火灾报警监测

火灾报警监测（共8篇）

火灾报警监测 篇1

1 研发的必要性和依据

随着我国经济建设的快速发展和人民生活水平的不断提高, 用电量急剧增加, 电气火灾的发生也越来越频繁。近10年来, 电气火灾在我国高居火灾事故总数的首位, 约占总数的30%, 并呈增长趋势。电气火灾隐患的早期报警技术目前属于新兴学科, 但已引起了国内科研、生产部门的高度重视, 如何更好地监测电气火灾的发生成为科研攻关的焦点。

电气火灾监控系统属先期预报警系统, 与传统火灾自动报警系统比较, 前者是为了避免损失, 后者是为了减少损失;已经安装了火灾自动报警系统的单位, 仍需要安装电气火灾自动报警远程监测系统。电气火灾监控系统的设计与应用, 主要依据是国家标准中的相关条文。

(1) 《高层民用建筑设计防火规范》GB50045; (2) 《建筑设计防火规范》GB50016; (3) 《建筑电气火灾预防要求和检测方法》国家标准; (4) 《电气火灾监控系统》GB14287; (5) 《供配电系统设计规范》GB50052。

2 系统特点和适用范围

电气火灾通常是由短路、过载、接触电阻过大、泄漏电流等原因造成的;由于工艺间用电设备复杂, 如, 带电体距离太近、电磁场过强, 以及爆炸性气体的存在或粉尘浓度过高等恶劣环境, 为了监测并及时消除这些危险因素, 防止事故的发生和扩大, 需要开发安全性、稳定性俱佳的电气火灾自动报警远程监测系统。

传统的断路器或漏电保护器, 保护线路时, 大部分原理是利用热磁脱扣动作, 采用硬件驱动不利于实现智能化的保护功能。智能化管理的推行, 对供电的可靠性、安全性、灵活性提出了更高的要求;国内外现利用计算机数据通讯技术 (ICT) 应用到火灾自动报警系统, 通过网络协议, 充分享用信息资源, 及时交换系统内部和外部之间的数据信息, 构成一个动态的具有多层次的火灾探测报警救援、管理、服务网络信息系统, 实现集中维护、集中管理的目标。

在设计过程中, 应对防火区域做出合理的分布设计, 确定适当的控制保护范围。根据电气工艺间火灾危险性的大小、因停电会造成重大经济损失及不良社会影响的电气装置或场所, 安装电气火灾监控系统;如, 公共场所的应急电源、确保公共场所安全的设备、消防设备的电源, 防盗报警的电源、科研楼可燃物较多和火灾危险性较大的实验室、图书馆书库、档案楼档案库等。

3 系统的基本组成和工作原理

在设备和开关回路加装失压、欠压、过流保护, 编制统一的安全地标、操作规程、值班巡视制度, 制定各工艺间的灭火措施方案, 设置安全疏散指示标志, 安装事故应急照明、安全疏散指示灯等。电气火灾自动报警系统主要以设备工艺间为主, 根据电气工艺间现场的实际需求, 选择不同的火灾探测器;离子感烟火灾探测器和光电感烟火灾探测器是目前工程中应用最广泛的两种火灾探测器。

离子感烟探测器是利用放射性同位素衰变过程中放出的α射线使电离室内的空气产生电离, 使电离室在电子电路中呈现电阻特性。当烟雾进入电离室后, 改变了空气电离的离子数, 即改变了电离电流, 电离室的阻值发生了变化。根据电阻变化的大小识别烟雾量的大小, 并作出是否发生火灾的判断。

光电感烟探测器是利用火灾烟雾对光产生吸收和散射作用来探测火灾。减光型光电感烟探测器通过测量烟雾对光的吸收而产生的衰减作用来确定烟雾, 根据发光元件和受光元件安装位置的不同, 减光型光电感烟探测器又可分为点型和线型;在光路以外的地方, 散射型光电感烟探测器通过测量烟雾对光的散射作用而产生的光能量来确定烟雾。

在消防中央控制室明显位置悬挂设备工艺间火灾报警探测器的分布图, 以便当有异常时显示受控点的地址和信息, 指示专业技术人员检查系统、排除故障。

探测控制器对火灾探测器测到的数据以一定的数学模型进行比较和计算, 以决定是否报警或断开空气断路器;同时它还具有在每个操作后及时通过总线向中央集中控制器传递信息, 并在中央集中控制器中存储信息, 探测控制器还具有修改报警灵敏度阈值、预警阈值的功能, 它与中央集中控制器联网, 可独立工作。

为了有效的抑制和消除各工艺间因火灾引起的危险因素, 防止发生或扩大事故, 在设计上对报警信号、动作信号, 在中央控制平台上都有显示, 自动报警系统可根据现场实际情况对其实施远程切断负载电源控制。这种双重报警、双重控制机制, 大大提高了对电气火灾监测和控制的可靠性和保护性。

4 研发实例

装置①:工艺间火灾报警信号与多个中央控制室及区域的信号联动报警装置, 如图1所示。

该装置由60W的12V的稳压电源作为报警信号电源, 通过24VJCX13F继电器的常开、常闭触点来控制报警信号的输送, 如有火警信号及故障发生, 火灾报警控制器输出24V的电压信号, 控制24V继电器, 使之动作, 常开接点闭合, 报警信号通过继电器发送到多个控制室及区域的12V声光报警器, 并发出强烈的声光警号, 达到提醒人员注意的目的;经过一段时间的运行, 效果良好。

这种系统分工明确、结构简单、成本少、故障率偏低, 不含电源控制开关, 不串入配电系统, 只通过火灾监控探测器取样信号, 性能稳定可靠。不足之处是:监控设备与监控探测器、监控探测器与终端探测头之间需要敷设信号线及2芯脱扣控制线。这种类型无论在新工程还是改造工程上使用, 都比较方便。可以预见, 这种与低压配电系统相对独立的系统结构形式, 将是今后电气火灾监控系统产品的主要发展方向。

装置②:电气火灾监控设备与电气火灾探测器分离配置型, 如图2所示。

该装置通过监控探测器采样, 应用二总线通信约定, 上报消防中央控制室或值班室里的电气火灾监控设备, 进一步分析处理后, 进行所需要的联动控制, 从而完成该系统应有的功能。

当工艺间内某一被监控现场着火, 火灾探测器把从现场实际状况检测到的信息立即送到控制器, 控制器将此信号与现场正常状态整定的信号比较, 若确认着火, 则输出回路信号指令光显示装置动作, 发出音响报警 (8Ω1W、8Ω2W图3) 及显示火灾现场地址并记录时间;两中央控制室同时接收到报警讯号, 值班员可速去消控室及时掌握报警信号的情况, 根据控制器显示的编码地址, 对照平面布置图, 准确掌握火灾发生的部位, 并根据现场情况报警, 以便及时灭火。同时关闭有关电源等采取相应的安全措施。此联动报警装置安装后通过调试, 喷烟试验, 该报警装置的信号动作情况灵敏, 运行良好。

5 系统布线、接地, 及探测器的供电方式, 如图4所示

1) 安装布线时, 强弱电线应分开走线, 不可交叉和搭线;严禁与动力线、照明线、视频线、广播线、电话线等可能的干扰源穿入同一穿线管内;配线工艺应整齐、绑扎成束, 可用阻燃PVC管、或金属穿线管 (槽) ;布线后, 应将管口、槽口封堵。

2) 监控设备与探测器之间的通讯线应采用双绞线, 线径不得小于1.5mm2, 当系统应用在有强干扰源场所时, 通讯线应采用双绞屏蔽线, 双绞屏蔽线的屏蔽层确保良好接地。

3) 系统的接地:采用专用接地装置时, 接地电阻不应大于4Ω;采用共用接地装置时, 接地电阻不应大于1Ω。

4) 集中供电方式:由监控设备 (主机、区域控制器) 或专用整流器 (消防电源) 产生不高于24V的直流电源, 通过专用电源线向系统内所有探测器供电。优点是不管现场是否停电, 探测器照样能工作, 且24V是安全电压, 用于火灾自动报警系统里的烟感、温感探测器等是很合适的。缺点是一旦专用电源或导线发生问题, 部分或全部的探测器会停止工作。目前, 电气火灾监控探测器的静态工作电流比烟感、温感探测器大数倍, 例如, 为10mA, 250个监控点则需要电流2.5A以上, 为了保证末端电压, 专用电源线的单线截面就要有1.5mm2, 造成投资增加、布线困难。

5) 现场供电方式:探测器从配电柜内断路器的进线端就近取得交流电源。优点是无需专用整流器和电源线, 系统网络只有通讯线, 布线方便, 节省投资, 还可以采用无线通讯或载波通讯。缺点是配电柜的上游断电便停止工作, 然而没电便不会发生电气火灾, 即使该区域电气火灾探测器暂时停止工作也没有关系。显然, 现场供电方式更适合于电气火灾监控系统。

6 结束语

电气火灾监控系统属先期预报警系统, 与传统火灾自动报警系统比较, 前者是为了避免损失, 后者是为了减少损失;它的研究与开发, 在我国现处于起步阶段。

电气火灾监控系统需保证能准确监控电气线路的故障、异常状态和火灾隐患, 及时报警提醒值班人员去消除;市场上现有产品存在一些与规范、设计、使用不相适应等问题。在此简要介绍了电气火灾自动报警远程监测系统的基本组成和工作原理, 以及两个设计应用实例, 意在提高消防设施的安全监控管理水平, 为增强防控火灾和应急反应能力提供技术支撑;提供有效的火灾自动报警系统监测手段。

火灾报警监测 篇2

建筑自动消防设施系统的调试，应在其及建筑内部装修施工结束，系统各电气控制设备已作单机通电检查并正常，设备单机试运转合格，系统供电正常。

具体内容如下：

I火灾自动报警系统

1、所有设备安装到位;

2、所有设备调试完成，地址准确，报警灵敏;

3、系统单机试运行120小时以上(满负荷)。

二、调试前期准备工作

系统调试前应成立调试小组，明确参加调试人员的资质分工与职责，编制调试方案，并报经有关技术负责人审核批准。系统设置的设备型号、规格、数量符合设计规定。备齐调试用仪器、仪表及调试工具，主要包括：便携式火灾探测器试验器、数字万用表、对讲机和相关工具。准备有关安装施工图纸、施工记录备查，准备有关调试用记录表格。

调试方法及技术要求

火灾自动报警系统

探测器报警功能测试

1、用便携式火灾探测器试验器向探测器施加火灾模拟信号，观察火灾报警情况，用手动造成探测器连线短路或断路，观察故障报警情况。

火灾情况下，探测器应输出火警信号并发出声光报警;故障情况下，探测器应输出故障信号，火灾报警控制器能在100s内发出与火灾报警信号有明显区别的声、光故障信号。

2、按照实际安装数量5%-10%的比例抽检，但不少于10个。

手动火灾报警功能测试

启动手动火灾报警按钮，按钮外应有可见光指示并输出火灾报警信号，火灾报警控制器接收到火警信号后，发出声、光信号报警。

广播音响试验

1、在扬声器播放范围最远点，用声级计先测背景噪声声压级，再测火灾事故广播声压级应高出背景噪声声压级15dB。在消防控制室人为模拟火警状态，应能在消防控制室将火灾疏散层的扬声器和广播音响强制转换为火灾事故广播状态。

2、(1)在消防中心控室选层广播;

(2)共用的扬声器强行切换试验;

消防控制室与电话插孔通话试验

1、用对讲电话插孔与消防控制室进行通话试验，通话功能应正常，语音清晰。

2、(1)消防控制室与设备间所设的对讲电话进行1-3次通话试验;

(2)电话插孔按实际数量的5%-10%的比例进行通话试验;

(3)消防控制室的外线电话与“119”台进行1-3次通话试验。

气体灭火系统

系统模拟喷气试验：

1、选任一防护区，选择相应数量充有氮气或压缩空气的贮存容器取代灭火剂贮瓶进行试验。试验时，将防护区门窗打开，关断有关灭火剂贮存容器上的驱动器，装上相应的指示灯炮、压力表等，打开控制柜电源并将控制开关板向“自动”或“手动”位置，用火灾探测器试验器对火灾探测器加烟、加温信号使其报警，直至启动灭火系统，喷射出氮气或压缩空气。灭火系统接到两个灭火指令后应能正常启动，试验气体能正常从防护区的每个喷口里射出，在报警、喷射的各阶段，防护区有声、光报警信号。消防联动控制设备接到控制指令应立即启动或关闭风机、防排烟阀、通风空调设备，切断火场电源，声光报警应按程序规定动作。用秒表测定系统延时时间就在30s内，灭火剂释放显示灯应正常。

2、(1)人工启动和紧急切断1―3次;

(2)与固定灭火设备联动控制的其他设备(包括关闭防火门窗、停止空调风机、关闭防火阀等)试验1―3次;

(3)抽一个防火区进行喷放试验。

火灾报警监测 篇3

随着科技的进步和生活理念的变化, 人们在享受智能楼宇带来的舒适环境的同时, 对其安全性的要求也越来越高, 其中火灾监测报警及消防联动控制系统是智能楼宇及其他建筑内必备的设备[1]。

在智能楼宇中, 火灾监测通常有两种方式:第一种是预防性的, 诸如对智能楼宇内用电系统的漏电监测;第二种是通过监测烟雾报警器或温度传感器对明火的监测。消防的核心理念是防患于未然, 第一种方案的特点是能够及早报警避免损失, 而第二种方案的火灾自动报警系统通常与消防联动设备如水喷雾灭火、气体灭火、泡沫灭火等系统关联[2], 用于控制或降低火灾发生后造成的损失。因此, 第一种监测方法在智能楼宇火灾监测系统中的地位就显得尤为突出, 但通常这两种监测方式同时存在于智能楼宇中。

据有关建筑火灾起因的统计分析[3], 我国高层建筑火灾中有34%的火灾起因是电气故障, 而一半以上的电气火灾是由于漏电造成的, 漏电电流达到300 m A时, 意味着火灾危险的开始。GB 50045—95 (2005年版) 《高层民用建筑设计防火规范》对此作出了规定:高层建筑内火灾危险性大、人员密集等场所应设置漏电火灾监测及报警系统。

漏电火灾监测报警系统通常包括若干个实现漏电监测的数据采集节点下位机, 1台实现数据查询、显示及打印的上位机, 以及智能楼宇的服务器。本文重点介绍实施监测功能的下位机的实现方案。

1 工作原理及硬件架构

智能楼宇内的供电系统一般是AC380 V的三相电制式, 分配到各个用电设备端时通过抽取转换成AC220 V的单相电。用电设备正常工作时, 流入和流出零线N和火线L的电流应该是相等的即处于平衡状态。若两者电流不相等, 则说明用电网络内存在漏电现象, 漏电电流通过地线或者其他回路发生了泄露[4,5]。除了有发生火灾的潜在危险外, 还有可能发生人员触电的危险。

本文的漏电火灾报警监测器以高性能的微处理器ds PIC30F3014为核心, 通过互感线圈和温度传感器实现漏电和用电线路的温度监测, 通过信号调理阵列的配合实现数据采集, 通过与CAN总线收发器的配合实现数据打包及上传、参数设定及状态读取, 硬件架构框图如图1所示。

漏电火灾监测器应具有下列功能:探测漏电电流、过电流等信号, 准确报出故障线路地址, 监视故障点的变化;上报各种故障, 切断漏电线路上的电源, 并显示其状态。

2 硬件设计

2.1 核心控制单元

该方案选用ds PIC30F3014作为核心控制器[6], 是由于其具有满足应用特性的以下几大优势:

(1) 16位高性能数字信号处理器。

(2) 运行速度最高为30 MIPS。

(3) 所有DSP指令具有单周期指令。

(4) CAN总线模块:实现了CAN协议CAN 1.2、CAN 2.0A和CAN 2.0B标准。

(5) 最多13通道, 200 ksps采样率, 12 bit分辨率的模数转换器 (简称ADC, 下同) 。

(6) 专为工业级应用设计, 高可靠性。

ds PIC30F3014硬件电路设计如图2所示。在该设计中主要应用了9路ADC, 分别用于采集3对零线和火线的电流和对应于3对线路上的电线温度。除了漏电可能引发火灾外, 大功率设备正常工作时消耗的大电流, 同样会引起用电线路的温度升高, 可能引发火灾。因此, 在该设计中以漏电监测为主, 同时以用电线路的温度监测为辅, 以此来提高该系统的工作可靠性。

此外, 通过该处理器上的CAN接口模块和CAN收发器进行对接, 实现通信及数据传输。

2.2 电源设计

该检测器需要两路电源:+12 V, 用于激励互感线圈;+5 V, 用于核心控制器及运算放大器等器件供电。此外, 鉴于该产品应用的特殊性, 除了需要进行3C认证外, 还需要进行消防专业认证, 对产品电源部分的安全特性要求较高。因此, 除了通常的过压、过流等保护措施外, 该电源设计采取的是全隔离方式。监控器供电直接从AC220 V获取, 通过变压器出3组抽头, 经整流、稳压等处理输出所需要的两路电源, 另外一组抽头实现光电隔离控制。

2.3 CAN总线通信模块

在此选用CAN总线收发器82C250, 作为CAN控制器和物理总线间的接口, 提供对总线的差动发送和对CAN控制器的差动接收。尽管该收发器本身具有一定的抗电磁干扰 (EMI) 能力, 但在实际应用中传输线路中的干扰仍不容忽视。因此, 在该设计中在CAN总线接口处增加了浪涌吸收设计。

CAN总线除了完成数据传输的功能外, 还通过CAN本身的ID提供监测点的地理位置信息, 以方便管理人员查询和进行设备维护。

2.4 信号调理阵列

信号调理主要是对监测电线中的电流信号实现由电流到电压的转换 (I/V变换) , 并对弱信号进行放大和滤波等处理, 确保进入ADC的信号接近其最大输入幅度, 从而提高动态采集范围, 有效利用ADC的采集精度。在此选用MCP6004, 它是一款宽动态范围 (带宽1 MHz) 、轨到轨输入输出的四路集成运算放大器。

3 CAN应用协议设计

监测器作为下位机与上位机通过CAN总线进行通信时, 通讯格式严格执行CAN 2.0B标准帧格式。

在上下位机的CAN通信过程中, 包括下位机向上位机发送监测数据, 同时还包括上位机对下位机的参数设定及状态读取。通信过程中分为2种数据帧:广播帧和正常通讯帧。

3.1 广播帧

作为下位机的监测器是接受方, 用于上位机向众多的下位机发送地址编写、读地址、读通道数、设定辅路数等指令, 接收到相应命令后向上位机反馈对应信息。广播帧的通信格式举例如下:

3.2 正常通信帧

用于参数设定, 如报警参数设定、基准电压设定、温度校准设定、漏电电流校准设定等。此外还包括读取动作指令, 如读数据、读状态、发送断电指令等功能。正常通信帧的格式举例如下:

通过上述自定义应用层协议, 完成了上下位机的良好交互。监测器在完成漏电和线路温度监测的同时, 可接收上位机的设定指令和状态读取等指令, 从而将数据上传, 并及时响应、配合上位机进行工作。

4 结语

该监测器针对中、小型电气火灾监控系统设计, 采用嵌入式CPU作为核心控制芯片, 通过CAN总线和监控主机进行数据通讯, 可实时显示、监控回路剩漏电流和温度值。具有高性能的通讯总线, 对等的网络架构设计, 设备工作稳定, 数据传输实时可靠, 性价比较高。目前, 该漏电火灾报警监测器设计已与某公司合作完成了产品转化, 满足GB 14287.1—2005《电气火灾监控系统第1部分:电气火灾监控设备》, 通过了相关认证, 并在机场、办公大楼等智能楼宇中得到了应用。

参考文献

[1]程敦伍, 刘祖德.智能楼宇火灾报警与消防联动系统设计[J].地址勘探安全, 2000 (2) :31-33, 11.

[2]王黎明, 刘健.火灾报警系统在智能建筑中的应用[J].电子测试, 2014 (5) :93-95.

[3]孙景芝.电气消防技术[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社, 2011.

[4]GB 14287.1—2005, 电气火灾监控系统第1部分:电气火灾监控设备[S].

[5]GB 14287.2—2005, 电气火灾监控系统第2部分:剩余电流式电气火灾监控探测器[S].

火灾自动报警系统设计 篇4

随着我国经济建设的发展,现代高层建筑及重要建筑的防火问题引起了社会各界的高度重视,对消防报警系统提出了更高更严的要求。为了早期发现和通报火灾,防止和减少火灾危害,保护人身和财产安全,在现代化的工业民用建筑、宾馆、图书馆、科研和商业部门,火灾自动报警系统已成为必不可少的设施。电气工程设计、安装和使用是否正确不仅直接影响到建筑的消防安全,而且也直接关系到各种消防设施能否真正发挥作用。

1设计思想和基本思路

根据要实现的探测、处理和报警功能,火灾自动报警系统设计大致分为信号采集放大、信号处理控制和系统设置报警3个部分。

(1)信号采集部分即通过气体传感器检测室内气体浓度,将这种变化量转化成电压模拟量的变化,然后通过运放进行必要的放大,并将处理过的信号送存储器保存和显示器显示。

(2)信号处理部分是将采集到的模拟信号转换成数字信号,送入控制器进行处理。

(3)系统设置报警部分是通过预定的控制方式,利用蜂鸣器报警实现系统的准确操作。

2系统模块设计

2.1 气体浓度检测模块

室内故障监测报警系统采用4路巡回检测的方法,采用QM-N5型气体传感器检测房间气体浓度,检测结果送入模/数芯片ADC0809中进行模数转换。

选用的气体传感器解决了在较高温度下才能达到良好敏感度和选择性差的问题,并将气体传感器与保护系统联动,使保护系统在气体达到爆炸极限前动作,将事故损失控制在最低。同时,气体传感器的小型化和较低的价格,使之进入家庭成为可能。

2.2 主控模块

系统采用AT89S51单片机,其主要功能是与ADC0809芯片共同接收检测信号,并通过对数字信号的处理来控制外围电路及显示电路。采集信号经过ADC0809处理后送单片机进行数据处理,处理后的信息将通过单片机控制,在LCD显示器上显示出来,并且送存储器。其中,通过复位、程序执行、单步执行、掉电和节电的校验方式来对信号进行处理分析。

2.3 设置报警模块

该模块主要由键盘和报警器组成,气体浓度经过键盘设置后送单片机记录,当采集到的气体浓度超过安全值时,单片机驱动蜂鸣器工作,提供报警服务。

3硬件电路设计与分析

3.1 信号采集放大电路

使用LM358运算放大器,采用两级放大方式,第一级为比例放大,第二级为反相放大。

根据QM-N5传感器的阻值范围为0 kΩ ～2 000 kΩ,以及它加热到正常工作状态时在纯净空气中的阻值为20 kΩ,为了充分体现采集信号的精度,本设计选用了Rn=20 kΩ的电阻作为比例电阻,并使用了2 kΩ的输出电阻使传感器以电压的形式输出。但是由于输出电压Uo为负,因此必须要经过一个反相运算放大过程使它变成正的,然后才可以送入ADC0809进行模数转换。

信号采集放大电路如图1所示。

3.2 A/D转换电路

由于AT89S51内部没有A/D转换,因此采用芯片ADC0809进行模数转换,再通过单片机用软件进行输出。

从采用P2.7和WR控制芯片转换开始,使用INT0中断调用P1口传输数据,P2.7和RD控制单片机读取数据。ADDC接地,P2.5和P2.6 分别控制ADDB和ADDA选择通道IN0～IN3。A/D转换电路如图2所示。

3.3 存储器电路

本设计采用EEPROM存储器,EEPROM即电可擦除可编程只读存储器,其突出优点是能在线擦除和改写。它既具有ROM的非易失性的优点,又能像RAM一样随机读写。在单片机系统中EEPROM既可以扩展为片外ROM,又可以扩展为片外RAM;在调试程序中用EEPROM代替仿真RAM既能方便地修改程序,又能保存调好的程序。

3.4 显示器电路

LCD1602的数据口与单片机通过P1口连接,使能端E、RW和RS分别与P3.5、P3.6和P3.7连接,VO通过接一个10 kΩ的电位器来控制液晶屏幕的亮度。电路使用5V电源供电。

3.5 报警器电路

报警器在采集到的浓度信号大于系统设定值时,由P3.4口发出一个高电平信号,持续时间为无限长,直到单片机撤消高电平信号为止,其撤消信号由键盘Delete键发出。详细工作过程为:单片机从P3.4口发出高电平信号,高电平使三极管8550导通,点亮红色发光二极管,并触动蜂鸣器发出报警声音。

4软件设计

本设计使用C语言编写程序,以此来控制定时、计时中断和输出等。

软件部分用来配合硬件电路,控制后面电路的响应,以实现设计预定功能。其功能主要由两部分组成:一部分是对传感器接收到的信号进行处理;另一部分是实行中断处理,控制设置报警模块。两部分信号的处理都采用查询方式。本系统采用4路巡回检测,轮换选择4个传感器工作,并且在显示器上轮流显示工作传感器所检测到的浓度值。当检测到的浓度小于设定值时,等待定时器中断;否则执行中断程序进行报警处理,显示浓度。

5结束语

火灾自动报警系统采用单片机,对火灾发生前、后的变量进行检测对比,设定阀值从而达到自动报警的目的。在此系统的基础上,可以进行多变量检测以提高报警的准确性,也可以串联灭火系统达到自动灭火的作用,另外还可以与计算机协同监控,从而加强对火灾的控制。如今高层建筑越来越多,而我们的高层灭火体系还不够完善,火灾自动报警灭火系统还有很大的发展空间。

参考文献

[1]马明建.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社,2006.

[2]吴龙标,方俊,谢启源.火灾探测与信息处理[M].北京:化学工业出版社,2006.

[3]陈南.建筑火灾自动报警技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

[4]张满栋,杨胜强,高伟卫.报警控制图形系统开发实例[M].北京:机械工业出版社,2006.

风管火灾探测报警技术研究 篇5

风管火灾探测报警的目的正是为了检测风管中火灾烟气的存在,阻止烟气通过风管管路蔓延传播。在火灾发生时,一旦风管感烟火灾探测器检测到烟气进入暖通空调系统的风管管路中,风管感烟火灾探测器就会产生报警信号,关闭整个系统或者部分受影响管路的风机,控制风阀动作,从而达到控制烟气通过暖通空调系统蔓延传播、防止火势进一步扩大和保护暖通系统不被火灾和烟气破坏的目的。

笔者介绍了风管感烟火灾探测目的和目前国内外应用情况,论述了风管感烟火灾探测的基本原理。采用流体力学技术模拟仿真探测器内三维的复杂流体结构,完成了探测器机械结构设计,通过适合气流采样的光电探测单元设计完成了探测单元设计,对探测器整机性能开展了相关的评估测试。通过对国外相关标准的研究,对相关工程应用设计方法进行了论述,提出了我国的应用建议,目的是促进风管火灾探测报警技术在我国的发展和应用。

1 国内外研究与应用现状

国外发达国家较早开展了HVAC系统风管火灾探测报警技术研究,并且制定了比较全面的相关标准和设计规范。美国国家标准NFPA 90A《暖通空调系统设计规范》、NFPA 72《火灾报警规范》、NFPA101《生命安全规范》等都涉及了风管火灾探测的内容。其中,NFPA 72-2005中第5.14、6.15.5等章节规定了HVAC系统中风管感烟火灾探测器的应用,目的是防止烟气回流,产生报警信号,触发防火阀动作。NFPA 101-2006第8.5.5.7中规定感烟报警时防火阀关闭。欧洲标准CEN 54-14-2004《火灾自动报警系统设计安装和使用》A6.4中规定了风管感烟火灾探测器的设置和作用。

美国保险商试验室制定了专门的产品标准UL268A《风管感烟火灾探测器》。ISO于2006年发布风管感烟火灾探测器标准ISO 7240-22《火灾探测报警系统第22部分:风管感烟火灾探测器》。国外典型风管火灾探测器产品有美国SystemSensor公司的Innovair系列风管火灾探测器、德国ESSER公司ADD型风管火灾探测器以及日本HOCHIKI公司DH-98风管感烟火灾探测器等。

在我国,针对HVAC系统的防火保护方面,主要依据GB 50016-2006《建筑设计防火规范》9.4节、10.3节以及GB 50045-95(2005版)《高层民用建筑设计防火规范》8.5节等,规定HVAC系统采用防火阀来隔烟阻火。在HVAC系统的火灾早期探测报警方面,我国还处于空白阶段。因此,在公安部消防局应用创新项目的支持下,笔者开展了风管火灾探测报警技术研究工作,设计了风管火灾探测器并开展了工程应用设计方面的研究。

2 风管感烟火灾探测器的设计

2.1 基本原理

风管感烟火灾探测的基本原理见图1所示。探测器由盒体和两根采样管组成。安装在上风处的总压管(即进气管)上通常有一排采样孔。风管中的气流由于压差的通过采样孔经总压管进入盒体,在盒体内流过感烟探测单元,由静压管(即排气管)重新排出到风管中。如果气流中有烟雾,就会触发探测器报警,并按预设逻辑联动相关设备(风机、阀等)动作。由于探测器安装在风管外部,因而具有使用简单、维护方便等优点,是目前风管火灾探测器的主流产品。

2.2 基于流体力学的结构设计

由于风管感烟火灾探测器是根据采样管中收集到的气流来探测烟雾,因而探测器中的气流组织对报警功能的实现起着至关重要的作用。然而,探测器内部的气体流动是非常复杂的,简单的经验计算并不能够准确反映真实的流场情况。复杂的几何特征决定复杂的流体结构,流体结构反过来与几何结构产生复杂的相互作用,使得探测器内的流动成为三维的复杂结构。而探测器盒体内的流场对探测单元的灵敏度又起着决定性的作用。所以,研究风管及探测器的流体力学问题就十分有意义,这是设计风管火灾探测器的关键步骤。

笔者采用流体力学计算软件开展了模拟探测器在不同流动条件下所产生的流体结构及特性,分析影响探测器盒体内流动的因素,讨论不同几何结构对流场结果的影响,分析其中的流体力学机理,并提供优化方案,为整机结构设计提供了依据。图2是风管内风速为10 m/s时探测器中心剖面上的气流速度和湍流分布情况。

2.3 光电探测设计

风管感烟火灾探测器电路功能框图如图3所示,主要包括信号采样处理和控制输出两大部分。信号采样和处理部分主要完成基于红外光电原理的烟雾浓度检测和信号的放大、处理以及烟雾信号的软件识别算法。控制输出主要完成电源转换以及输出接口和显示等功能。与普通点型光电感烟火灾探测器不同的是,由于暖通系统风管中的气流流速快、气体湿度范围大,其烟气的特点与在气流平稳、扩散空间充裕的室内等环境中有所不同,因而笔者设计的光电探测部分充分考虑到上述烟粒子的特点,取得了比较好的探测效果。

2.4 整机性能测试

笔者完成的风管感烟火灾探测器样机见图4所示。其主要技术指标为:电源为24 V;设有两组无源触点输出;具有外壳上罩脱落检测功能和外部复位功能;探测腔采用复合结构设计,既可配接专用烟雾探测模块,也可配接符合气流烟雾探测功能要求的通用点型感烟探测器。

在图5所示的火灾探测性能综合模拟评估试验平台上对笔者开发的风管感烟火灾探测器进行了测试,图中描圈的部分是安装位置。结果表明,该探测器在响应阈值、抗电气环境干扰性、火灾探测灵敏度和风管烟气探测性上均表现出了优异的性能。

3 风管探测器的工程应用

风管感烟火灾探测器主要安装于暖通空调风管系统的供风系统和回风系统中,来探测通风管路中火灾烟气的存在,从而控制烟气通过风管系统蔓延传播,并同时保护暖通空调系统不被火灾烟气破坏。通常,影响风管系统的火灾烟气主要有3种。

(1)室外烟火源。

在建筑室外中央空调系统新风口处发生的火灾,其生成的烟气极有可能通过新风口进入中央空调系统内部,再通过送风管路进入空调房间,危及空调房间内部人员及财产安全。

(2)中央空调系统中的火源。

随着建筑规模越来越大,中央空调系统的负荷也随之增大,加之有些系统维护检修不足,空调机房内部的制冷、加热系统和空调风机等设备也极易引发机械电器火灾。另有研究也表明,在暖通空调系统管路中存在的粉尘沉积物也存在大量的可燃物质,这也极易引发暖通空调管路系统内部的火灾。

(3)空调房间中发生的火灾。

当建筑内部的空调房间内发生火灾,迅速生成的烟气和火焰,由于空调房间的正压作用,极易通过房间内的回风口蔓延至暖通空调的回风管道中,继而沿着回风气流继续传播。

参考国外相关标准,针对典型的起火源,笔者总结了风管感烟火灾探测器的工程应用方法,主要包括探测器设置位置、安装与使用条件、安装过程、联动关系设置、检测与维护等方面。

通常情况下,暖通空调系统的供风系统和回风系统均需要安装风管感烟火灾探测器。例如,美国国家报警规范NFPA 72《火灾报警规范(2007版)》中规定:在暖通空调系统供风系统风机和空气过滤装置的下游和每个防烟分区的回风口后,以及在气流进入两个或两个以上防烟分区共用的回风管路之前,都应该安装与该位置风速情况相匹配的风管感烟火灾探测器。同时,在使用风管感烟火灾探测器时,还应该注意它并不能代替常规的点型感烟火灾探测器来保护建筑室内的空间,而是作为火灾自动报警系统中的一个组成部分来发挥作用。

4 结 论

对建筑内的HVAC系统风管开展火灾探测的研究与应用具有重要的意义。笔者在借鉴发达国家产品与技术基础上,通过综合采用优化流体结构设计、适于探测气流烟雾粒子的光学探测室结构设计和红外光电烟雾探测及信号放大、处理电路设计等技术环节,成功开发出风管感烟火灾探测器。性能测试表明,在响应阈值、抗电气环境干扰性、火灾探测灵敏度和风管烟气探测性上均表现出了优异的性能;与国外产品相比,各项性能指标基本达到先进产品水平,在灰尘和水雾的抗干扰能力上表现出较大优势。

在分析和总结国外相关工程应用规范的基础上,进一步的研究工作主要集中在产品的生产工艺和工程实际使用等方面,工程应用效果的反馈将促进该探测器设计的进一步完善和相关标准、规范的制修订,从而促进风管感烟火灾探测器在我国的发展与应用。

参考文献

[1]董文辉,李宁宁,梅志斌,等.欧美火灾报警规范中的若干特殊应用设计[J].建筑电气,2008,27(1):126.

[2]董文辉,陈广,张曦,等.风管火灾探测报警技术原理与应用[C].全国消防标准化技术委员会火灾探测和报警分技术委员会2009年学术会议论文集,2009.

[3]GB 50019-2003,采暖通风与空气调节设计规范[S].

[4]GB 50243-2002,通风与空调工程施工质量验收规范[S].

[5]GB 50116-98,火灾自动报警系统设计规范[S].

[6]UL 268A,Smoke detectors for duct application[S].UnderwritersLaboratories Inc.Standard for Safety.2008.

[7]李岱森.空气调节[M].北京:中国建筑出版社,2008.

[8]董文辉,厉剑,梅志斌,等.火灾探测性能综合评估试验平台设计[J].消防科学与技术,2006,25(6):789-792.

[9]董文辉,李宁宁,梅志斌,等.欧美国家火灾报警系统规范介绍及启示[J].消防科学与技术,2008,27(6):423-426.

智能火灾报警系统设计 篇6

1 总体方案

本系统包括前端检测模块、报警接收模块、键盘显示模块、外设控制模块、报警通信模块等。主要工作是针对报警控制设计。系统的工作流程大致如下:主控模块通过对数据采集模块采集到的温度和烟雾浓度, 如果温度和烟雾浓度大于设定值, 通过单片机控制报警模块, 发出报警信息, 并通过DTMF自动拨号电路实现对相关人员 (如119) 的报警通知。通过RS232与上位机进行实时通讯。在空闲时, 通过数码管显示室内温度。同时通过24C64掉电存储器来存储各时段温度数据, 方便调出查看。总体设计方案方框图如图1所示。

2 检测电路

在传统的模拟信号远距离温度测量系统中, 需要很好地解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题, 才能够达到较高的测量精度。在温度测量系统中, 采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的有效方案, 新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点, 在实际应用中取得了良好的测温效果。因此, 此处采用DS18B20温度传感器作为温度测量的核心器件, 只要根据该器件的编程步骤正确编程即可得到精确的温度读数。温度传感器采用外电源供电的方式, 可减少干扰, 提高测量精度。需要测多点的温度时, 可以在待测点放置传感器。单片机只需要一根信号线即可读取各个地方的温度。

气体传感器是气体检测系统的核心, 是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。本设计采用MQ-2气敏传感器, 该种传感器即为一种常用的半导体气体传感器。

在传感器的H端加加热电压, 输出电阻用来产生输出电压。该电压经过555转换后供单片机读取, 运用555定时器组成施密特触发器, 如果MQ-2输出电压根据烟雾浓度逐渐增加, 当MQ-2输出电压即555定时器的输入电压小于VCC/3时, 根据555定时器输出功能表可知, 输出OUT为高电平, 当555定时器的输入电压大于VCC/3且小于2VCC/3时, 输出电压持续高电平, 一旦555输入电压大于2VCC/3时, 输出OUT就由高电平变为低电平, 输出的低电平提供给单片机一个触发信号, 使报警器报警。从而完成了对火灾发生时烟雾浓度的检测。

3 用户端报警器设计

智能火灾报警系统用户端报警器设计, 包括键盘显示电路、自动拨号电路、警音电路、与上位机通讯电路、存储电路等一系列工作电路的设计, 其关键部分在于自动拨号电路的设计。

众所周知, 电话机有两种拨号方式, 即脉冲拨号方式和双音多频拨号方式, 现在尤以双音多频的使用最为普遍。本设计中采用MT8888芯片作为自动拨号电路的核心器件。MT8888的发送部分采用信号失真小、频率稳定性高的开关电容式D/A变换器, 可发出16种双音多频DTMF信号。接收部分用于完成DTMF信号的接收、分离和译码, 并以4位并行二进制码的方式输出。MT8888芯片集成度高、功耗低, 可调整双音频模式的占空比, 能自动抑制拨号音和调整信号增益, 还带有标准的数据总线, 可与TTL电平兼容, 并可方便地进行编程控制。

4 软件设计

系统软件设计主要完成系统的初始化功能 (包括对AT89S52的初始化设置, 8255A和MT8888的初始化设置) , 并采集温度和烟雾浓度数据, 调用存储子程序完成对数据的存储, 显示温度, 必要时调用自动拨号子程序, 发出报警信号, 并与上位机实时通信。

参考文献

[1]金发庆.传感器技术与应用[M].北京:机械工业出版社, 2004

[2]蒋佳佳, 段发阶.智能火灾两级报警与联动控制系统的设计[J].传感技术学报, 2010, 23 (4) :373~376

火灾报警控制系统的应用 篇7

关键词：火灾报警控制系统,联动控制,火灾报警控制器

0 引言

安钢御景园小区是安钢集团公司的“绿化先进单位”,是安阳市物业管理优秀小区。河南省建设厅授予御景园小区“河南省物业管理示范住宅小区”。

安钢御景园小区内设有会所、诊所、储蓄所、幼儿园、篮球场、羽毛球场等公共配套设施,水、电、气、暖、有线电视、通讯、泊车等配套设施合理齐全,智能化7个子系统先进、安全、可靠。

安钢御景园火灾自动报警系统遵循国际标准GB4717-1993《火灾报警控制器通用技术条件》和GB1686-1997《消防联动控制设备通用技术条件》的要求,并参考欧洲标准EN54-2和EN54-4的相关要求,设计了新一代报警联动一体化智能控制器。火灾监控系统由火灾探测器、输入输出模块、火灾报警控制器和消防联动控制设备等构成。

1 工程概况

安钢御景园共安装两台火灾报警控制器,即两台主机,型号均为JB-QG-GST5000(联动型),安装在该小区监控中心,两台主机分别对应一期与二期工程。

该工程由开发单位安钢集团金信房地产开发有限责任公司与设计单位北京中机十院国际工程有限公司及施工单位北京中卓时代消防工程有限公司(一期工程)和郑州众诚科技发展有限公司(二期工程)等共同实施完成。安钢御景园一期工程于2005年3月开工建设,2006年12月25日竣工,小区占地面积128.64亩,建筑面积16万m2,住宅楼23栋,其中高层8栋,多层15栋,共计934套,配备有会所、诊所等公共设施。二期工程承接一期模式于2007年3月开工建设,2008年12月底竣工,小区占地面积120.143亩,建筑面积14万m2,住宅楼22栋,其中高层6栋,多层16栋,共计874套。

这两台主机联网,涵盖了整个小区地面和地下的设备,满足了该小区火灾报警系统的需要。主机性能先进,功能强大,容量大,采用图形化彩色显示界面。

在设计火灾自动报警及消防联动控制系统时,首先明确建筑物本身建筑特点和功能特点,了解该建筑的防火工程设计中其它专业,尤其是设备(通风、水)专业对于电气专业的设计要求,然后根据有关规范对建筑物定性,确定系统的总体结构。本小区的火灾自动报警及消防联动控制系统采用集中报警系统。

2 主机控制器的功能特点

JB-QG-GST5000型控制器采用柜式结构,其最大容量可扩展到20个242地址编码点的回路。它是海湾公司推出的新一代火灾报警控制器,特点:

(1)控制器采用柜式结构,各信号总线回路板采用插拔式设计,系统容量扩充简单、方便。不论对联动类还是报警类总路线设备,控制器都设有不掉电备份,保证系统调试完成时注册到的设备全部受到监控。

(2)图形化彩色显示界面,不同信息采用不同窗口显示,同屏可显示4种信息,当有多种类型的信息存在时,通过“全屏/分屏”键和“窗口切换”键操作,可以方便地看到各种全面细致的显示信息。图形化操作界面清晰易懂、方便直观,通过简单的操作就可实现系统提供的多种功能。

(3)灵活的模块化结构和多种功能配置选择。控制器主控部分由接口统一的各类功能模块组成,配置极为灵活方便,通过调整接入的回路板数可实现总路线设备1～4840个地址编码点的任意配置。

(4)控制器可加配联动控制用电源系统,标准电源盘可提供24VDC、6V电源总线。

(5)具备全面自检功能的多线制控制盘。

(6)控制器容量内的任一地址编码点,可由编码火灾探测器占用,也可由编码模块占用。

(7)可外接64台火灾显示盘,支持多级联网,每级最多可接32台其他类型控制器。

(8)控制器可扩充消防广播控制盘和消防电话控制盘,组成消防广播和消防电话系统。

由于功能强大,性能好,控制器可以控制整个御景园小区一期工程火灾报警的探头及感温电缆。该系统在小区监控中心设置有火灾显示盘,并在每栋楼每单元均设置了消防电话分机。

3 消防联动控制

联动控制的对象有防排烟设备、机电设备、灭火系统。操作方式有自控、远控、现地3种。

该工程的消防联动控制系统是总线制联动系统与多线制系统相结合的。在确认后,由它们根据水流指示器、报警阀、消火栓按钮的动作情况启动消防水泵、正压送风机、防排烟系统、报警装置。对这些重要的消防设备,既可以进行逻辑自动联动控制,又可以在控制盘上直接反映该设备实时的工作状态。各个联动设备均就地设置手动操作按钮,以在消防控制中心操作失灵等意外情况发生时,仍能有效对联动设备进行操作。

该自动报警和消防联动控制系统所要完成的任务为:控制中心对探测回路进行巡测,当某一探测区域内着火,该处探测器采集到现场信号,并立即把信号发回控制中心的控制器;控制器将对此信号进行判断,确认着火后,向火灾现场发出声光报警信号和火灾应急广播;另外联动控制向需要联动的消防设备发出执行信号,包括点燃应急照明和疏散指示器照明,启动消防水泵和正压送风机,启动火灾现场的排烟风机、打开相关的排烟口和防火阀,迫降电梯并使消防电梯处于待命状态,切断非消防电源,消灭初期火灾。

4 综合布线分析

安钢御景园小区的面积相对较大,环境复杂,所以火灾自动报警系统的布线需要考虑:防止火灾发生时消防控制通信和警报线路中断,使灭火工作无法进行,造成更大的经济损失;抑制电磁干扰(如变压器、电动机、动力电缆等)对火灾自动报警系统产生的影响。为此,火灾自动报警的传输线路与消防控制、通信和警报线路均采用阻燃型电缆,并用金属管保护。消防联动控制设备的手动直接控制装置的线路也采用耐火型电缆和金属管保护。敷设方式采用明敷时(比如没有吊顶的部分低压电气室),均采用管布线,吊顶的都采用金属管保护的布线方式,保证了防火的要求。

系统整体设计集总线制与多线制于一身,多种结构形式并存。系统具有多种数据通信方式,实现了数据通信标准化和设备监控管理规范化。

5 发展趋势及应用效果

无线火灾报警系统是近几年来在国外发展起来的新型火灾报警系统,与传统的火灾报警系统相比,它有独特的优势并孕育着巨大的市场潜力。

传统火灾报警系统,通常需要通过布线将系统中的各种部件连接起来,往往需要花费大量的时间,甚至造成建筑物结构被破坏。在无线火灾报警系统的组成中,所有的传感器、发生器以及其他相关装置是通过无线电信号而不是以往的电缆与控制面板相联系,使硬件系统的安装简单而快速。所有的探头、发生器等装置只需用螺钉或双面胶带就可以在几分钟安装完毕,最大限度地减少对客户的干扰和对建筑物的破坏。

无线火灾自动报警系统设计 篇8

关键词：无线通信,巡检协议,火灾报警系统

近年来,随着物联网技术的兴起,大数据、云计算等技术得到广泛应用,基于无线通信的火灾自动报警系统引起国内外广泛关注。尽管两总线式系统的施工布线已经比较简便,但仍然存在安装维护成本高、升级改造难度大等问题,特别是对于家庭以及一些特殊的应用场合,已无法满足实际需求。例如,对于文物古建筑,有线火灾报警系统在安装过程中需要开槽穿管,对建筑物会造成破坏,对于此类保护性建筑不适用。此外,对于多产权建筑、小型邻街商业店铺以及临时性建筑等场所,非常适合采用无线式火灾自动报警系统。

无线火灾报警系统安装方便,不需穿管布线,对建筑物没有破坏,对建筑使用功能发生变化时的适应性强,得到目前国内外研究者的广泛关注。以Zigbee为代表的2.4G组网技术是目前无线火灾自动报警系统常用技术,但2.4G传输仅在视距范围有优势,障碍物对其传输影响很大。对于一些大体量、分隔复杂的建筑,2.4G组网要保证较好的传输质量,就需要设置大量的中继或增大辐射功率,但这也会造成成本的上升,与无线火灾报警系统低成本、低功耗的初衷不相符。

针对上述问题,笔者分析了无线火灾报警的业务特点,提出了433M无线火灾报警系统架构和专用通信协议方案,设计完成无线火灾报警系统,以解决三合一场所、多产权邻街店铺、砖木或木结构文物古建筑、临时性建筑等场所的现实防火需求。

1 系统架构设计

有线式火灾自动报警系统造价高、施工难度大,但因信号通过线缆传输,并具有护套及铜管保护,故信号质量高,可以实现高容量高稳定的系统。无线火灾报警系统的信号是一种开放式的传输方式,受距离和障碍物的影响较大,导致系统传输速率、容量等相比有线系统略低,且为保证火灾报警信号与消防设施监管信号的无差错实时传输,系统规模不宜设置过大。因此,在无线火灾报警系统在应用模式上,应根据现场已有消防设施条件的不同,在架构模式上采用不同的设计。

一是对于已设置有线火灾自动报警系统的规模较大建筑,当因单元内部格局更改,或建筑单元局部增加,需要对已有系统进行局部改造或扩容时,无线系统可作为有线系统的补充,以子系统的形式接入原有有线系统,这种结合模式下主干网络仍采用有线形式,整体系统稳定性高,局部根据环境特点采用无线形式,设置灵活且改造成本低。

二是对于原有未设置有线火灾报警系统的小规模建筑,或服务期限较短的临时性建筑,整个火灾自动报警系统均应采用无线形式,因系统容量不大,可以实现信号无差错实时传输保证。

根据上述两种不同情况,系统采用了两种分别针对全无线通信场景和有线无线相结合场景的架构模式,可分别通过无线信号或CAN总线接入火灾报警控制器,如图1所示。整个系统由火灾报警控制器、中继模块、现场模块构成。

(1)中继模块。中继模块对外提供无线火灾报警系统的数据交换接口,并负责建立局部无线网络,以433M射频方式将现场模块接入,并负责现场模块的巡检工作。电源采用消防电源。与2.4G频段相比,433M射频通信波长长,易绕过障碍物,且抗干扰性好、适用于作为无线式火灾自动报警系统的基础通信技术。

中继模块与火灾报警控制器的连接,根据现场环境可选择有线制和无线制两种方式。其中,有线制采用CAN总线通信,无线制可以通过433M射频或GPRS网络通信。中继模块仅在巡检到火警信号或故障信号时向控制器上报上述信号。

(2)现场模块。现场模块包括火灾触发模块、设施监管模块以及输出模块三类。火灾触发模块包括火灾探测器、手动报警按钮;设施监管模块包括防火门监测装置、消火栓压力监测装置等;输出模块包括声光警报器、联动输出模块等。

现场可设置多个中继模块接入到火灾报警控制器,每个中继模块各自管理一部分火灾触发模块、设施监管模块以及输出模块,建立属于自己的同频网络。不同中继模块建立的网络之间采用跳频方式避免同频干扰。通过扩展中继模块数量,实现对现场火灾自动报警业务需求的完整覆盖。

2 模块硬件设计

此系统中继模块与现场模块设计构成,如图2所示。核心控制芯片采用TI MSP430低功耗系列芯片,无线传输功能基于MRF49XA射频芯片构建。依据《微功率无线电设备的技术要求》,无线网络设计工作在433M公共免费频段,符合国家无线电管理委员会要求,支持多频点的频率复用和跳频技术,具有较高的频率利用能力,所有模块均支持双向收发与休眠唤醒功能。

3 无线通信设计

3.1 无线火灾自动报警系统通信特征

(1)单次通信数据量少。火灾自动报警系统中需要进行传输的数据主要包括火灾探测报警信息以及消防联动控制信息,大部分数据类型都可表示为开关状态量,每种数据的长度通常在几个字节内。

(2)实时性要求高。依据GB 4717-2005《火灾报警控制器》的要求,从探测器发出火灾报警信号到控制器接收到该信号并发出警报的时间应控制在10s内,而当系统内任一模块发生故障时,火灾报警控制器应在100s内检测到该故障。

(3)故障监测通信具有常发性。为了能够实时监测系统内各模块状态信息,满足100s内获知模块故障状态的业务需求,系统需要以固定的周期查询模块状态。

(4)火灾报警信号的传输具有偶发性。火灾作为一种灾害,在某一个固定建筑物内的发生频次是很低的,因此火灾报警信号的传输具有偶发特点。

(5)具有能耗约束。与有线系统不同,无线报警系统中模块通常采用电池供电,能源有限。实际现场对电池的使用寿命要求通常需要能达到1a,因此无线系统中的通信行为是在能源有限的约束下进行的。

针对上述特点,此系统充分压缩了通信数据帧,并提出了一种可减少通信能耗的巡检协议。

3.2 通信帧设计

依据无线火灾自动报警系统通信行为单次通信数据少,但对实时性要求高的特点,通信帧设计如图3所示。一帧数据共10B,数据量小,有利于降低传输功耗,其中前导字节与同步字节为固定字节,类型、状态、数据域使用1个字节,地址域中源地址和目的地址各占1个字节。各类探测器和消防设施类型和状态都采用位编码方式编码进1个字节中,共可编码256种类型和256种状态。

3.3 间隙插入式巡检逻辑设计

依据无线式火灾自动报警系统中通信行为的功耗约束特点,通信次数越频繁,电池电量消耗越快,而根据通信实时性与常发性特点,网络点数越大,在一个巡检周期内进行的通信次数越多。因此,网络规模与能耗优化是一对相互制约的参数。针对上述问题,此系统巡检逻辑流程设计如图4所示。

在一个巡检周期中,一个同频网络以时分多址方式划分每个现场模块的时分地址,按网络中模块数量设置一系列查询场,并一一分配给各现场模块。每个现场模块在自己的查询场到来时被唤醒,中继模块对该现场模块进行一次状态查询后该现场模块重新进入休眠状态。

为了实时检测到火灾,每个现场模块每隔一定时间唤醒一次主控MCU检测火灾,而无线功能部分仍保持休眠,若无火灾则立刻重新进入休眠状态,若检测到火灾则唤醒无线功能部分并保持。

在查询两个相邻地址模块的间隙时间,中继模块插入火警单询指令,对所有火灾触发模块进行单询,由于唤醒休眠策略的设置,只有处于火警状态的火灾触发模块才保持唤醒,能够应答查询。

上述巡检逻辑设计具有3个特点:

(1)可将巡检周期尽可能地拉长,使得在没有火灾的正常监测情况下,模块的通信次数下降,从而降低其通信能耗。

(2)将网络通信的主要负荷移到中继模块,由于中继模块采用消防电源供电,不存在能耗约束,在实际现场具有较高实用性。

(3)火灾发生时,通过利用两次巡检查询之间的间隙,插入火警轮询指令,避免了因巡检周期拉长后可能导致的火警传输延迟问题,火警信号的传输仍然能够满足实时性要求。

4 试验测试

系统各部分实物如图5所示,按消防标准在某建筑物中部署设置无线火灾报警系统进行测试,测试结果如表1所示。

此系统现场模块的通信半径在有墙体阻隔的情况下可以达到35m,一个同频网络共可覆盖约1 000m2的空间,对于无墙体直接阻隔的场所,通信半径则更长,而且现场模块的工作电流小于93μA,在配备2 400mAh的电池情况下,最高工作时长可以达到3a,可以满足三合一等中小场所的实际需求。此系统的通信丢包率低至1/11 110,意味着一万次通信至多有一次可能发生丢包,而且即使发生丢包,通过在两个模块巡检间隙插入重查命令,可重新获得丢失的数据包。另外,系统的时效性也能得到保证,在一个中继管理100个现场模块的规模下,火警上报时间可以控制在5s内,现场模块故障发现时间可以控制在10s内。

由测试数据可知,此系统具有足够低的工作电流,信息传输时延小,丢包率低,满足无线式火灾报警系统所需要的低功耗、实时、传输错误率低等要求。

5 结束语

笔者通过分析火灾自动报警系统的设置特点,提出了433M无线式火灾自动报警系统架构,设计开发了系统模块硬件,并在分析总结了无线火灾自动报警系统通信行为特点的基础上,设计了可有效降低平均通信功耗的间隙插入式巡检协议,完成了无线火灾报警系统的设计开发。与2.4G通信技术相比,此系统利用了433M射频信号的波长优势,绕射能力强,与其他低兆赫射频通信无线火灾报警网络相比,系统具有可以有线系统集成,且平均通信能耗小的特点,其应用将有助于提高三合一场所、多产权邻街店铺、砖木或木结构文物古建筑、临时性建筑等场所消防安全工作水平。

参考文献

[1]傅胜兰,黄冷雨.塑料加工企业聚集区消防安全对策探讨[J].消防科学与技术,2011,30(10):962-965.

[2]张静峰.上海世博会场馆布展中的火灾危险性及防火对策[J].消防科学与技术,2011,30(4):341-344.

[3]赵华亮.上海世博会篷房建筑的防火设计原则[J].消防科学与技术,2010,29(3):206-208.

[4]王建军.文物古建筑科学防火思维与对策[J].消防科学与技术,2014,33(11):1334-1336.

[5]尹军,蒙建波,杜彬贤.基于Zigbee实现家庭火灾报警系统的设计[J].重庆大学学报,2012,(S1):53-56.

[6]姜印平,刘江江,李杰.基于MSP430单片机的智能电池监测仪[J].仪器仪表学报,2008,29(5):1040-1043.

[7]钱志鸿,王义君.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电子与信息学报,2013,35(1):215-227.

[8]GB 4717-2005,火灾报警控制器[S].

[9]GB 50116-2013,火灾自动报警系统设计规范[S].