基于 LoRa 技術(shù)的無線火災報警系統(tǒng)技術(shù)詳解

基于LoRa技術(shù)的無線火災報警系統(tǒng)技術(shù)詳解人們在19世紀開始研究火災報警系統(tǒng)，當火災發(fā)生時，火災探測器對物質(zhì)燃燒時產(chǎn)生的煙、火、溫度等物理現(xiàn)象產(chǎn)生響應，并將火警信息發(fā)送到火警控制器。火災探測器和火災報警控制器組成火災報警系統(tǒng)。從而使消防人員及時發(fā)現(xiàn)火災，及時發(fā)出救援，以減少財產(chǎn)損失和人員損失。火災報警系統(tǒng)是預防火災的重要技術(shù)創(chuàng)新。1847年，世界上第一臺火災報警裝置誕生在美國。從此以后，火災報警技術(shù)不斷發(fā)展進步，大致分為以下幾個過程。19世紀40年代到20世紀40年代，這時期火災探測技術(shù)主要以感溫信號為主。感溫火災探測器是一種以異常溫度為技術(shù)指標的火災探測器，主要由溫度傳感器和電子電路構(gòu)成。當時科研條件有限，火災報警系統(tǒng)大部分處在理論研究中，并沒有投入市場應用。20世紀50年代至70年代，出現(xiàn)了感煙探測器，感煙探測器以物質(zhì)燃燒時產(chǎn)生的煙霧顆粒為探測信號，根據(jù)工作原理的不同，還分為離子式感煙火災探測器和光電式火災感煙探測器。這時的感煙探測器采用多線制傳輸方式與控制主機相連接，確保信號傳輸?shù)撵`敏度。一直到20世紀80年代，電子設備技術(shù)的不斷成熟為總線系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)支持。此時火災報警系統(tǒng)的傳輸方式主要依靠RS-485總線和CAN總線傳輸技術(shù)。同時，微電子技術(shù)和計算機技術(shù)廣泛應用于火災報警系統(tǒng)中，報警器之間的通信使用集成電路和微處理機實現(xiàn)。目前，總線技術(shù)仍應用于火災報警系統(tǒng)中。20世紀90年代以來，隨著無線傳感技術(shù)的快速發(fā)展，無線通信技術(shù)開始應用于各領(lǐng)域。世界上最早的無線火災報警系統(tǒng)是美國松柏公司發(fā)明的，該系統(tǒng)以溫度探測器和光電感煙探測器為節(jié)點，傳輸距離達到600米，采用9V鋰電池供電，可以正常供電使用2年。但是這種無線火災報警系統(tǒng)非常昂貴并且沒有被廣泛使用。21世紀以來，歐美國家的無線火災報警系統(tǒng)進入快速發(fā)展期，除美國松柏公司之外，很多智能無線火災報警生產(chǎn)廠家也設計出各種各樣的火災報警產(chǎn)品，比如：美國霍尼韋爾公司生產(chǎn)的NFS2-3030無線火災報警控制器、美國SystemSensor公司生產(chǎn)的TY-H-BEAM1224S火災報警控制器、美國NotiFier公司生產(chǎn)的AM-2020AFP-400和AFP-3200智能型無線火災報警控制器等。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，探測技術(shù)和計算機技術(shù)的應用越來越廣泛?，F(xiàn)代火災報警系統(tǒng)將向智能化、多功能化的方向發(fā)展。中國的火災報警產(chǎn)品起步比發(fā)達國家慢，四十多年前，我國才開始對火災報警系統(tǒng)系列產(chǎn)品進行研究。上世紀70年代，我國開始自行研制火災報警系統(tǒng)產(chǎn)品，并在市場上廣泛投入生產(chǎn)。當時國內(nèi)市場的大部分消防產(chǎn)品被國外品牌占領(lǐng)。一直到19世紀90年代，國人也沒有對火災預防引起足夠重視，市場對消防產(chǎn)品需求不足，大部分消防產(chǎn)品還是模仿國外或者高價引進國外技術(shù)，缺少自主研發(fā)的核心技術(shù)。90年代以后，隨著改革開放的不斷深入和市場經(jīng)濟的發(fā)展，各種各樣的新型消防產(chǎn)品涌入中國消防領(lǐng)域，發(fā)達國家的消防產(chǎn)品生產(chǎn)廠家也進入中國。這時期，國外先進技術(shù)促進了國內(nèi)企業(yè)的技術(shù)得到快速發(fā)展，許多企業(yè)開始突破創(chuàng)新、自主研發(fā)，通過中外合資、高校與企業(yè)聯(lián)手的合作方式，生產(chǎn)了許多新型實用的消防產(chǎn)品。1無線火災報警系統(tǒng)存在的問題無線火災報警系統(tǒng)具有布線簡單、容易安裝等優(yōu)點，被廣泛應用于文物建筑、住宅建筑等場所。但是目前的無線火災報警系統(tǒng)仍然存在一些缺陷，例如電源能量有限、通訊能力受限、靈敏度不足等問題，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：1.1功耗過高無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點用太陽能電池和鉛酸蓄電池供電，這種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點體積較大，由小箱子變?yōu)榇蠛凶?。當無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點增大時，會對目標對象產(chǎn)生一定的干擾，檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，無法反映對象的真實信息，因此節(jié)點體積越大，應用范圍也越窄。當感煙探測器體積增大，對外界的煙霧濃度感知就越不靈敏，容易造成火災漏報現(xiàn)象。輸出功率的增大使傳輸數(shù)據(jù)時的能量上升，電池電源能量有限，如果未能及時檢查電源能量或更換電池，感煙探測器將產(chǎn)生故障狀態(tài)，不能及時感知火災信息，造成火災漏報現(xiàn)象。另外，中繼節(jié)點的增多不但會造成系統(tǒng)雜亂現(xiàn)象，而且還容易產(chǎn)生傳輸速率下降的問題。1.2通信距離短采用多個應答和重新發(fā)送數(shù)據(jù)的方式提高通訊協(xié)議的可靠性。這種通訊協(xié)議雖然在一定程度上會提高無線通訊系統(tǒng)靈敏度，同時也會降低數(shù)據(jù)的收發(fā)速率和加快消耗有限的網(wǎng)絡資源。2無線火災報警系統(tǒng)的主要組成及通信方式簡介無線火災報警系統(tǒng)主要是由無線感煙探測器和監(jiān)控主機組成，如圖1所示。當火災發(fā)生時，感煙探測器的信號采集電路將煙霧信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為電信號后送入主控芯片MCU進行計算比較。感煙探測器在煙霧濃度超過其預先設定的報警閾值時，將立即發(fā)出報警信號，報警信號通過無線網(wǎng)絡上傳至監(jiān)控主機。監(jiān)控主機接收信號后，報警通知工作人員火災的發(fā)生地址，同時將火災信息儲存。圖1感煙探測器：通過監(jiān)測火災發(fā)生時產(chǎn)生的煙霧來實現(xiàn)火災預警功能的，主要由煙霧傳感器和相關(guān)電路組成。發(fā)生火災時，煙霧傳感器內(nèi)部的傳感元件對物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙霧產(chǎn)生響應，并將其轉(zhuǎn)換成電流、電壓或位移等物理量，通過信號放大、傳輸?shù)冗^程，向監(jiān)控主機發(fā)送火災報警信息。感煙火災探測器能對物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙霧產(chǎn)生相應，因而對早期逃生和初期滅火十分有利。按工作原理的不同，主要分為離子感煙探測器、光電感煙探測器、吸氣式感煙探測器等類型?；馂谋O(jiān)控主機：火災報警信息通過無線模塊傳至監(jiān)控主機，監(jiān)控主機可以存儲探測器發(fā)出的數(shù)據(jù)，進行集中管理。監(jiān)控主機是處理數(shù)據(jù)的核心，為方便集中管理多個探測器，一般在一個區(qū)域的監(jiān)控室。監(jiān)控主機一般內(nèi)置RS232或RS485接口，以方便與其他終端設備組成結(jié)構(gòu)簡單的單機系統(tǒng)，還可連接至其他顯示屏或計算機等設備，組成更智能的火災報警系統(tǒng)應用于數(shù)據(jù)量較大的大型建筑或其他場所。無線通訊方式：火災探測報警系統(tǒng)可采用短距離無線通信或?qū)⒔K端接入低功耗廣域網(wǎng)的方式，盡量減少各種線路對建筑完整性和美觀性產(chǎn)生的破壞。常見短距離無線通信技術(shù)主要有藍牙、WiFi、ZigBee、433MHz無線技術(shù)等。藍牙(Bluetooth)作為傳統(tǒng)的短距離無線通信技術(shù)，是支持設備間短距離（一般為10m內(nèi)）通信的無線通信系統(tǒng)。在日常的手機應用中經(jīng)常會用到藍牙技術(shù)，藍牙技術(shù)具有高速率傳輸?shù)奶攸c，然而這種技術(shù)功耗較高，網(wǎng)絡穩(wěn)定性容易受環(huán)境影響，不適宜報警系統(tǒng)的大范圍覆蓋。WiFi技術(shù)是一種比較流行的無線通信技術(shù)，市場適用范圍很廣，它的傳輸距離可達到100~300米。WiFi技術(shù)不受布線條件限制，大大降低了投入成本，只需要無線網(wǎng)卡和一臺AP就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的覆蓋，但是硬件組成比較龐大，功耗較高，不適宜報警系統(tǒng)功耗低、成本低的網(wǎng)絡需求。Zigbee在中國工作于2.4GHz頻段時，安全性和可靠性較高。但傳輸距離一般只有幾十米，穿墻能力較差，火災報警系統(tǒng)大部分應用在建筑場所，經(jīng)常會有墻體或混凝土的阻擋。運用Zigbee無線傳輸方式會由于覆蓋面積太窄而增加中繼器數(shù)量，無疑增加了火災報警系統(tǒng)的成本。433無線技術(shù)工作于433MHz頻段，避開了擁擠的2.4GHz，433MHz國內(nèi)屬于無須許可認證、免費的專用收發(fā)的頻段，減少了通信信道相互之間的干擾。但433MHZ技術(shù)采用數(shù)據(jù)透明傳輸協(xié)議（實現(xiàn)“所發(fā)即所收”）造成其網(wǎng)絡傳輸安全性較差。隨著物聯(lián)網(wǎng)設備的爆發(fā)式增長，低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)專為遠距離、低功耗、低速率、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應運而生。常用的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)代表包括LoRa、SigFox、NB-IoT等，它們均在各自的領(lǐng)域具有一定優(yōu)勢。LoRa技術(shù)是一種基于LoRa擴頻調(diào)制技術(shù)的遠距離通信方案，最早由美國SemTech公司于2013年推出。LoRa技術(shù)與傳統(tǒng)無線技術(shù)不同，它基于線性Chip擴頻調(diào)制（CSS）解調(diào)技術(shù)，其有效傳輸距離已遠遠超過當前采用的FSK和OOK調(diào)制技術(shù)的無線系統(tǒng)。與當前Sub-GHz頻段內(nèi)其他無線通信技術(shù)相比，靈敏度較高，從而有效延長了了無線通信距離。前向糾錯編碼技術(shù)(ForwardErrorCorrection,FEC)是在不可靠或強噪聲干擾的信道中傳輸數(shù)據(jù)時用來控制錯誤的一項技術(shù)。發(fā)送方在所傳輸?shù)男畔⒅屑尤肓巳哂啻a，可以自動糾正傳輸誤碼，LoRa正是采用了這種技術(shù)提高了信號傳輸?shù)目煽啃?。目前LoRa主要使用AES128加密，在安全設計上具備全面性和前瞻性。LoRa技術(shù)提高了信號接收的靈敏度，能夠以較低功耗實現(xiàn)長距離信號傳輸和大范圍覆蓋，具有較強的鏈路預算，經(jīng)常用于電池供電的終端設備，目前在市場上已得到廣泛應用，如智慧灌溉、智慧城市等，投入使用的LoRa產(chǎn)品不但為火災報警系統(tǒng)提供技術(shù)支持，比較完善的應用體系也滿足了建筑火災報警系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求。3無線火災報警系統(tǒng)的總體設計利用煙霧探測器對建筑各點位的煙霧濃度進行實時自動監(jiān)測。傳統(tǒng)的煙霧報警器以總線制為主進行信號傳輸，能夠在火災初期發(fā)現(xiàn)并引起消防人員的重視，從而火災及時撲滅，降低火災損失。無線煙霧報警器能夠通過無線通信電路將火災信息發(fā)送至監(jiān)控主機，火災探測模塊主要由煙霧探測器和無線通信電路組成，兩者之間通過SPI接口進行信號傳輸，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖23.1射頻芯片選型采用470Mhz中心頻點進行無線信號的接收與發(fā)送。當前在該頻率范圍內(nèi)可用的芯片主要是Semtech生產(chǎn)的SX127系列，分別為SX1276、SX1277、SX1278。其中SX1278主要針對于433MHz與470MHz網(wǎng)段的地區(qū)，包括中國，東南亞，南美與東歐地區(qū)。SX1276則主要覆蓋歐洲與北美等使用的868MHz和915MHz頻段。使用LoRa特有的調(diào)制技術(shù)，X1278射頻芯片采用20ppm晶體和低成本的材料即可獲得超過-148dBm的高靈敏度。此外，如果再加上20dBm放大器集成可以使SX1278射頻芯片的鏈路運算達到168dB，SX1278射頻芯片休眠電流小于0.2uA，空閑時為1.6mA，接收時電流為9.9mA，發(fā)射時為120mA，實現(xiàn)了通信距離、抗干擾性和功率消耗之間的平衡，符合設計低功耗要求。3.2無線感煙探測器的硬件設計感煙探測器的硬件系統(tǒng)主要由主控芯片MCU、煙霧采樣電路、電源電路、蜂鳴器模擬報警電路等組成，如圖3所示。其中電源電路對輸入電壓做變壓和穩(wěn)壓處理，負責煙霧信號檢測和LoRa通信終端的能量供給，提供穩(wěn)定無壓差的電壓。主控芯片則是通信模塊的大腦，負責信息處理和計算，并控制參數(shù)設置及電源輸入和通訊輸入輸出。圖3具體工作方式為，探測器中所有信號都集中到主芯片，進行下一步的數(shù)據(jù)處理，主芯片對感煙探測器輸出的模擬信號進行處理，當信號值達到閾值時，確定發(fā)生火災，蜂鳴器接收到來自驅(qū)動電路的信號進行報警，同時將火災數(shù)據(jù)傳輸至無線通訊芯片，最終發(fā)送至監(jiān)控主機，等待消防人員對火災信息進行處理。3.3監(jiān)控主機的硬件火災報警監(jiān)控主機集成了監(jiān)控、通信和控制功能，是整個火災報警系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心。監(jiān)控主機硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，為了方便監(jiān)控和管理，監(jiān)控主機內(nèi)置以太網(wǎng)口、RS485、RS232等多種接口，便于實現(xiàn)多臺主機組網(wǎng)。監(jiān)控主機硬件系統(tǒng)主要包括主控芯片、無線通信接口電路、電源電路、報警按鍵電路等。復位按鍵電路的作用主要是當消防控制室的值班人員發(fā)現(xiàn)火情后，采取撲救措施，將警報解除。主控芯片通過SPI接口連接到SX1278射頻芯片，采用LoRa通信技術(shù)與無線感煙探測器實現(xiàn)雙向通信。圖4通過無線通訊電路，感煙探測器將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控主機進行處理、顯示并發(fā)出報警信號，還可以保留歷史火災或故障信息。3.4火災報警系統(tǒng)工作流程基于LoRa技術(shù)的無線火災報警系統(tǒng)的工作流程主要包括三部分，分別是煙霧報警節(jié)點、LoRa通信節(jié)點、監(jiān)控主機節(jié)點，可以實現(xiàn)現(xiàn)場采集、無線通信、集中監(jiān)控的功能，并且滿足低功耗的設計要求。煙霧報警節(jié)點通過LoRa網(wǎng)絡完成煙霧探測器的數(shù)據(jù)采集和上傳，同時接收網(wǎng)關(guān)下發(fā)的指令，對煙霧探測器進行設置，當煙霧濃度超出閾值時，STM32單片機讀取到探測器輸出的報警數(shù)據(jù)后，通過LoRa網(wǎng)絡將火警數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控主機的LoRa網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)火警數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，消防值班人員將根據(jù)火警信息進行下一步動作探測器將數(shù)據(jù)信息通過LoRa網(wǎng)絡發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，并等待監(jiān)控主機的反饋，完成煙霧數(shù)據(jù)的采集與傳輸。當數(shù)據(jù)發(fā)送后并沒有收到反饋則嘗試再次發(fā)送，若三次沒有收到反饋則發(fā)出故障警告。若消防人員及時觀察到報警或故障信息，命令執(zhí)行完成后，故障信息排除。監(jiān)控主機聲光報警動作消除后，，聲光報警器關(guān)閉，消防人員將控制命令發(fā)送到相應的煙霧報警節(jié)點，感煙探測器執(zhí)行復位操作，這就是感知節(jié)點的復位狀態(tài)。監(jiān)控主機的工作流程是定時采集SX1278接收的數(shù)據(jù)，若檢測到感煙探測器有警情發(fā)生，將響起警報并存儲報警節(jié)點信息；若監(jiān)控主機無法正常讀取SX1278的數(shù)據(jù)，則延時10