基于 LoRa 技术的无线火灾报警系统技术详解

基于LoRa技术的无线火灾报警系统技术详解人们在19世纪开始研究火灾报警系统，当火灾发生时，火灾探测器对物质燃烧时产生的烟、火、温度等物理现象产生响应，并将火警信息发送到火警控制器。火灾探测器和火灾报警控制器组成火灾报警系统。从而使消防人员及时发现火灾，及时发出救援，以减少财产损失和人员损失。火灾报警系统是预防火灾的重要技术创新。1847年，世界上第一台火灾报警装置诞生在美国。从此以后，火灾报警技术不断发展进步，大致分为以下几个过程。19世纪40年代到20世纪40年代，这时期火灾探测技术主要以感温信号为主。感温火灾探测器是一种以异常温度为技术指标的火灾探测器，主要由温度传感器和电子电路构成。当时科研条件有限，火灾报警系统大部分处在理论研究中，并没有投入市场应用。20世纪50年代至70年代，出现了感烟探测器，感烟探测器以物质燃烧时产生的烟雾颗粒为探测信号，根据工作原理的不同，还分为离子式感烟火灾探测器和光电式火灾感烟探测器。这时的感烟探测器采用多线制传输方式与控制主机相连接，确保信号传输的灵敏度。一直到20世纪80年代，电子设备技术的不断成熟为总线系统的发展提供了技术支持。此时火灾报警系统的传输方式主要依靠RS-485总线和CAN总线传输技术。同时，微电子技术和计算机技术广泛应用于火灾报警系统中，报警器之间的通信使用集成电路和微处理机实现。目前，总线技术仍应用于火灾报警系统中。20世纪90年代以来，随着无线传感技术的快速发展，无线通信技术开始应用于各领域。世界上最早的无线火灾报警系统是美国松柏公司发明的，该系统以温度探测器和光电感烟探测器为节点，传输距离达到600米，采用9V锂电池供电，可以正常供电使用2年。但是这种无线火灾报警系统非常昂贵并且没有被广泛使用。21世纪以来，欧美国家的无线火灾报警系统进入快速发展期，除美国松柏公司之外，很多智能无线火灾报警生产厂家也设计出各种各样的火灾报警产品，比如：美国霍尼韦尔公司生产的NFS2-3030无线火灾报警控制器、美国SystemSensor公司生产的TY-H-BEAM1224S火灾报警控制器、美国NotiFier公司生产的AM-2020AFP-400和AFP-3200智能型无线火灾报警控制器等。随着科学技术的发展，探测技术和计算机技术的应用越来越广泛。现代火灾报警系统将向智能化、多功能化的方向发展。中国的火灾报警产品起步比发达国家慢，四十多年前，我国才开始对火灾报警系统系列产品进行研究。上世纪70年代，我国开始自行研制火灾报警系统产品，并在市场上广泛投入生产。当时国内市场的大部分消防产品被国外品牌占领。一直到19世纪90年代，国人也没有对火灾预防引起足够重视，市场对消防产品需求不足，大部分消防产品还是模仿国外或者高价引进国外技术，缺少自主研发的核心技术。90年代以后，随着改革开放的不断深入和市场经济的发展，各种各样的新型消防产品涌入中国消防领域，发达国家的消防产品生产厂家也进入中国。这时期，国外先进技术促进了国内企业的技术得到快速发展，许多企业开始突破创新、自主研发，通过中外合资、高校与企业联手的合作方式，生产了许多新型实用的消防产品。1无线火灾报警系统存在的问题无线火灾报警系统具有布线简单、容易安装等优点，被广泛应用于文物建筑、住宅建筑等场所。但是目前的无线火灾报警系统仍然存在一些缺陷，例如电源能量有限、通讯能力受限、灵敏度不足等问题，主要表现为以下几个方面：1.1功耗过高无线传感器网络节点用太阳能电池和铅酸蓄电池供电，这种无线传感器网络节点体积较大，由小箱子变为大盒子。当无线传感器网络节点增大时，会对目标对象产生一定的干扰，检测数据产生偏差，无法反映对象的真实信息，因此节点体积越大，应用范围也越窄。当感烟探测器体积增大，对外界的烟雾浓度感知就越不灵敏，容易造成火灾漏报现象。输出功率的增大使传输数据时的能量上升，电池电源能量有限，如果未能及时检查电源能量或更换电池，感烟探测器将产生故障状态，不能及时感知火灾信息，造成火灾漏报现象。另外，中继节点的增多不但会造成系统杂乱现象，而且还容易产生传输速率下降的问题。1.2通信距离短采用多个应答和重新发送数据的方式提高通讯协议的可靠性。这种通讯协议虽然在一定程度上会提高无线通讯系统灵敏度，同时也会降低数据的收发速率和加快消耗有限的网络资源。2无线火灾报警系统的主要组成及通信方式简介无线火灾报警系统主要是由无线感烟探测器和监控主机组成，如图1所示。当火灾发生时，感烟探测器的信号采集电路将烟雾信号经过A/D转换，转换为电信号后送入主控芯片MCU进行计算比较。感烟探测器在烟雾浓度超过其预先设定的报警阈值时，将立即发出报警信号，报警信号通过无线网络上传至监控主机。监控主机接收信号后，报警通知工作人员火灾的发生地址，同时将火灾信息储存。图1感烟探测器：通过监测火灾发生时产生的烟雾来实现火灾预警功能的，主要由烟雾传感器和相关电路组成。发生火灾时，烟雾传感器内部的传感元件对物质燃烧产生的烟雾产生响应，并将其转换成电流、电压或位移等物理量，通过信号放大、传输等过程，向监控主机发送火灾报警信息。感烟火灾探测器能对物质燃烧产生的烟雾产生相应，因而对早期逃生和初期灭火十分有利。按工作原理的不同，主要分为离子感烟探测器、光电感烟探测器、吸气式感烟探测器等类型。火灾监控主机：火灾报警信息通过无线模块传至监控主机，监控主机可以存储探测器发出的数据，进行集中管理。监控主机是处理数据的核心，为方便集中管理多个探测器，一般在一个区域的监控室。监控主机一般内置RS232或RS485接口，以方便与其他终端设备组成结构简单的单机系统，还可连接至其他显示屏或计算机等设备，组成更智能的火灾报警系统应用于数据量较大的大型建筑或其他场所。无线通讯方式：火灾探测报警系统可采用短距离无线通信或将终端接入低功耗广域网的方式，尽量减少各种线路对建筑完整性和美观性产生的破坏。常见短距离无线通信技术主要有蓝牙、WiFi、ZigBee、433MHz无线技术等。蓝牙(Bluetooth)作为传统的短距离无线通信技术，是支持设备间短距离（一般为10m内）通信的无线通信系统。在日常的手机应用中经常会用到蓝牙技术，蓝牙技术具有高速率传输的特点，然而这种技术功耗较高，网络稳定性容易受环境影响，不适宜报警系统的大范围覆盖。WiFi技术是一种比较流行的无线通信技术，市场适用范围很广，它的传输距离可达到100~300米。WiFi技术不受布线条件限制，大大降低了投入成本，只需要无线网卡和一台AP就可以实现网络的覆盖，但是硬件组成比较庞大，功耗较高，不适宜报警系统功耗低、成本低的网络需求。Zigbee在中国工作于2.4GHz频段时，安全性和可靠性较高。但传输距离一般只有几十米，穿墙能力较差，火灾报警系统大部分应用在建筑场所，经常会有墙体或混凝土的阻挡。运用Zigbee无线传输方式会由于覆盖面积太窄而增加中继器数量，无疑增加了火灾报警系统的成本。433无线技术工作于433MHz频段，避开了拥挤的2.4GHz，433MHz国内属于无须许可认证、免费的专用收发的频段，减少了通信信道相互之间的干扰。但433MHZ技术采用数据透明传输协议（实现“所发即所收”）造成其网络传输安全性较差。随着物联网设备的爆发式增长，低功耗广域网技术专为远距离、低功耗、低速率、大量连接的物联网应运而生。常用的低功耗广域网技术代表包括LoRa、SigFox、NB-IoT等，它们均在各自的领域具有一定优势。LoRa技术是一种基于LoRa扩频调制技术的远距离通信方案，最早由美国SemTech公司于2013年推出。LoRa技术与传统无线技术不同，它基于线性Chip扩频调制（CSS）解调技术，其有效传输距离已远远超过当前采用的FSK和OOK调制技术的无线系统。与当前Sub-GHz频段内其他无线通信技术相比，灵敏度较高，从而有效延长了了无线通信距离。前向纠错编码技术(ForwardErrorCorrection,FEC)是在不可靠或强噪声干扰的信道中传输数据时用来控制错误的一项技术。发送方在所传输的信息中加入了冗余码，可以自动纠正传输误码，LoRa正是采用了这种技术提高了信号传输的可靠性。目前LoRa主要使用AES128加密，在安全设计上具备全面性和前瞻性。LoRa技术提高了信号接收的灵敏度，能够以较低功耗实现长距离信号传输和大范围覆盖，具有较强的链路预算，经常用于电池供电的终端设备，目前在市场上已得到广泛应用，如智慧灌溉、智慧城市等，投入使用的LoRa产品不但为火灾报警系统提供技术支持，比较完善的应用体系也满足了建筑火灾报警系统的稳定性和可靠性要求。3无线火灾报警系统的总体设计利用烟雾探测器对建筑各点位的烟雾浓度进行实时自动监测。传统的烟雾报警器以总线制为主进行信号传输，能够在火灾初期发现并引起消防人员的重视，从而火灾及时扑灭，降低火灾损失。无线烟雾报警器能够通过无线通信电路将火灾信息发送至监控主机，火灾探测模块主要由烟雾探测器和无线通信电路组成，两者之间通过SPI接口进行信号传输，具体结构如图2所示。图23.1射频芯片选型采用470Mhz中心频点进行无线信号的接收与发送。当前在该频率范围内可用的芯片主要是Semtech生产的SX127系列，分别为SX1276、SX1277、SX1278。其中SX1278主要针对于433MHz与470MHz网段的地区，包括中国，东南亚，南美与东欧地区。SX1276则主要覆盖欧洲与北美等使用的868MHz和915MHz频段。使用LoRa特有的调制技术，X1278射频芯片采用20ppm晶体和低成本的材料即可获得超过-148dBm的高灵敏度。此外，如果再加上20dBm放大器集成可以使SX1278射频芯片的链路运算达到168dB，SX1278射频芯片休眠电流小于0.2uA，空闲时为1.6mA，接收时电流为9.9mA，发射时为120mA，实现了通信距离、抗干扰性和功率消耗之间的平衡，符合设计低功耗要求。3.2无线感烟探测器的硬件设计感烟探测器的硬件系统主要由主控芯片MCU、烟雾采样电路、电源电路、蜂鸣器模拟报警电路等组成，如图3所示。其中电源电路对输入电压做变压和稳压处理，负责烟雾信号检测和LoRa通信终端的能量供给，提供稳定无压差的电压。主控芯片则是通信模块的大脑，负责信息处理和计算，并控制参数设置及电源输入和通讯输入输出。图3具体工作方式为，探测器中所有信号都集中到主芯片，进行下一步的数据处理，主芯片对感烟探测器输出的模拟信号进行处理，当信号值达到阈值时，确定发生火灾，蜂鸣器接收到来自驱动电路的信号进行报警，同时将火灾数据传输至无线通讯芯片，最终发送至监控主机，等待消防人员对火灾信息进行处理。3.3监控主机的硬件火灾报警监控主机集成了监控、通信和控制功能，是整个火灾报警系统数据处理的核心。监控主机硬件结构框图如图4所示，为了方便监控和管理，监控主机内置以太网口、RS485、RS232等多种接口，便于实现多台主机组网。监控主机硬件系统主要包括主控芯片、无线通信接口电路、电源电路、报警按键电路等。复位按键电路的作用主要是当消防控制室的值班人员发现火情后，采取扑救措施，将警报解除。主控芯片通过SPI接口连接到SX1278射频芯片，采用LoRa通信技术与无线感烟探测器实现双向通信。图4通过无线通讯电路，感烟探测器将数据上传至监控主机进行处理、显示并发出报警信号，还可以保留历史火灾或故障信息。3.4火灾报警系统工作流程基于LoRa技术的无线火灾报警系统的工作流程主要包括三部分，分别是烟雾报警节点、LoRa通信节点、监控主机节点，可以实现现场采集、无线通信、集中监控的功能，并且满足低功耗的设计要求。烟雾报警节点通过LoRa网络完成烟雾探测器的数据采集和上传，同时接收网关下发的指令，对烟雾探测器进行设置，当烟雾浓度超出阈值时，STM32单片机读取到探测器输出的报警数据后，通过LoRa网络将火警数据传输至监控主机的LoRa网关，实现火警数据的远距离传输，消防值班人员将根据火警信息进行下一步动作探测器将数据信息通过LoRa网络发送至网关，并等待监控主机的反馈，完成烟雾数据的采集与传输。当数据发送后并没有收到反馈则尝试再次发送，若三次没有收到反馈则发出故障警告。若消防人员及时观察到报警或故障信息，命令执行完成后，故障信息排除。监控主机声光报警动作消除后，，声光报警器关闭，消防人员将控制命令发送到相应的烟雾报警节点，感烟探测器执行复位操作，这就是感知节点的复位状态。监控主机的工作流程是定时采集SX1278接收的数据，若检测到感烟探测器有警情发生，将响起警报并存储报警节点信息；若监控主机无法正常读取SX1278的数据，则延时10