智慧城市感知消防系統(tǒng)的軟件平臺設(shè)計

鐘君柳，鄭春芳，張永亮

（1.廣東機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510515；2.廣州航海學(xué)院，廣東廣州 510515）

智慧城市感知消防系統(tǒng)的軟件平臺設(shè)計

鐘君柳1，鄭春芳2，張永亮1

（1.廣東機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510515；2.廣州航海學(xué)院，廣東廣州 510515）

主要介紹智慧城市感知消防系統(tǒng)的軟件平臺設(shè)計，提出了采用RS-485通信和WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)的ZigBee技術(shù)的雙備份通信技術(shù)，使系統(tǒng)模型同時具有有線和無線雙備份組網(wǎng)的能力，系統(tǒng)通信具有一定冗余性，增加了通信的可靠性。最后，采用實驗并搭建仿真模型的方法，驗證所提出的技術(shù)方案的可行性，為未來智能的感知消防系統(tǒng)設(shè)計提供了一個技術(shù)參考。

智慧城市；感知消防系統(tǒng)；組網(wǎng)技術(shù)；系統(tǒng)模型

0 引言

縱觀現(xiàn)有的消防報警技術(shù)及市面上銷售的消防系統(tǒng)產(chǎn)品，不管是國內(nèi)或者國外的產(chǎn)品，普遍存在聯(lián)網(wǎng)探測點數(shù)偏少（一個大型控制系統(tǒng)也是12 700點數(shù)，如果采用撥碼電路的方式，探測點數(shù)更少），增加探測點數(shù)困難（只能在火災(zāi)報警控制器內(nèi)增加回路板），一般使用的232串口通信，CAN總線，或者是自己獨有的總線技術(shù)（使用距離有限，最大傳輸距離為1 200 m），部分兼使用485總線，組網(wǎng)都比較困難，不易維護，自動識別故障困難，而且現(xiàn)有系統(tǒng)不具備無線通訊的能力。

因此，本文針對現(xiàn)有消防系統(tǒng)技術(shù)存在的缺點，并根據(jù)所提出的智慧城市感知消防系統(tǒng)模型，研究了一種智慧城市的易增加探測點數(shù)、擴展探測范圍，具有雙向通訊能力、穩(wěn)定可靠、實時性強的感知型消防報警控制系統(tǒng)的軟件平臺設(shè)計。軟件平臺使用有線電纜RS485構(gòu)成數(shù)據(jù)通訊總線，通信總線除了能完成必要的通信巡檢之外，還可以識別短路、斷路、掉線等故障。軟件平臺還充分利用物聯(lián)網(wǎng)最新技術(shù)成果，使用了WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)的ZigBee技術(shù)來進行無線的組網(wǎng)，使該系統(tǒng)模型同時具有有線和無線雙備份組網(wǎng)的能力，系統(tǒng)通信具有一定冗余性，增加了通信的可靠性[1]。

1 智慧城市感知消防系統(tǒng)模型的方案設(shè)計

本系統(tǒng)系統(tǒng)模型主要由：火災(zāi)報警控制器（主控制臺）、點型感溫探測器（從機）、點型感煙探測器（從機）、手動報警按鈕（從機）、消火栓按鈕（手動報警）、輸出模塊、輸入輸出模塊、警鈴（蜂鳴器）、揚聲器（語音報警）、噴淋泵、有線通信網(wǎng)絡(luò)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、后備太陽能電源、LED廣告牌以及自動巡檢的消防車等組成[2-9]。系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖如圖1，系統(tǒng)模型實物圖如圖2所示。本智慧城市感知消防控制系統(tǒng)的狀態(tài)包括正常監(jiān)控狀態(tài)、故障檢測狀態(tài)、響應(yīng)狀態(tài)、運行狀態(tài)都是根據(jù)國標(biāo)的要求而設(shè)計的，系統(tǒng)模型滿足國標(biāo)的要求，可用于工程上的實際運用。

圖1 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)模型實物圖

2 智慧城市感知消防系統(tǒng)模型雙備份通信技術(shù)

雙備份通信技術(shù)就是使系統(tǒng)模型同時具有有線和無線雙備份組網(wǎng)的能力。本系統(tǒng)有線通信技術(shù)采用RS-485通信方式，無線通信技術(shù)采用WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)的ZigBee技術(shù)，下面將分別介紹兩種技術(shù)特點[10]。

2.1 RS-485通訊方式

RS-485是一種多發(fā)送器標(biāo)準(zhǔn)，在通信線路上最多可以使用32對差分驅(qū)動器/接收器。485通訊芯片的外觀和引腳圖如圖3。

圖3 MAX485引腳封裝圖與實物圖

一個從機作為中繼模塊通過485總線可以掛接32個設(shè)備，一個主機如果自帶1路串口，則可以掛接32個從機（中繼模塊），這樣掛接探測點數(shù)可以達到32×32=1 024個，如果把一個從機（中繼器）作為下一級主機，則系統(tǒng)可以擴展為32×32×32=32 768個。理論上可以繼續(xù)擴展，但考慮到單片機處理速度，最多擴展2級，如果要繼續(xù)擴展可以使用多串口，運行速度達到200 M以上的ARM9或者FPGA作為控制核心[11]。

2.2 ZigBee通信方式

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

該系統(tǒng)模型研究了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用了WSN網(wǎng)絡(luò)的ZigBee技術(shù)作為系統(tǒng)模型的輔助通訊方式。系統(tǒng)模型從機把采集的各種信息通過有線電纜傳輸給主機，同時從機也會把信息傳給ZigBee模塊，通過ZigBee把信息通過無線收發(fā)的方式跟主機保持通訊。一旦從機有線電纜發(fā)生故障的時候，如果此時發(fā)生火警信息，從機將無法報警，錯失火警報警、人員疏散的寶貴時間。該系統(tǒng)使用ZigBee無線模塊作為備份的通信系統(tǒng)，即使有線電纜出現(xiàn)故障，也不影響系統(tǒng)的正常監(jiān)控、報警等狀態(tài)，使系統(tǒng)通信具有更高的可靠性。其電路實物圖如圖4所示。

圖4 ZigBee模塊實物圖

3 智慧城市感知消防系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本文研究的智慧城市消防感知系統(tǒng)設(shè)計的軟件部分采用C語言結(jié)構(gòu)進行編寫。

C語言編寫的程序結(jié)構(gòu)清晰、條例明確。通過WAVE仿真器上位機程序編譯連接可以自動生成用于燒寫于單片機的.BIN文件。而且通過編譯可以自動分配數(shù)據(jù)區(qū)和程序區(qū)的地址。

系統(tǒng)模型主機需要通信的對象如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主機模型通信對象

圖5中，從機、數(shù)據(jù)存儲模塊、GSM模塊都有一塊MCU控制著各個模塊的運行，與此同時帶來的好處就是，主機只需要與各個模塊上的處理器通信，再由各模塊上的處理器實現(xiàn)各自模塊對應(yīng)的功能。從圖5中看，主機與從機陣列中各個從機通信的內(nèi)容除了地址碼不相同外，其他的通信內(nèi)容都是一樣的，主機與數(shù)據(jù)存儲模塊通信有著特定的內(nèi)容與格式定義。數(shù)據(jù)存儲模塊上的處理器分別與主機、上位機、GSM通信，本次研究的系統(tǒng)模型中加入了中間存儲模塊，也就是圖5中的數(shù)據(jù)存儲模塊，主要是為了能讓上位機能訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)同時的又不讓主機運行阻塞，主機只需要按一定格式把收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲模塊中，然后讓上位機獨自訪問獲取數(shù)據(jù)[12-13]。

本系統(tǒng)模型有線電纜通信鏈路具有自動故障識別的算法，并為該算法定義了通信協(xié)議。該協(xié)議是有電路模塊和程序共同完成，其中協(xié)議每幀數(shù)據(jù)長度確定共35位。第1位：探頭/模塊表示位，探頭為0，模塊為1；第2～9位：地址段，高位在前，低位在后；第10～17位：命令段，高位在前，低位在后，具體命令見下面的軟件細則；第18～25位：第一個反饋段；第26～33位：第二個反饋段；第34位：特殊識別位；第35位：停止位。

主機與探測點從機通信過程如圖6所示。數(shù)據(jù)模塊程序流程圖如圖7所示。

圖6 主機通信過程

4 智慧城市感知消防系統(tǒng)主要測試

根據(jù)從機上的功能及其模塊，對各個從機系統(tǒng)進行了測試。分別給從機一個感溫信號或感煙信號，具體實現(xiàn)方法是：先用一個高溫物體，如打著火機靠近溫度傳感器，觀察從機的紅色報警燈是否亮起，主機是否作出相應(yīng)的響應(yīng)；然后用能產(chǎn)生煙霧的物體，如蚊香，靠近煙霧傳感器，觀察從機的紅色報警燈是否亮起，主機是否作出相應(yīng)的響應(yīng)；按下從機的一鍵報警按鈕，同樣觀察從機的紅色報警燈是否亮起，主機是否作出相應(yīng)的響應(yīng)；斷開從機與主機通信線路，查看主機是否在標(biāo)準(zhǔn)時間下報故障信號。在每次測試的情況下，同時計時從機和主機響應(yīng)的時間，對比GB4715-2005《點型感煙火災(zāi) 探 測器》、GB4716-2005《點型感溫火災(zāi)探測器》等標(biāo)準(zhǔn)，測試其響應(yīng)時間是否符合標(biāo)準(zhǔn)。其主機、從機響應(yīng)狀態(tài)如圖8、9所示。

圖7 數(shù)據(jù)模塊程序流程圖

圖8 感溫感煙傳感器實物圖及響應(yīng)

5 結(jié)論

本文提出使用485總線的有線通信和ZigBee技術(shù)實現(xiàn)智慧城市感知消防系統(tǒng)的雙備份通信。因此，本文研究的智慧城市感知消防系統(tǒng)，能第一時間發(fā)現(xiàn)火警、第一時間通過無線的GSM或者有線的通訊線告知警示，并手動或者聯(lián)動地啟動相關(guān)設(shè)備進行滅火和疏散相關(guān)人員，能應(yīng)用于一般的公眾場所，如酒店，展覽廳，舞會，學(xué)校等等。在設(shè)計時，是在實用可行的基礎(chǔ)上進行考慮的，因此本系統(tǒng)可以用于多種場合。

圖9 從機接收到煙霧信號后紅色報警燈亮起及主機作出響應(yīng)

［1］GB16806-2006.國家消防聯(lián)動控制系統(tǒng)［S］.

［2］GB4715-2005.點型感煙火災(zāi)探測器［S］.

［3］GB4716-2005.點型感溫火災(zāi)探測器［S］.

［4］GB4717-2005.火災(zāi)報警控制器［S］.

［5］GB19880-2005.手動火災(zāi)報警按鈕［S］.

［6］GB14003-2005.線型光束感煙火災(zāi)探測器［S］.

［7］GB16280-2005.線型感溫火災(zāi)探測器［S］.

［8］深圳賦安安全系統(tǒng)有限公司.火災(zāi)產(chǎn)品設(shè)計手冊V4［Z］.2008.

［9］陸榮峰.智能數(shù)碼廣播系統(tǒng)的研究和開發(fā)［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

［10］潘新民.微型計算機控制技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［11］李瑋，趙江，劉建業(yè).一種實用的單片機控制的數(shù)字式調(diào)速系統(tǒng)［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報，2002，6（2）：35-37.

［12］胡躍明，戚浩峰，王建.基于遺傳算法的P-F-PI控制器在機器人手臂定位控制中的應(yīng)用［J］.控制理論與應(yīng)用，2000，17（5）：716-720.

［13］孟帥.消防廣播遠程控制系統(tǒng)的研究及消防電話的系統(tǒng)集成［D］.成都：電子科技大學(xué)，2003.

Smart City-Based Perception of the Fire Control System Design

ZHONG Jun-liu1，ZHENG Chun-fang2，ZHANG Yong-liang1
（1.Guangdong Jidian Polytechnic，Guangzhou510515，China；2.Guangzhou Maritime Institute，Guangzhou510725，China）

This paper describes the perception-based smart city fire control system design software platform，proposes a dual backup communications technology using RS-485 communications and WSN(wireless sensor networks)networks ZigBee technology，so the system model has both wired and wireless networking capabilities dual backup，which makes system communication with a certain redundancy，increasing the reliability of communication.Finally the experiment and build a simulation model to verify the feasibility of proposed technical solutions for the future intelligent perception fire system design provides a technical reference.

smart city；perception of fire protection systems；networking technology；system model

TP311

A

1009－9492(2014)02－0061－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.018

鐘君柳，男，1981年生，廣東廉江人，碩士研究生，工程師。研究領(lǐng)域：智能控制與模式識別技術(shù).。已發(fā)表論文4篇。

(編輯：向 飛)

2013－07－06