解决上述问题，通过统一操作平台系统对建筑内部的各类型终端探测进行实时云数据收集，而各探测报警终端设备的通信协议、数据包格式等进行统一制定后接入数据平台，便可实现对不同品牌、不同型号的设备进行后台监控，同时，如果条件许可，也完全可以由远程平台操作，从而助力维保和消控人员。

3.4  降低成本，数据共享

目前在建工程中有线消防设备的工程耗材多、造价高、抗干扰能力弱、设计施工与维护复杂，笔者所在辖区中曾有两处2010年左右交付使用的高层住宅小区，因消防设施瘫痪进行消防设施改造，耗费的维修费用分别高达1100万元和480万元，而工程量最大的部分恰恰是对旧设备的拆除以及回路线路的摸排和布线。但是随着这些工程顺利完工后，如果后期的维护保养和管理不到位，可能十年后又将面临艰难的改造。基于物联网的智能火灾报警系统恰好可以在这方面达到预期效果，通过建立无线物联网络，实施智能化火灾报警系统的改造，从而实现投入减少、维护简便、不进行建筑大面积损伤性施工等优势。同时，消防部门也可通过数据后台实时查询和掌握某些特定区域、高危单位及其他场所的火灾发生具体情况、现场火灾隐患情况等，从而进行大数据的研判和分析，及时调度执法人员处理和消除隐患。

3.5  传输提升，多种探测

根据物联网技术的发展，依靠无线传输的数据包流量、传输速率等可大幅提升，完全可以由目前的感温、感烟、红外等数据变化类的探测器终端更新升级为同步带有视频、音频监测的探测器终端設备，从而供安保力量和消防灭火人员实时掌握现场火势大小、蔓延方向、现场温度、烟雾浓度等数据，以便及时在第一时间调派人员和改变进攻策略进行实时决策。同时，借助无线物联网技术，通过新设备的研发，还可以为进入火场内的消防人员进行辅助定位和引导，掌握现场位置信息和周边范围内的消防设施情况[3]。

4 结语

伴随着城市现代化进程的不断推进，计算机网络技术、微电子技术和物联网传输技术的迅速发展，以及人们对消防安全需求的进一步提高，必定会促进和带动无线消防预警设备的发展。本文分析了火灾报警系统的现状，结合传感器及物联网发展技术，提出了利用无线传感传输的物联网火灾报警系统，优化了传统报警系统设计施工复杂、维护困难、智能化程度低的问题，设想了通过传输效率更高、传输容量更大的结合音视频进行探测预警的新型传感器设备，其应用场景势必更加广阔，也将为我国的消防事业添砖加瓦。

参考文献：

[1]刘胜福，刘和平.基于ZIGBEE的分布式智能复合探测无线消防报警系统[J].自动化技术与应用，2008，27（7）：67-70.

[2]Panic G，Dietterle D，Stamenkovic Z.Architecture of a power-gated

wireless sensor node[C]//Digital System Design Architectures，

Methods and Tools，2008.DSD'08.11th EUROMICRO Conference on.

IEEE，2008：844-849.

[3]張琰.论消防无线通信在灾害事故中的应用[J].网络安全技术与应用，2014（8）：66+68.

Discussion on the application of Internet of Things fire alarm system based on wireless sensing

Li Hui

（Hangzhou Municipal Fire and Rescue Brigade， Zhejiang Hangzhou 310000）

Abstract： Traditional fire alarm devices have problems such as complicated wiring and difficult maintenance， and often miss and report late， which cannot meet the deep-seated needs of modern society for fire early warning. Therefore， the XL1101-D01 radio frequency chip with a longer wireless signal transmission distance， wireless wake-up and stronger ability to diffract obstacles is used as the medium to form a wireless sensor network. Through RS-485 and RS-232 communication methods and the host computer management platform， data is exchanged. And the fire alarm monitoring system with good accuracy and repeatability is constructed to provide active support for early disposal.

Keywords： Internet of Things; wireless communication; XL1101-D01; fire alarm