無線火災報警系統的體系結構研究

　　一、前言

　　隨著智能樓宇技術應用的迅速發展，商業市場對火災報警器的需求不斷增長，目前主要使用的是智能型總線制分布式計算機系統的火災報警系統，雖然在系統安裝方面比過去大大方便，但仍然不能滿足現代需要，其安裝成本約占設備成本的33％～70％。實際應用對系統的要求如圖1所示。而無線火災報警系統能夠滿足目前要求，它具有安裝容易、快捷、便宜、無需布線、對建筑物表面的最小破壞性、對功能變化的易適應性等特點。

　　雖然WSN（Wireless Sensor Networks）正處于完善的迅速發展時期，但并沒有妨礙它在各領域的應用。德國、日本、美國等發達國家對無線火災自動報警系統的研究投入大量人力、財力。無線火災自動報警系統是典型的多傳感器的事件驅動型無線傳感器網絡WSN，但又具有其特殊要求：①系統的可靠性、可信度、必須考慮室內多路徑散射、回波、干擾、中斷、碰撞探測等處理；②系統的最小工作生命周期為5年；③總機和探測器間必須雙向通信；④報警信號的傳輸時間必須在10秒內；⑤系統干擾、故障探測反映時間要小于100秒。[1]

　　無線傳感器網絡（WSN）綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等先進技術，能夠協同地實時監測、感知和采集網絡覆蓋區域中各種環境或監測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式發送，并以自組多跳（Self Organizing Hop）的網絡方式傳送給數據處理中心。WSN的應用前景十分廣闊，在軍事、工農業、環境監測，醫療護理、危險區域遠程控制等領域都有潛在的應用價值，已經引起了許多國家學術界和工業界的高度重視。[2]

　　二、火災探測WSN網絡體系結構

　　要設計出具有可靠性高、抗干擾能力強的火災自動報警系統，其要求是：①當有火情發生時，能以最快的速度檢測報警，并能檢測火情發生的具體地點（特定的地址編碼）；②經查實確認后，能及時的通報消防部門滅火；③系統本身應有自身故障檢測的功能，如系統欠電壓報警和自檢功能等，保證自動報警系統功能完好；④較高的系統抗干擾能力，防止系統發生誤報警。⑤相對較長的系統工作生命周期。

　　針對火災探測應用的實際情況，采用基于簇的分層結構網絡較為合理，在穩定運行階段，簇中的所有節點按照時分復用的方式向相應的簇頭發送數據。如圖2所示。

　　基于簇（Cluster）的分層結構具有天然的分布式處理能力[3]，簇頭FLCH（First Level Cluster Heads）就是分布式區域處理中心，每個簇成員SN（Simple Node）都把數據傳給簇頭，數據融合后再傳給SLCH（Second Level Cluster Heads）節點。 FLCH節點和SN節點之間通過ZigBee技術實現無線的信息交換；帶有射頻收發器的SN節點負責對火災數據的感知和處理并傳送給FLCH節點；FLCH節點處理的數據直接傳給SLCH節點, SLCH節點的數據經中繼器或直接傳至樓宇管理中心，然后再經GSM網絡上傳于消防控制中心，控制中心通過GSM網絡獲取采集到的相關信息，實現對現場的有效控制和管理。系統結構如圖3所示。

　　為了達到傳感器的實用數量、減少網絡的復雜性、降低網絡整體的功耗，基于每個火災傳感器節點和FLCH節點之間通信量較小的特點，提出一種基于需求時喚醒（Wake up On-demand ）的工作模式，即傳感器節點（SN）火災發生時，能自動醒來和FLCH節點進行通信；否則工作于睡眠狀態并采用低功率監測信道，以節約傳感器節點功耗并拒絕接受非法的連接訪問請求，大大降低了接入FLCH節點時消息碰撞的概率，極大地增加了傳感器網絡容量。

　　三、火災探測的特殊性

　　1、建筑物對信號的影響

　　在建筑物內，發射和接收間的信號傳播主要受多徑反射的影響，信號場強是多種波的總和，因此決定反射／吸收特性的建筑材料和內部結構對于輻射范圍是決定性的。圖4表示某建筑物內的信號衰減情況；距離越遠，場強越弱，在建筑物內部，約與1/r5成正比，即距離增加一倍，衰減約增加17dB，在空曠地帶僅為 6dB。幾種障礙物對無線信號的衰減情況如表1所示。

　　為了保證系統在５－６年時間里能夠可靠通信，并考慮到各種可能的結構環境，對衰減預算量，即發射功率與最小接收功率之差，一般為115dBm。而衰減預留量為25dBm，所以實際有效的衰減預算值約為95 dBm。

　　2、網絡的完整性驗證

　　為了可靠地探測報警，每一個探測器節點必須保證正常工作，維護網絡的完整性。當任意節點受到干擾或出現故障時或鏈路斷裂時，臨近節點會自動救援，將需要傳輸的數據發送。其自組織連接過程如圖5所示。

 　　3、火災特定算法的嵌入

　　目前國內總線型火災探測報警系統已經由開關型逐步過渡到模擬量系統，但要真正達到智能系統，仍有一定距離，在設計新型系統時最好融入最新的火災智能算法如概率估計、神經網絡、人工智能等最新研究成果，使得系統得可靠性和智能化大大提高。