棉花仓库是棉花物资集中储存的重要场所, 仓储安全是仓库管理的首要目标。对于棉花仓储安全, 除了环境温湿度变化对棉花品质的影响外, 人为引起的火灾是棉花仓储安全威胁最大的因素。一旦发生火灾, 就会造成严重的经济损失, 还可能造成人员伤亡, 后果十分严重。

火灾自动报警系统是一种能够通过自动捕捉探测区域内火灾发生时的烟雾或热气, 及时发现和通报火情, 同时联动其他设备, 实现监测、报警和灭火自动化的自动消防设施, 是提高棉花仓库防火能力的有力工具, 在棉花仓储安全中发挥着重要的作用。该系统通常由火灾探测器、报警控制器, 以及消防设备联动装置等组成。

现有的火灾报警系统, 多采用有线技术进行火灾传感器网络的组建。目前基于有线技术的火灾报警系统已趋于成熟, 但有线通信方式扩展性能差、布线繁琐、影响美观, 而且由于采用硬线连接, 线路容易老化或遭到腐蚀、鼠咬、磨损, 因此, 有线报警系统故障发生率和误报警率较高。采用无线传输方式构建的无线火灾报警网络则可以避免这些问题。

无线报警系统是近几年来在国内外发展起来的新型火灾报警系统, 与传统的火灾报警系统相比有它独特的优势并孕育着巨大的市场潜力。相对于有线方式而言, 无线的方式比较灵活, 不需布线, 网络的基础设施不再需要掩埋在地下或隐藏在墙里。此外新节点加入和退出网络都非常方便, 避免了重新布线的麻烦, 有利于网络的扩充, 而不需要大规模的重新布局与规划。

由此可见, 无线网络可以很好地适应移动或变化的需要, 可以认为无线网络是火灾报警网络的发展趋势。随着近年来微电子机械系统、无线通信、数字电子等技术的发展, 对于无线火灾自动报警系统的研究已在国内外发展起来, 并走向了实用化。然而, 尽管目前的蜂窝无线移动通信、无线局域网和蓝牙等无线通信技术比较成熟, 也应用到了很多领域, 但尚未在火灾自动报警系统中广泛使用。除了有些技术不适合在火灾自动报警系统中使用外, 其中一个重要的原因就是这些无线通信产品价格偏高, 且不便于维护。ZigBee技术具有低成本、低功耗、组网方式灵活、等待时间短、简单易用、覆盖范围广等优点, 根据火灾报警系统的要求, 相对于其他无线网络技术, ZigBee技术更适合于组建大范围的无线火灾探测器网络。

ZigBee技术是一种低成本、低功耗、近距离、低复杂度、低数据速率的双向无线通信技术, 传输距离约几十千米, 主要使用免费的2.4 GHz频段, 数据传输速率为250 kbps, 适用于对数据速率和服务质量要求不高、需要低功耗低成本, 以及大面积使用无线监控设备的领域。

ZigBee作为无线传输领域中的新兴技术, 其标准有独特之处。ZigBee技术具有以下特点。

a) 成本低。ZigBee技术具体实现的要求比较低, 因数据传输率低, 协议简单, 8位处理器就可以满足其最低需要, 从而大大降低了芯片的成本。ZigBee协议是免专利费的, 使用的工作频段为2.4GHz、868 MHz (欧洲) 、911 MHz (美国) , 均为免执照频段, 无需运营费用。ZigBee技术的使用成本较低, 适合大规模普及使用。

b) 功耗小。由于工作周期短, 收发信息功耗低, 同时采用了休眠模式, ZigBee模块的耗电量很小, 一般情况下两节5号电池即可使用半年以上, 因此适合采用电池供电, 便于安装。

c) 网络容量大。一个ZigBee网络最多可有255个ZigBee网络节点, 其中只有一个是主设备, 其他都是从设备, 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 可支持2万多个节点。因此, 可容纳节点数量大, 适合大面积使用。

d) 可靠性好。采用了避免碰撞机制。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙, 避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息, 优化了时延敏感, 缩短了通信时延和从休眠状态激活的时延。

由于以上技术特点, 和其他无线通信协议相比, ZigBee在工业和家庭控制领域具有无可比拟的优势, 它在带宽、传输距离、功耗以及成本之间取得了比较好的平衡。

相对于常见的无线通信标准, ZigBee协议栈紧凑而简单, 包括物理层、介质访问控制层、网络层、网络安全层和应用层接口。其中, 物理层、介质访问控制层是基于IEEE 802.15.4无线个人局域网 (WPAN) 标准协议、主要由IEEE 802.15.4任务小组完成的, 是无线接收发射机的基本结构。ZigBee联盟则在IEEE 802.15.4标准基础之上又建立了网络层、安全层和应用层接口API。网络层主要定义了网络的拓扑结构和无线网络的数据/控制流, 包括节点的处理等;网络安全层提供网络和所有节点的安全设置, 应用层接口API则为用户提供了应用接口, 负责把不同的应用映射到ZigBee网络上, 应用层由用户根据需要进行开发。

ZigBee技术的网络功能与其他无线局域网标准相比有明显的区别, 即在网络层中, ZigBee中定义了3种不同的器件:一是网络协调器 (PAN) , 负责网络的建立;二是路由器, 负责查询、建立和修复信息包的路由路径并负责转送;三是各类终端装置, 只能加入已形成的网络, 可以收发信息, 不能转发信息, 无路由功能。网络协调器和路由器由全功能器件 (FFD) 实现, 终端装置由简化功能器件 (RFD) 实现。ZigBee网络有多种拓扑结构, 常见的有星型拓扑和点对点拓扑结构, 一般多采用星型拓扑结构, 因为其结构简单, 实现方便, 不需要大量协调器节点, 可降低成本。总的控制方案见图1。

基于ZigBee的火灾自动报警系统, 首先要建立一个由数据控制中心和若干FFD组成的ZigBee无线骨干网络, 可以是链状或网状, 见图2。

图2中每个“●”即为无线网络中的一个主节点 (FFD) , 而“○”为带有各类传感器的子节点 (RFD) , FFD和RFD均有一个64位的IEEE地址, 可以分配一个16位的本地地址以便减小数据包的大小。对于星型拓扑, 其地址模式可采用网络号+设备标识。每个节点都由带有微功率收发器的ZigBee无线模块构成, 网络主节点本身构成一个无线互联网。

ZigBee无线骨干网络中每个主节点类似于移动通信网络中的一个基站, 根据防火监控区域的分布进行合理设置, 并通过调整位置或发射功率使它们之间可以进行相互通信。每个主节点不仅本身可以与传感器直接连接进行数据采集和监控, 还可以自动中转其他网络节点传过来的数据资料。另外, 每个主节点还可以在自己的信号覆盖范围内和多个不承担网络信息中转任务的子节点进行无线连接。

每个网络节点间的距离可以根据实际测试情况进行调整, 可以从10 m左右到扩展后的几百米。整个ZigBee网络还可以与现有的其他网络连接, 进行远程控制。网络节点之间既可以无线通信, 也可以通过有线通信电缆进行通信, 实现两种通信方式的互补。

数据控制中心是整个网络的控制和管理中心, 主要包括中央控制计算机、数据存储备份、状态显示设备等, 负责整个系统的控制和数据的处理及决策等, 包括ZigBee网络的开启关闭、参数的设置, 尤其是对整个系统数据进行流水存储和记录。在数据控制中心可以通过网络管理软件标识每个FFD的位置, 并通过RFD和FFD通信关系确定FFD的位置。

报警器的探测信号主要通过烟雾传感器和温度传感器输入。探测点既可以直接与主节点装在一起固定在某个位置, 也可以安装在子节点上, 根据防火分区设置的需要灵活凋整位置, 并且可以随时增加探测点。信号输入方案是传感器→放大→ADC→单片机→ZigBee通信模块。

由于ZigBee采用自组织方式组网, 允许随时建立无线通信链路, 协调器一直处于监听状态, 当有新的RFD加入到网络中时, 会被附近的FFD发现并将其信息传送给协调器。由协调器进行编址, 计算其路由信息, 更新数据转发表和设备关联表, 确定其物理位置。若直接增加FFD, 则可直接向协调器上报自身信息, 并与周围其他FFD进行轮询, 记录其地址, 从而实现中转作用。

当探测区内发生火灾时, 传感器采集到的信息经网络传送到数据控制中心, 控制中心可以根据数据对比和存储的信息资料, 立刻确定火灾的相关信息, 如温度、火势的方向等。我们可以在探测区域安置不同的传感器, 如点型离子感烟探测器、红外光束线型感烟探测器、火焰探测器、复合探测器及其他感温探测器等, 在数据控制中心利用管理软件通过分析对比不同传感器传回的数据信息。对照各传感器的位置, 迅速确定起火点的位置, 并根据各传感器不断传回的信息判断火势蔓延的方向和速度, 便于准确迅速地开展疏散救援工作和灭火工作。

同时将该系统与其它消防装置联动, 如火灾警报装置、各类灭火系统、防火卷帘门等, 其信号输出方案是ZigBee通信模块→单片机→DAC→放大→报警及灭火装置。

接收到火灾探测传感器发回的火灾信息后, 数据控制中心决策系统经网络启动报警及灭火装置, 迅速灭火。此功能与原自动消防装置并联使用, 起到双重保险作用, 确保消防灭火系统启动。

ZigBee在火灾自动报警系统中的应用, 将有利于改善防火系统的性能。无线网络便于安装或重新布置防火探测点, 节省了大量布线的成本, 大大缩短了系统的安装时间。

将ZigBee技术应用到火灾自动报警系统中的方案, 会大大降低现有的火灾自动报警系统的安装和运行成本, 特别是其可移动性及可随时添加的特性, 大大方便了火灾自动报警系统的调整、更新。

提高了现有火灾自动报警系统的灵活性, 并增加了移动定位功能, 方便了火灾救援和灭火工作。特别是浓烟密布, 无法察看清楚火灾现场情况时, 利用移动定位系统可以帮助消防人员通过与指挥中心联系迅速确定自己的方位及火灾现场的情况, 有效提高了救援和灭火工作的效率。