消防系统分布式网络通信技术的应用研究

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摘要：本文对国内火灾自动报警设备监测系统通信传输方式进行研究，提出了GPRS和Internet的分布式火灾自动报警设备监测系统设计方案并对系统中的关键技术数据采集技术、数据存储技术等进行了深入的研究。

关键词：消防；分布式；火灾自动报警

中图分类号：TU998文献标识码： A

1总体架构

1.1网络拓扑的选择

针对分布式消防系统的需要，本设计采用四级采样的树形拓扑结构。四级采样为数据采集模块，它与三级收集中转模块间属短距离无线通信，设计距离小于300m；三级采样点可视为收集中转模块，它与二级处理控制模块属中远距离无线通信，设计距离小于3000m；二级采样点看作处理控制模块，它与一级总控管理模块之间属远距离无线通信；一级采样点部署在火灾报警控制中心，可视为基站、总控管理模块。

1.2无线通信技术的选择

根据分布式检测设备的通信要求，对比红外技术、蓝牙技术、IEEE 802.llb、ZigBee技术，选用RF射频无线收发芯片实现四级数据采样模块和三级收集中装模块之间的无线连接；选用基于CC1100芯片开发的DTD465C无线数传模块三级收集中转模块与二级处理控制模块的通信；对比微波通讯、短消息、GPRS或CDMA网络等通信方式，采用GPRS和Internet结合组网方式，选用的深圳宏电公司H7118 GPRS DTU无线数字数据网通信模块，服务器端采用公网静态IP方案。

1.3 系统的总体结构

分布式火灾自动报警设备监测系统由总控管理模块、处理控制模块、收集中转模块和数据采集模块四大模块组成，另外有三条无线通信通道。系统的总体结构如图1所示。

图1

1.3.1总控管理模块

分布式火灾自动报警设备检测系统的服务器软件安装在城市消防网的主机上，为保证服务器的稳定运行，将装有监控软件的内网主机（端口为5002）按照Windows 2000 Server的NAT技术，安装端口映射功能，当用户访问提供映射端口主机的5002端口时，服务器将请求转到内部5002端口的网内主机上。在装有控制中心软件的主机上建立一个中央数据库，对收到的数据进行整理存储并可以在其上开发分析决策模块，判断要监控对象的工作状态并对该情况作出相应指令，传回处理控制模块执行，发送给管理和维护人员。

1.3.2处理控制模块

处理控制模块安置在每个重点防火单位，作为单位内部的控制处理终端。该模块包括PC机、DTD465C无线数传模块、H7118 GPRS模块和PC机相关外设等。处理控制模块使用PC机作为总控制平台，配以系统客户端软件，通过图形化界面直观的显示。PC机与DTD465C和H7118都是通过RS-232连接，要求PC机配置两个RS-232串口。其中一个串口与DTD465C无线数传模块相连，可以向每个传感器发送指令收集传感器信息，也可以将传感器采集到的数据发送给处理控制模块的PC机，实现双向通信；另一个串口与H7118 GPRS模块相连，收集中转模块所发送过来的信息数据送入PC机，在PC机上对原始数据存储、计算、分析、处理、输出显示，同时将采集到的数据按照网络通信协议发送到H7118，由H7118 GPRS模块把数据送到远程消防监控中心的服务器。

1.3.3收集中转模块

收集中转模块分布在楼宇中，每个楼宇安置一个。该模块由nRF9E5主控芯片、DTD465C通信模块、火灾报警器、消防电源、卷帘控制器、电梯迫降控制等联动装置组成。nRF9E5接受数据采集模块传来的信息，将信息解码后重新按照协议打包，通过串口发送给DTD465C无数数传模块，由DTD465C发送到单位的处理控制模块。同时将中转模块下发的控制命令发送到数据采集模块。

1.3.4数据采集模块

数据采集模块按相关规范要求分布在楼层的各个监测点，由nRF9E5主控芯片、DS18B20温度传感器、烟雾传感器、手动报警装置、喷淋等联动装置组成。nRF9E5管理数字量、模拟量信号输入、I/O信号输出，同时管理射频收发；DS18B20采集温度值，转化成温度数字量信号送出；烟雾传感器送出模拟量信号，由nRF9E5的内部A/D转换成数字量信号；同时nRF9E5监控设备的运行电压模拟量信号进行A/D转换；手动报警输入装置用于现场确定火警时的人工报警；喷淋等联动输出装置用于消防自救。整个模块在nRF9E5的管理下协调工作，并同收集中转模块进行通信。

2系统硬件电路集成

2.1 一级总控管理模块

总控管理模块硬件系统主要是服务器的构建，如图1所示。

2.2 二级处理控制模块

二级处理控制模块在每个被监控的单位安放一台，实现单位内部的管理通信，但是同时该模块也接受一级总控管理模块发来的对自身的控制，主要指火灾危险信号时的采样频率加大等。该模块作为单位内部的火灾信号检测与控制，配以客户管理软件和数据库系统，采用深圳宏电的H7118C GPRS DTU与一级总控管理模块进行通信。

2.3三级收集中转模块

三级收集中转模块在每个楼里安放一台，实现的是中继器的作用，但同时该模块也接受二级处理控制模块发来的对自身的控制，主要指楼宇的消防设备控制，包括全楼的火灾报警器、防火卷帘门、电梯迫降控制、火灾应急照明与疏散指示标志的控制装置等。我们采用Nordic VLSI公司的nRF9E5做为主控制芯片，采用西安达泰电子有限责任公司DTD465C数传模块与二级处理控制模块进行通信。

三级收集中转模块的设置是(EDCBA)=(00110)，即：UART无校验，COM2使用RS-232，COM1仍然是TTL，通过JP2的ABC三位跳线选择使用433.1580MHz频点，nRF9E5单片机通过串口直接与DTD465C通信，使用TTL电平，DTD465C使用消防用电，采用JCA10-A12S09稳压模块单独供电。

图2收集中转模块原理图

如图2所示：系统上电时，SPI自动和片外25320相连，加载程序；右侧的天线部分采用单端连接的50Ω天线；P01作为RXD、P02作为TXD用于与DTD465C进行TTL串口通信，通过DTD465C向处理控制模块发送数据信息或接收处理控制模块的命令信息；PO口的其他位分别用于全楼的火灾报警器、防火卷帘门、电梯迫降控制、火灾应急照明与疏散指示标志的控制装置等的输出控制，程序中不对采集的信号量进行判断处理，只是按照协议打包上传到处理控制模块，此收集中转模块的这些输出控制是通过处理控制模块来控制的；AIN1用于检测外部联动装置的24V电压作为AD采样输入；AIN2用于检测本系统的+5电压作为AD采样输入；剩余两路AD采样口用作系统扩展用作为系统扩展用。

2.4 四级数据采集模块

整个火灾自动报警系统的信息收集来自数据采集终端模块，它是系统的最底层设备，分布在各个监控楼层的数个采样点，它的采集精度，采集速率直接决定着整个系统的性能。数据采集终端模块包括数据采集部分、手动报警装置、联动输出部分和无线传送部分。数据采集终端模块的主控制芯片采用Nordic VLSI公司的nRF9E5。

图3数据采集模块原理图

如图3所示：系统上电时，SPI自动和片外25320相连，加载程序；右侧的天线部分采用单端连接的50Ω天线；对烟雾传感器的模拟量信号经过RB1精密点位器分压后输入nRF9E5的AIN0引脚AD采样输入；AIN1用于检测外部联动装置的24V电压作为AD采样输入；AIN2用于检测本系统的+5电压作为AD采样输入；剩余一路AD采样口用作系统扩展用；P0.0引脚用于手动报警的按键输入；P0.1引脚用于与18B20一线数字温度传感器相连，上拉电阻取4.7KΩ；P0.2引脚用于警铃输出控制信号；P0.3引脚用于报警的LED二极管输出控制信号；P0.4引脚用于就近的就近喷淋装置，P0口的其他引脚保留，用于系统扩展用；在芯片的供电电源都加上旁路电容，增加系统的供电稳定性。

数据采集模块系统电源采用消防电源，备用电源采用蓄电池。这里我们采用通用工控系列AC-DC电源JSD20-A12S24，采用消防电源交流220V接入，输出24V/0.8A，该电源为警铃装置、报警发光管、喷淋装置供电，同时为nRF9E5模块供电。

3试验结果及分析

通过试验结果我们的系统完成了预定任务，系统表现出了良好的性能，作为构建分布式综合观测系统的方案，该系统具有较大的参考价值和实用价值。

参考文献

[1] 李友化. 火灾自动报警技术的应用现状及研究发展趋势. 现代商贸工业,2007/19/07

[2] 郝铁伟. 基于无线传感器的监控网络系统设计. 武汉理工大学硕士学位论文, 2007/04/01