基于智能建筑火灾自动报警系统的设计与研究

张 鑫

（北京东方华脉工程设计有限公司，北京 100081）

0 引 言

传统的小区火灾报警系统采用有线传输方式，具有布线难度大、采集信号单一以及检测火灾不灵敏等缺点。ZigBee是一种新兴的短距离无线通信技术，具有安全、可靠以及简单等特点，适用于对数据传输速率要求不高、相对距离较短的设备，其出现为研发新型小区火灾报警系统提供了可能。目前，在小区火灾报警系统的设计领域，相关学者做了大量工作，并取得了丰硕成果。有学者以STC12C5A60S2单片机为平台，与红外探测器和烟雾报警器相结合，利用无线射频通信模块传递火情信息，再通过全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）远距离报警。还有学者针对市场上火灾报警系统单一、缺乏实时性等问题，分析了传感器数据融合的层次结构，勾勒出系统模型图，实现了基于多传感器数据融合技术的智能消防报警系统。文章结合ZigBee技术，把烟雾、CO与温度探测功能融合一体，设计一种火灾报警系统，能够将火灾的数据使用无线通信的方式进行传输，并可实现远程监控。经测试，该系统的优势显著，值得被推广应用。

1 火灾自动报警系统设计要点

1.1 明确设计要求

设计之初，应在明确建筑结构形式的前提下进一步确定火灾自动报警系统的具体设计内容。一般在民用建筑设计中，火灾自动报警系统主要由小区管理，因此在进行火灾自动报警系统设计时，可根据小区物业的集中管理特点进行规划设计，既能全方位实施监控管理，还能满足消防联动的安装条件。相对而言，在进行别墅住宅等独立单位的火灾自动报警系统设计时，则需要考虑区域完整性与合理性，无论是火灾探测器、报警器、警报器，还是报警控制装置都要一应俱全[1]。

1.2 消防联动设计

火灾自动报警系统设计中还涉及消防联动设计，这一部分需要建立在各专业设计密切衔接的基础上。设计人员不仅要考虑到火灾报警联动反应装置的合理设计，还要做出详细的联动规划表，以满足火灾发生时的消防联动要求。这就需要针对现场实际情况进行准确判断，主要是在火灾探测器发出警报后，需要根据火灾险情进行灭火装置设计，其中主要包括消火栓、消防泵、喷淋泵以及消防电梯等装置。在当前诸多建筑消防灭火系统中，主要采用的是水喷淋灭火装置，其中自动喷水灭火喷头是设计的关键所在[2]。从其使用功能而言，自动喷水灭火装置具有一定的先进性，而且适用范围较广，在设计中可按照建筑需求进行水箱抑或供水系统的连接设计，并将水流指示器、信号阀、压力开关等进行模块设计，确保火灾发生时能够快速触发启动，达到方便快捷灭火。

2 系统设计

2.1 功能模块设计

基于ZigBee的小区火灾报警系统可分为4个功能模块，即信息采集模块、通信模块、火灾报警模块以及联动控制模块，如图1所示。

图1 系统功能模块

信息采集模块中，考虑到火灾发生的特征，利用传感器采集火灾发生的因素，即烟雾浓度、CO和温度等信息，并将这些数据进行分析与处理，传递给路由节点[3]。通信模块中，基于ZigBee的短距离通信技术，将收集到的烟雾浓度、CO和温度等信息通过路由节点转发给协调器结点。协调器是具有数据整合、传输功能的智能节点，会将接到的火灾特征信息传输至云平台，云平台对这些特征信息进行处理，基于设定的阈值判定是否有火灾发生。火灾报警模块中，当有火灾发生时，系统启动蜂鸣器产生警报声音，并报告火灾的具体位置，提醒人们尽快疏散，为救援争取时间。联动控制模块中，当报警器工作时，表明有火灾发生，假如火灾发生在夜晚，则需要为居民疏散提供条件，如启动应急照明、告知居民火灾发生的具体位置等。联动控制模块就是通过路由节点实现对联动设备进行控制，满足报警后人们的疏散与逃生需求[4]。

2.2 总体设计

考虑到烟雾浓度、CO和温度等对火灾报警的影响，避免因单一因素造成误报及漏报的问题。本系统采用基于多传感器融合的复合式火灾探测器检测火灾的特征。该探测器可以综合烟雾浓度、CO浓度和温度等信息，判定是否有火灾发生。目前，市场上较为流行的复合式火灾探测器均采用CC2530芯片，提供了很好的ZigBee协议栈及解决方案，为火灾信息的无线传输提供了可能，也是火灾信息探测的最佳选择[5]。

3 硬件设计

硬件设计主要是针对信息采集模块、通信模块、火灾报警模块以及联动控制模块的具体功能进行设计。

3.1 开发板设计

CC2530芯片具有低成本、高性能、低功耗、支持硬件调试以及支持CSMA/CA功能等优点。其吸收了2.4 GHz射频（Radio Frequency，RF）收发器的优良性能，是ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案，可以以非常低的成本建立起一个强大的无线网络，广泛用于ZigBee系统、照明系统、楼宇系统和工业监控等领域。因此，可将其集成在复合式火灾探测器、3种无线节点及联动设备的ZigBee芯片中[6]。

3.2 复合式火灾探测器设计

火灾的发生会伴随着温度、CO浓度和烟雾浓度等而改变，监测这些信息的准确性及灵敏度对整个火灾报警系统至关重要。基于CC2530芯片的复合式火灾探测器主要包含外部时钟模块、无线下载模块、复位电路模块、射频前端模块、外部工作时钟模块、天线模块、报警模块以及核心部分的烟雾、温度、CO监测模块，由外置电源供电。为了节省实验成本，本系统采用的是一个集成了ZigBee模块、烟雾传感器模块、CO传感器模块和温度传感器模块的下位机，实物如图2所示。

图2 下位机实物

4 软件设计

火灾报警系统的软件设计包含下位机软件设计和上位机软件设计。下位机软件是指运行在终端、路由、协调结点即复合式火灾探测器上的软件，主要是通过Z-stack协议栈启动CC2530芯片构建无线传感网络；上位机软件指的是小区监控中心和客户端运行的软件，客户端可与小区监控中心通信，显示火灾发生的具体位置等信息[7]。

4.1 下位机软件设计

下位机的主要功能是对火灾信号即烟雾浓度、CO浓度、温度的采集与传输，服务器接收到信息后，计算公式为：

式中，融合参数M表示烟雾浓度、CO浓度、温度及其对应权重乘积的累计值；W为烟雾浓度；T为CO浓度；Y为温度；N1，N2，N3分别表示烟雾浓度、CO浓度和温度对应的权重。如果M大于等于设定值的阈值S，则表明发生了火灾，此时会触发报警器，并启动联动设备[8]。

4.2 上位机软件设计

上位机软件包含登录界面和报警界面，JavaScript是一种优秀的Web页面脚本语言，适合用来编写登录界面和报警界面。登录界面有用户名和密码输入框，用户输入验证完成即可进入系统。当有火灾发生时，会自动弹出报警界面，包含报警类型、报警时间以及报警位置等信息。

5 系统测试

5.1 数据采集测试

选取3个安装在不同位置的复合式火灾探测器，通过串口助手观察这3个探测器所采集的火灾信息，测试数据如表1所示。

由表1可知，序号2、3、5、8、10显示的CO的参数都为01，其中2号、5号和8号的长地址都是B1564A2F6EB73A12，3号的长地址为2F1A2B34215A4C3D，10号的长地址为A1425647A8E62B6A，说明长地址不同的3个探测器都能对CO进行有效采集；9号和10号两组数据中烟雾数据不同，并且长地址也不同，说明烟雾参数是由两个不同的探测器探测到的；长地址不同的探测器所探测到的温度参数不同，而长地址相同的探测器所探测到的温度虽然也会不同，但是变化范围不大，说明数据采集功能稳定[9]。

表1 测试数据

5.2 数据接收测试

利用串口调试助手向服务器发送数据，模拟火灾发生所需信息，为了保证数据传输成功，就要求数据发送方与数据接受方遵循相同的规则，即要保证收发数据的格式要一致。数据发送完成，主界面会弹出如图3所示的报警窗口，说明数据接收正常[10]。

图3 报警界面

6 结 论

本文考虑到小区消防安全存在的问题，运用物联网中的ZigBee技术，将烟雾、CO和温度探测相融合，设计并实现了基于ZigBee技术的小区火灾报警系统。与传统小区火灾报警系统相比，克服了其布线难度大、采集信号单一和报警不及时等问题，具有较高的推广价值。