浅议ZigBee在无线火灾自动报警系统中的应用

孔云科

(新疆消防总队,新疆乌鲁木齐 830000)

1 无线火灾报警系统的研究背景和意义

无线火灾报警系统能够多路径、自修复和自管理,免进行麻烦的布线,能发现早期火灾,数据结构采用的是分布式,在部分节点损坏时可通过重组继续工作,拥有广泛分布的节点和信息融合机制,能使系统的误报漏报率降到最低。目前主流的短距离无线通信技术主要包括ZigBee、红外通讯技术、HomeRF(家庭射频)、蓝牙、RFID(射频识别技术)等,ZigBee是一种新兴的短距离无线通信技术,传输距离短、耗能低、简单、速率低、成本小、双向无线通信是它的特点,介于无线标记和蓝牙之间,经对比ZigBee技术更适合应用于无线火灾报警系统。

2 ZigBee无线火灾报警系统基本组成及工作原理

(1)基本组成。ZigBee技术是一种新兴的短距离无线通信技术,无线火灾报警系统由探测终端和控制中心两部分组成,其中探测终端用于数据采集传输,控制中心用于数据接收处理。

探测终端组成如图1所示,探测终端由探测器和传输装置组成,当探测器探测到火灾时,将信息转换成火灾信号,同时启动传输装置,在规定时间内发出不同的信号。主控M C U模块是整个探测终端的核心,负责主导并控制其余模块;声光报警模块负责进行声光报警;火灾探测模块负责对火灾进行探测,存储模块负责对火灾信息数据进行存储;无线收发模块就是对信息进行接收发送;而整个探测终端需要电源来进行供电。

控制中心主要包括信息处理及控制模块、无线收发模块、声光报警模块、联动控制模块、显示模块、电源模块,其主要功能是接收和处理数据、下达命令与联动控制。其组成为信息处理及收发模块负责接收无线收发模块发来的信息,同时传递信号给其它模块;同理,声光报警模块负责进行声光报警;无线收发模块就是对信息进行接收发送;联动控制模块收到信息后,负责通知其它系统(消火栓系统,防排烟系统等)进行联动控制。探测终端和控制中心之间通过无线通信技术相连接。本文探讨的是在无线火灾报警系统中应用ZigBee技术,主要实现建立无线传感器网络以及网络内数据的无线传输。

(2)工作原理。无线火灾报警系统工作流程如图2所示,火灾探测模块探测到火灾信号时,将物理信号转换成电信号发送至主控M C U模块。

主控模块通过对传来的信息进行处理并发送相应指令到其它模块,如存在异常信息声光报警模块会发出声光报警。同时会将每次接收到的火灾参数信息如火灾地点等信息记录保存至储存模块,无线收发模块仅负责数据的收发工作,通过无线传输技术发送相关信息到控制中心的无线收发模块。控制中心接收到数据之后通过信息处理及收发模块对接收到的数据进行整合处理,并对联动模块下达指定命令启动相关联动系统(防排烟系统等)对火情进行处理。存储模块记录传输时间和联动系统,同时声光报警模块发出声光报警。

3 ZigBee技术在火灾自动报警系统应用中的优缺点

(1)优点。ZigBee技术有很好的抗干扰措施,能够对通讯设备进行改良,提高设备性能,减少设备间的互相干扰;使用的专用网络内部能很好的自我调解、自我修复;每个探测器都拥有专属地址,能够准确收集信息,同时找到信息源。ZigBee技术还采用直序扩频技术(DSSS),直序扩频技术可以把频率变宽,功率变小,来有效地控制噪声,使得ZigBee技术成为一种保密性好、可靠性高、抗干扰强的短距离无线通信技术。ZigBee 技术遵循的协议是IEEE 802.15.4,这能够提升生存能力。该协议可对空闲信道进行评估,直到选取到合适信道为止;在P A N中加入已存在的信道,这就不用再重新建立信道,减少信道的重叠;故障时也能重新选择合适的信道。这些措施就保证了Zi gB ee传输的准确性,增强生存能力。比如,对于日常生活中常见的遥控信号干扰源,当ZigBee设备和其距离小于2m时,ZigBee数据帧被破坏得很少,当这个距离大于2m时,遥控信号对ZigBee设备的影响就不存在了。

(2)缺点。随着通信技术的快速发展,无线通信技术也在不断地被广泛使用,但是信号在传输过程中会受到各种干扰,导致信息不能准确及时地发送与传输,从而导致接收端接收到的信息失真,主要原因在于传输环境中存在的外部嗓声等干扰源,以及通信设备本身、通信网络、和各种网络间的干扰等。

1)外部噪声干扰。外部噪声的干扰主要来自太阳、宇宙以及其他方面,这类干扰源具有如时间短,强度大等特点。此外,还存在一些人为噪声干扰,包括电器、车辆及高压输电线等等。

2)通信设备本身的干扰。通信设备不仅受到外部噪声的干扰,还受到设备本身问题的干扰。特别是一些设备由于发热而发出噪声,从而对传输信号产生干扰,一些外界的物质也会进入电路,也会影响信息传输质量。

3)通信网络的干扰。各个探测器发出的信号会彼此影响和作用,这同样会对信号的稳定传输形成干扰。比如同时工作时,易造成同频干扰及邻道干扰,甚至还有互调干扰。

4)网络间的干扰。一个区域内不仅仅只有一种网络,而是存在多个无线网络,并且还属于不同系统,如果频率相近,之间容易形成干扰。通信网之间最大的干扰属于互调干扰(两个或多个干扰源,由于非线性作用,这几个干扰的组合频率等于或接近有用频率,从而通过接收机)。除了干扰之外,还有信号衰落的问题需要解决,当设备传输信号时,墙、楼板等分隔物会造成信号衰落,比如反射波、绕射波,信号传输时一般以直射波方式进行传输,经过障碍物反射的反射波或者绕过障碍物的绕射波都会使信号衰落。

综上所述,目前就国内而言,火灾报警系统方面,有线的方式占着绝大部分市场,无线的方式由于没有相关规范,具体做起来比较麻烦,也没有相应审批方式,所以这一块属于空白,但随着科学技术的发展以及人们意识的提升,无限火灾自动报警系统的应用空间会越来越广泛。