鐘君柳，鄭春芳，張永亮

（1.廣東機(jī)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(tái)設(shè)計(jì)

鐘君柳1，鄭春芳2，張永亮1

（1.廣東機(jī)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(tái)設(shè)計(jì)，提出了采用RS-485通信和WSN（無(wú)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(shí)具有有線和無(wú)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(shí)驗(yàn)并搭建仿真模型的方法，驗(yàn)證所提出的技術(shù)方案的可行性，為未來(lái)智能的感知消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)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(bào)警技術(shù)及市面上銷售的消防系統(tǒng)產(chǎn)品，不管是國(guó)內(nèi)或者國(guó)外的產(chǎn)品，普遍存在聯(lián)網(wǎng)探測(cè)點(diǎn)數(shù)偏少（一個(gè)大型控制系統(tǒng)也是12 700點(diǎn)數(shù)，如果采用撥碼電路的方式，探測(cè)點(diǎn)數(shù)更少），增加探測(cè)點(diǎn)數(shù)困難（只能在火災(zāi)報(bào)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(dú)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(hù)，自動(dòng)識(shí)別故障困難，而且現(xiàn)有系統(tǒng)不具備無(wú)線通訊的能力。

因此，本文針對(duì)現(xiàn)有消防系統(tǒng)技術(shù)存在的缺點(diǎn)，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(cè)點(diǎn)數(shù)、擴(kuò)展探測(cè)范圍，具有雙向通訊能力、穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的感知型消防報(bào)警控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)。軟件平臺(tái)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(shí)別短路、斷路、掉線等故障。軟件平臺(tái)還充分利用物聯(lián)網(wǎng)最新技術(shù)成果，使用了WSN（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)的ZigBee技術(shù)來(lái)進(jìn)行無(wú)線的組網(wǎng)，使該系統(tǒng)模型同時(shí)具有有線和無(wú)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(jì)

本系統(tǒng)系統(tǒng)模型主要由：火災(zāi)報(bào)警控制器（主控制臺(tái)）、點(diǎn)型感溫探測(cè)器（從機(jī)）、點(diǎn)型感煙探測(cè)器（從機(jī)）、手動(dòng)報(bào)警按鈕（從機(jī)）、消火栓按鈕（手動(dòng)報(bào)警）、輸出模塊、輸入輸出模塊、警鈴（蜂鳴器）、揚(yáng)聲器（語(yǔ)音報(bào)警）、噴淋泵、有線通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、后備太陽(yáng)能電源、LED廣告牌以及自動(dòng)巡檢的消防車(chē)等組成[2-9]。系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖如圖1，系統(tǒng)模型實(shí)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(cè)狀態(tài)、響應(yīng)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)都是根據(jù)國(guó)標(biāo)的要求而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)模型滿足國(guó)標(biāo)的要求，可用于工程上的實(shí)際運(yùn)用。

圖1 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)模型實(shí)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(shí)具有有線和無(wú)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(wú)線通信技術(shù)采用WSN（無(wú)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(diǎn)[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(duì)差分驅(qū)動(dòng)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(shí)物圖

一個(gè)從機(jī)作為中繼模塊通過(guò)485總線可以掛接32個(gè)設(shè)備，一個(gè)主機(jī)如果自帶1路串口，則可以掛接32個(gè)從機(jī)（中繼模塊），這樣掛接探測(cè)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到32×32=1 024個(gè)，如果把一個(gè)從機(jī)（中繼器）作為下一級(jí)主機(jī)，則系統(tǒng)可以擴(kuò)展為32×32×32=32 768個(gè)。理論上可以繼續(xù)擴(kuò)展，但考慮到單片機(jī)處理速度，最多擴(kuò)展2級(jí)，如果要繼續(xù)擴(kuò)展可以使用多串口，運(yùn)行速度達(dá)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(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其特點(diǎn)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(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗的近距離無(wú)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(jī)把采集的各種信息通過(guò)有線電纜傳輸給主機(jī)，同時(shí)從機(jī)也會(huì)把信息傳給ZigBee模塊，通過(guò)ZigBee把信息通過(guò)無(wú)線收發(fā)的方式跟主機(jī)保持通訊。一旦從機(jī)有線電纜發(fā)生故障的時(shí)候，如果此時(shí)發(fā)生火警信息，從機(jī)將無(wú)法報(bào)警，錯(cuò)失火警報(bào)警、人員疏散的寶貴時(shí)間。該系統(tǒng)使用ZigBee無(wú)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(bào)警等狀態(tài)，使系統(tǒng)通信具有更高的可靠性。其電路實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 ZigBee模塊實(shí)物圖

3 智慧城市感知消防系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文研究的智慧城市消防感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件部分采用C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)進(jìn)行編寫(xiě)。

C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序結(jié)構(gòu)清晰、條例明確。通過(guò)WAVE仿真器上位機(jī)程序編譯連接可以自動(dòng)生成用于燒寫(xiě)于單片機(jī)的.BIN文件。而且通過(guò)編譯可以自動(dòng)分配數(shù)據(jù)區(qū)和程序區(qū)的地址。

系統(tǒng)模型主機(jī)需要通信的對(duì)象如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主機(jī)模型通信對(duì)象

圖5中，從機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、GSM模塊都有一塊MCU控制著各個(gè)模塊的運(yùn)行，與此同時(shí)帶來(lái)的好處就是，主機(jī)只需要與各個(gè)模塊上的處理器通信，再由各模塊上的處理器實(shí)現(xiàn)各自模塊對(duì)應(yīng)的功能。從圖5中看，主機(jī)與從機(jī)陣列中各個(gè)從機(jī)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(jī)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通信有著特定的內(nèi)容與格式定義。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊上的處理器分別與主機(jī)、上位機(jī)、GSM通信，本次研究的系統(tǒng)模型中加入了中間存儲(chǔ)模塊，也就是圖5中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，主要是為了能讓上位機(jī)能訪問(wèn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)同時(shí)的又不讓主機(jī)運(yùn)行阻塞，主機(jī)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(chǔ)模塊中，然后讓上位機(jī)獨(dú)自訪問(wèn)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(dòng)故障識(shí)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(zhǎng)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(jiàn)下面的軟件細(xì)則；第18～25位：第一個(gè)反饋段；第26～33位：第二個(gè)反饋段；第34位：特殊識(shí)別位；第35位：停止位。

主機(jī)與探測(cè)點(diǎn)從機(jī)通信過(guò)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(jī)通信過(guò)程

4 智慧城市感知消防系統(tǒng)主要測(cè)試

根據(jù)從機(jī)上的功能及其模塊，對(duì)各個(gè)從機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。分別給從機(jī)一個(gè)感溫信號(hào)或感煙信號(hào)，具體實(shí)現(xiàn)方法是：先用一個(gè)高溫物體，如打著火機(jī)靠近溫度傳感器，觀察從機(jī)的紅色報(bào)警燈是否亮起，主機(jī)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(jī)的紅色報(bào)警燈是否亮起，主機(jī)是否作出相應(yīng)的響應(yīng)；按下從機(jī)的一鍵報(bào)警按鈕，同樣觀察從機(jī)的紅色報(bào)警燈是否亮起，主機(jī)是否作出相應(yīng)的響應(yīng)；斷開(kāi)從機(jī)與主機(jī)通信線路，查看主機(jī)是否在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間下報(bào)故障信號(hào)。在每次測(cè)試的情況下，同時(shí)計(jì)時(shí)從機(jī)和主機(jī)響應(yīng)的時(shí)間，對(duì)比GB4715-2005《點(diǎn)型感煙火災(zāi) 探 測(cè)器》、GB4716-2005《點(diǎn)型感溫火災(zāi)探測(cè)器》等標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試其響應(yīng)時(shí)間是否符合標(biāo)準(zhǔn)。其主機(jī)、從機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)間發(fā)現(xiàn)火警、第一時(shí)間通過(guò)無(wú)線的GSM或者有線的通訊線告知警示，并手動(dòng)或者聯(lián)動(dòng)地啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行滅火和疏散相關(guān)人員，能應(yīng)用于一般的公眾場(chǎng)所，如酒店，展覽廳，舞會(huì)，學(xué)校等等。在設(shè)計(jì)時(shí)，是在實(shí)用可行的基礎(chǔ)上進(jìn)行考慮的，因此本系統(tǒng)可以用于多種場(chǎng)合。

圖9 從機(jī)接收到煙霧信號(hào)后紅色報(bào)警燈亮起及主機(jī)作出響應(yīng)

［1］GB16806-2006.國(guó)家消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)［S］.

［2］GB4715-2005.點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測(cè)器［S］.

［3］GB4716-2005.點(diǎn)型感溫火災(zāi)探測(cè)器［S］.

［4］GB4717-2005.火災(zāi)報(bào)警控制器［S］.

［5］GB19880-2005.手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕［S］.

［6］GB14003-2005.線型光束感煙火災(zāi)探測(cè)器［S］.

［7］GB16280-2005.線型感溫火災(zāi)探測(cè)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(jì)手冊(cè)V4［Z］.2008.

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

［10］潘新民.微型計(jì)算機(jī)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(shí)用的單片機(jī)控制的數(shù)字式調(diào)速系統(tǒng)［J］.吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，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(jī)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(yuǎn)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(shí)別技術(shù).。已發(fā)表論文4篇。

(編輯：向 飛)

2013－07－06