于江利，田海虹，司亞超，時麟

（1.河北建筑工程學院，河北張家口075000；2.中國寰球工程公司華北規(guī)劃設計院，河北涿州072754；3.河北省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，河北石家莊050000）

對于建筑物來說，消防設備的可靠性是消防安全的重要保證，而消防設備能否正常工作又取決于供電電源的工作狀態(tài)?；谝陨险J識，我國在2011年開始實施的國家標準GB25506-2010《消防控制室通用技術要求》中做出了“消防控制室應能顯示系統(tǒng)內(nèi)各消防用電設備的供電電源和備用電源的工作狀態(tài)和欠壓報警信息”的強制性規(guī)定。這使消防電源監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應用成為智能建筑的必要之選。

消防電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是對消防設備的電流、電壓、開關狀態(tài)等參數(shù)進行實時檢測，從而判斷電源是否存在斷路、短路、過壓、欠壓、過流以及缺相、錯相、過載等狀態(tài)，并對這些狀態(tài)進行記錄和報警。監(jiān)控系統(tǒng)應滿足可靠性、實時性的要求并具有數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化和連續(xù)監(jiān)控的特性，能夠?qū)崟r反映出被監(jiān)控設備電源的運行狀況，從而可有效避免火災發(fā)生時，消防設備由于電源故障而無法正常工作的危急情況，最大限度地保障消防聯(lián)動系統(tǒng)的可靠性。

1 消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成及功能

消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)作為消防聯(lián)動控制系統(tǒng)的必要子系統(tǒng)，主要由電源狀態(tài)監(jiān)控中心、中繼器、監(jiān)控模塊和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成。

監(jiān)控中心沒有高級語言設計的應用程序和數(shù)據(jù)庫，對所監(jiān)測的消防設備電源的運行信息、故障信息、位置信息等參數(shù)進行跟蹤采集、存儲、分析，方便用戶進行管理和監(jiān)控；并通過人機交互界面，一方面將消防設備電源的數(shù)據(jù)進行匯總顯示，同時完成管理、查看、報警、打印等任務；另一方面，工作人員可以通過人機交互界面發(fā)送遠程控制命令至現(xiàn)場，以便更好地實現(xiàn)對設備的控制。

監(jiān)控模塊用于在現(xiàn)場對各種消防設備的電源及設備運行狀態(tài)進行信息采集，各個監(jiān)控模塊由各種監(jiān)控傳感器，例如電壓傳感器、電流傳感器、電壓/電流傳感器等組成。本系統(tǒng)設計了三種類型不同的監(jiān)控模塊，可通過選擇功能不同的監(jiān)控模塊實現(xiàn)對不同消防設備電源的監(jiān)控要求。這三種類型分別為：N1模塊表示電源監(jiān)控模塊，用于監(jiān)測電源的電壓、電流；N2模塊表示剩余電流監(jiān)控模塊，用于監(jiān)測供電回路的剩余電流值；N3模塊兼具以上N1和N2的功能，可以同時監(jiān)測電源的電壓、電流及剩余電流。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)沒有采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式，而是結合消防設備數(shù)量多、分布點廣的基本特點，采用ZigBee數(shù)據(jù)通訊與3G網(wǎng)絡相結合的無線傳輸方式，從而有效地實現(xiàn)降低布線維護成本和擴大監(jiān)控范圍的目的。

該系統(tǒng)作為一種消防設備電源運行預警保障系統(tǒng)，其功能是對設備的相關電氣參數(shù)進行實時的監(jiān)視，并能夠?qū)崟r顯示和查看各個消防用電設備供電電源和備用電源的工作狀態(tài)及相應技術要求。同時，當電源發(fā)生過壓、欠壓、過流、缺相等故障和異常、相關參數(shù)不在設定值要求范圍內(nèi)時能發(fā)出報警信號，并在系統(tǒng)中指示報警具體部位，記錄并保存報警信息，避免火災發(fā)生時消防設備不能正常使用而導致不能有效控制火災蔓延的情形發(fā)生，保證火災發(fā)生時消防設備能可靠地投入工作。

2 ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸功能設計

監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸主要由兩部分來完成，一部分是底層數(shù)據(jù)通信部分，主要由ZigBee網(wǎng)絡來擔當；另一部分是遠程數(shù)據(jù)通信部分，選用3G網(wǎng)絡來完成。

ZigBee網(wǎng)絡是一種短距離低速無線個城網(wǎng)(一種短距離工業(yè)控制網(wǎng)），具有低成本、低功耗、低速率和低復雜度等特點，同時可靠性高、組網(wǎng)簡單、方便靈活[1]。ZigBee網(wǎng)絡由物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡層、安全層和應用層組成。Zigbee協(xié)議棧軟件采用C語言編寫，開發(fā)環(huán)境采用AVR Studio4.12，硬件平臺采用的單片機為Atmega128，射頻模塊采用CC2430。采用的標準是ZigBee 1.0規(guī)范,整個協(xié)議棧軟件采用單線程，考慮到Atmega128內(nèi)部RAM只有4 K的空間，因此，各模塊之間采用共享緩沖區(qū)進行通信。Zigbee協(xié)議棧架構如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議架構

ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡層，其功能是實現(xiàn)網(wǎng)絡的管理，主要是傳感器節(jié)點的加入或離開、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。為了實現(xiàn)消防設備電源的有效監(jiān)控，ZigBee網(wǎng)絡在各主要消防用電設備周圍設置ZigBee節(jié)點，具體分布如表1所示。

ZigBee網(wǎng)絡中的每一個節(jié)點集無線收發(fā)器、微處理器、存儲器和用戶API于一體，并采用TI公司的CC2430作為核心芯片。由于絕大多數(shù)消防設備都是靜態(tài)的，所以整個網(wǎng)絡采用Cluster-Tree拓撲結構來構建。

表1 ZigBee節(jié)點分布

Cluster-Tree是一種由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器展開生成的樹狀網(wǎng)絡。整個網(wǎng)絡的建立和維護都由協(xié)調(diào)器進行管理。ZigBee節(jié)點的加入和脫離通過用C語言編寫的原語請求來實現(xiàn)。具體過程為協(xié)調(diào)器啟動后，當其他普通節(jié)點加入時，需將自己的信道設置成與協(xié)調(diào)器相同的信道，當該節(jié)點提供了正確的認證信息后，就可以請求加入網(wǎng)絡。當一個節(jié)點加入網(wǎng)絡后，可以從其父節(jié)點得到自已的短MAC地址、網(wǎng)絡地址和相應的拓撲參數(shù)；而當一個節(jié)點要離開網(wǎng)絡時，向父節(jié)點或協(xié)調(diào)器提出請求即可。

ZigBee網(wǎng)絡路由依照Cluster-Tree結構進行設計和選擇，整個結構設置兩種節(jié)點，分別為FFD結點和RFD結點。FFD節(jié)點是全功能節(jié)點，具有數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，因此可擔當左右子樹結點，數(shù)據(jù)的傳輸方向也是雙向的，即可以向下傳至子結點，向上傳至父結點，其路由選擇的方法就是直接根據(jù)Cluster-Tree算法進行轉發(fā)數(shù)據(jù)包，而RFD節(jié)點不具備數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，所以只能在樹狀結構中擔任葉子點，數(shù)據(jù)轉發(fā)方式也相應單一，即接收到數(shù)據(jù)包回復ACK后，把數(shù)據(jù)交至父節(jié)點，請其轉讓。

3 結論

隨著電力電子和建筑技術水平的不斷提高，目前城市的建筑趨向于智能化和高層化。為了保障這些建筑的安全，消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)成為必要的選擇。

本文利用ZigBee網(wǎng)絡構建了底層消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過硬件平臺，借助傳感網(wǎng)絡及相應的路由算法，將消防電源運行數(shù)據(jù)傳送至底層數(shù)據(jù)中心，并由數(shù)據(jù)中心經(jīng)3G網(wǎng)絡傳送至監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)消防電源的有效管理。

[1] 劉市生，張賢華.ZigBee網(wǎng)絡層的設計與實現(xiàn)[J].無線電工程，2008(11)：8-9.