多种网络通信技术在火灾自动报警系统中的应用.docx
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多种网络通信技术在火灾自动报警系统中的应用
多种网络通信技术在火灾自动报警系统中的应用
摘要：
在现代的火灾报警系统中，多种网络通信技术的应用。
小到局部火灾报警控制器，大到城市火灾报警系统，大都采用了RS485网络技术、CAN总线技术、Lonworks网络技术、TCP/IP网络和GSM/CDMA等多种通信技术。
关键词：
网络化火灾报警控制器、RS485、CAN、Lonworks、工业以太网、有线电话网、公共移动通信网
一、概述
随着中国的改革开放和地区经济的快速发展，在这十几年中，全国大中型城市的高层建筑、公共场所、地下建筑、化工厂区、公众聚集场所大量涌现，建筑物的规模也逐渐增大，占地半径由原来的几百米扩大到几千米，各种新材料、新工艺、新能源、新技术被广泛应用，火灾的复杂性同步增加，火灾给人民生命和财产构成了威胁。
所以对现有的火灾报警控制系统也提出了新的要求。
现阶段，国内大部分的火灾报警控制系统普遍存在监视容量小、没有灵活的组网接口、人机界面简单、响应速度慢、可靠性差、误报率高等缺点，在大型的工程中，系统已经不堪负重，可靠性、稳定性大大降低，如果技术服务不到位，系统基本处于半瘫痪状态。
可见，现阶段的火灾报警控制系统已经不能适应市场的需求。
纵观火灾报警的历史，我国的火灾报警系统经历了最初的多线制控制系统、总线式集中区域控制器系统、多总线一体化控制系统，并逐步向着分布式控制系统的方向发展。
由于计算机技术的飞速发展和先进工艺的逐渐成熟，大量的高性能微处理器、大容量存储器、数字化总线和新的通讯技术的出现，使得分布智能式、大容量、网络化的火灾报警控制器成为可能。
同时，在实际操作中，由于火警信息需经过保安值班人员的处理，人为的因素起到了关键的作用。
如消防周刊上报道上海地区闵行一仓库，由于个人的处理不当，延误了救火时间，酿成了大火，造成了重大经济损失，由于消防设施的日常维护和保养的要求较高，需常备不懈。
平时的消防检查与监督由防火监督部门逐个建筑进行查访，效率较低，而且需大量的人力和时间，故难免有疏漏处。
在城市规模不断发展的今天，世界上很多国家的大城市都对火灾自动报警设施采取网络联网管理，通过多媒体管理微机，利用公共电话网及时了解各防火单位火灾自动报警系统运行状态、人员值班情况，发现报警设备的故障信息和火警预报。
这样大大加强了对各建筑内消防设施管理和监督，有利于消防部门和消防队伍及时作出判断。
在最短时间内解决出现的问题。
针对以上情况，提出了基于TCP/IP的网络化火灾报警控制系统，主要应用于两个层面，第一是网络化火灾报警控制器，这是一个微观的层面，直接应用于各个大规模的建筑物，用户设立一个监控中心，可以监控范围3公里内的大规模建筑群。
例如：
无锡的江南大学蠡湖新校区的火灾报警系统。
第二是城市火灾自动报警监控网络系统，是一个宏观的层面，通过现有的城域网，实时监控整个城市中的每座建筑物中的火灾报警系统，从而达到监控整座城市的火灾报警情况，并可以向上级管理系统报警和传递信息，为城市消防调度指挥系统、城市防火管理系统与城市综合信息管理网络的联网运行提供火灾及楼宇消防系统状况的有效信息，并与城市其他管理中心共享数据和信息。
二、在局部火灾报警系统上的应用
局部火灾报警系统用于监控建筑物或建筑群，系统的安装按照火灾自动报警系统施工及验收规范进行施工。
从理论上说，火灾报警系统包括火灾探测器、手动火灾报警按钮、数据采集器、火灾报警控制器、消防控制输出模块。
所有的火灾探测器、消防控制输出模块通过报警总线连接在数据采集器上，数据采集器通过现场总线连接在火灾报警控制器上，火灾报警控制器和计算机通过工业以太网构成火灾报警网络。
1）火灾探测器、手动火灾报警按钮、消防控制输出模块
1、功能
火灾探测器通过模糊逻辑、神经网络等智能化技术识别火灾，内置高集成的低功耗的微处理器单元，实行两级或多级判断，以提高火灾探测的性能和可靠性。
手动火灾报警按钮用于人为报警，其实现较为简单，根据国家有关标准和EN-54标准，它的报警优先级最高。
消防控制输出模块作为报警过后的输出功能，主要是根据预设的逻辑关系控制相应的消防设备。
2、信号传输
火灾探测器、手动火灾报警按钮、消防控制输出模块都是通过报警总线与上级控制单元连接，报警总线一般是两线制，连接到总线的部件从总线上取得电源和传输信号，因此它采用的是一种根据多种编/解码方式的优点而自定义的通信协议。
由于总线上连接的设备比较多（一般在250个左右），距离较长（一般在1500m左右），总线的驱动能力很大，有1-2A的驱动能力，加上线路上阻抗，采用电压传输是不可取的。
在报警总线的设计上，一般采用电流传送和脉宽相结合的方式，具有很强的驱动能力和抗干扰能力。
编码上和通用的RS232、以太网也不一样，它采用发送帧和回答帧合并的方式，在一帧数据中，有起始段、命令段、地址段、停止段、中断请求段、回送数据段。
目前这种通讯协议在火灾报警系统中广泛使用，这样就造成了每个公司的产品都不兼容，在某种程度上也限制了这一领域的发展。
2）数据采集器
1、功能
数据采集器实际上是一个中级机构，它有一个或两个报警总线接口，监控500个以内的地址单元，实时监控火灾探测部件的报警情况。
同时作为火灾报警控制器的一个子单元，向火灾报警控制器实时传送火灾报警信息，基本不处理报警信息，最多只做协议的转换。
2、信号传输
数据采集器采用现场总线和火灾报警控制器连接，四总线模式，其中有两根电源线，两根信号线。
一般传输距离1500m-3000m，采用的通信方式有很多，如：
RS485总线，CAN总线，Lonworks总线等。
RS485总线，采用MAX485或MAX487等满足485标准的芯片，一般使用非屏蔽双绞线，差分信号传输，抗干扰能力强，价格低廉。
传输速率最大可达1Mbps，在9600bps传输时，距离可达1200m到3000m，不同公司的生产的RS485芯片支持的距离也不一样。
RS485支持的只是物理层的协议，它没有总线纠错和仲裁能力，使用时由于一个节点出现故障，导致整条总线瘫痪。
而且所需要的软件开销也很大。
CAN总线，是一种共享的广播总线（即所有的节点都能够接收传输信息），支持数据速率高达1Mbps。
由于所有的节点接收全部发送信息，因此，信息不能够送达某个指定节点。
但是，在CAN总线的硬件部分提供了本地地址过滤，允许各个节点仅对所关心的信息进行相应的处理。
CAN总线传输数据长度可变（0～8字节）的信息（帧），每帧都有一个惟一的标识（总线上任何节点发送的信息帧，都具有不同的标识）。
CAN总线和CPU之间的接口电路通常包括CAN控制器和收发器（图1）。
由此构成的CAN网络具有以下特性，2线差分传输、多主机、单工或半双工、速率可达1Mbps、120Ω终端匹配电阻、标准化的硬件协议。
在1Mbps速率下，CAN总线距离接近30m，而在10kbps时，距离可达6km。
由于所有的错误检测、纠错、传输和接收等都是通过CAN控制器的硬件完成的，使用这样的2线网络，需要极少的软件开销。
Lonworks总线，是由美国Echelon公司于20世纪90年代初推出的现场总线，它采用ISO/OSI模型的全部7层通讯协议，这是在现场总线中唯一提供全部服务的现场总线。
在一个Lonworks控制网络中，节点使用同一个通信协议与网络中的其它节点通信。
每个节点都包含内置的智能来完成协议的监控功能。
一个Lonworks控制网络可以有3个到30000个或更多的节点。
由于不需要像传统控制系统中的中央控制器，Lonworks分布式控制技术显示出很高的系统可靠性和系统响应，并且降低了系统的成本和运行费用。
神经元芯片完成节点的事件处理，并通过多种介质把处理结果传递给网络上的其它节点。
同时还采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。
支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质和多种拓扑结构。
Lonworks的核心是神经元芯片（NeuronChip），使用CMOSCLSI技术的神经元芯片使实现低成本的控制网络成为可能。
神经元芯片是高度集成的内部含有3个8位的CPU：
第一个CPU为介质访问控制处理器，处理LonTalk协议的第一层和第二层；Neuron芯片的编程语言为NeuronC，它是从ANSIC中派生出来的，并对ANSIC进行了删减和增补。
Neuron芯片可以通过5个通信管脚与网络上的其它节点交换信息，也可以通过11个应用管脚与现场的传感器和执行器交换信息。
11个应用管脚具有34种应用操作模式，可以在不同的配置下为外部提供灵活的接口和芯片内部的计时器应用。
第二个CPU为网络处理器，它实现LonTalk协议的第三层至第六层；第三个CPU为应用处理器，实现LonTalk协议的第七层，执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。
总之，神经元芯片实现了完整的Lonworks的LonTalk通信协议。
采用上述的现场总线技术，可以很好地完成火灾报警控制器和数据采集器之间的网络构造和数据通信。
3）火灾报警控制器
1、功能
火灾报警控制器通过现场总线网络监控各个数据采集器，对火灾报警数据进行处理，发出声光报警信号，显示出具体报警位置，打印报警信息，启动相应的消防设备。
其功能按照火灾报警控制器国家标准设计。
同时，火灾报警控制器设有基于RTL8019的以太网接口卡，多台火灾报警控制器可以构成局域网，并且可以并入计算机网络，实现网络报警监控。
2、信号传输
火灾报警控制器采用工业以太网结构相互连接，根据节点数量搭建局域网。
物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等；使用标准以太网连接设备（如交换机等），在工业现场使用工业以太网交换机；采用IEEE802.3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组；应用层（甚至是用户层）采用现场总线的应用层、用户层协议。
针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，经过认真细致的调研和分析，采用以下技术基本解决了以太网应用于现场设备间通信的关键技术：
①实时通信技术其中采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。
②总线供电技术
采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。
③远距离传输技术
采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。
④网络安全技术
采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。
⑤可靠性技术
采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断等可靠性设计技术等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室EMC测试，设备可靠性符合工业现场控制要求。
三、在城市火灾自动报警监控网络系统上的应用
城市火灾自动报警监控网络系统通过有线或无线的方式实时监控整个城市中各个消防场所的火灾报警系统，火灾发生时，现场的火灾报警信号在15秒之内到达监控中心的城市火灾报警网络管理系统，通过地理信息系统（GIS）实行事故地点定位，接警中心的电子地图上就会立即自动显示出报警点的准确位置。
同时把报警信息、位置信息等传送到处理中心。
本监控系统包括监控中心，一般设在消防部门或指定的第三方，监控中心由多个接警计算机和中心计算机构成，接警计算机负责监控接入系统的各个远程火灾报警系统，并由专人值班操作，对火警进行确认；中心计算机作为后台处理机，提供大容量的数据库和生成消防预案，并为其他系统提供数据服务。
远程火灾报警系统为上面提到的火灾报警系统。
通过公共电话网（PSTN）、Internet网和无线方式（联通的CDMA、移动的GPRS）等方式接入监控中心。
1）功能
1、实时接收联网单位、网络监控器或语音数字联网报警器传来的自动火警、手动火警信息。
2、矢量化电子地图，可以任意缩放，为指挥、调度提供辅助决策。
3、双屏显示报警用户的详细文字信息（包括单位名称、地址，报警点所在楼层号、房间号及该单位相关人员的联系方式等）和地理信息（包括市区图、消防水源分布、消防设施配置、楼层平面图及报警点的具体位置）。
4、为119调度指挥中心提供调度指挥依据。
5、对各类火警事件按年、月、日进行分类统计、分析，为上级和有关部门提供各种统计报表，用以指导火灾报警系统的科学管理。
6、数字录音放音功能。
7、提供联网单位灭火作战预案。
8、语音提示各类火警信息。
2）信号传输
主要采用PSTN有线电话网方式，以PSTN有线电话网为传输媒介的联网报警设备解决了联网问题，但这样一种单一的传输方式在实际应用中存在着许多缺陷和不安全因数。
因此系统具备两种以上的网络连接或传输媒介，且不同媒介在安全方面应该具有互补性。
针对目前广泛采用的电话联网报警系统来说，在安全性上最具互补性的补充方案就是采用无线传输媒体作为备用连接方式。
在联网报警中多种传输报警方式报警是发展方向，用移动公网传输是解决实际问题的方向。
中国公共移动通信网目前以GSM/GPRS、CDMA技术为主体。
这两种网络具有技术成熟、覆盖面广、保密性高、综合运营成本低的特点，适合于联网报警领域的数据传输。
GSM/GPRS网络由中国联通和中国移动分别经营多年，网络覆盖较中国联通的CDMA网络更加全面可靠。
选用GSM／GPRS移动公网作为联网报警网络，不需要单独组网，是最经济、最符合用户需求的实际解决方案。
因此，对于前端采集采用移动公网无线网络的GSM/GPRS方式作为有线传输网络的备份。
远程火灾报警控制器采用有线联网模块和无线联网模块接入PSTN有线电话网和移动公网。
四、结束语
随着城市现代化的进一步发展，对消防的要求也提到了新的高度。
多种网络通信技术在火灾自动报警系统中应用，将会提高消防设备的技术等级，并能够满足当今城市现代化发展的需求。
目前国内已有数家消防火灾报警设备厂家具有生产火灾自动报警网络系统的能力，并在小范围内进行了推广，在使用中充分显示了现代网络技术的先进功能。
参考文献；李振飞，《信息化在灭火实战中的应用》；
中国消防；消防科学与技术。
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