智能无线建筑与电气火灾监控装置与系统

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本发明属于消防火灾监控领域领域，涉及一种智能集成型、无线建筑火灾与电气火灾监控装置与系统。具体提供基于Zigbee组网的无线建筑火灾探测与报警装置节与电气火灾探测与报警装置，基于Zigbee与4G无线通讯的集中报警与监控单元点及基于物联网的云服务平台控制系统方案。系统由前端建筑与电气火灾探测、报警节点、中端集中报警与监控单元、末端物联网、云服务平台、管理及移动监控终端三部分组成。本发明建筑与电气火灾监测节点可实现无线自组网，降低线路投资及施工成本。前端节点检测现场环境温度，烟雾浓度，电气母线排、电缆、柜内环境温度、电缆线路剩余电流以及装置本身电源电压水平，通过无线传输至中端中端集中报警与监控单元，同时通过4G网络传输至云服务平台进而发送到管理人员手机等移动终端。

1.智能无线建筑与电气火灾监控装置与系统，包括前端建筑与电气火灾探测、报警节点、中端集中报警与监控单元、末端物联网云服务平台三部分，其特征在于：所述的建筑火灾探测、报警装置由电源模块、数据处理单元、Zigbee无线通讯模块、接口模块、温度采集模块、烟雾采集模块、电源电压采集模块、时钟电路、声光报警模块组成，其通过Zigbee网络与中端报警与监控单元相连；所述的电气火灾探测、报警装置由电源模块、数据处理单元、Zigbee无线通讯模块、接口模块、剩余电流采集模块、温度采集模块、电源电压采集模块、时钟电路、继电器输出模块、声光报警模块组成，其通过Zigbee网络与中端报警与监控单元相连；所述的中端报警与监控单元由电源模块、数据处理单元、Zigbee无线通讯模块、4G无线通讯模块、接口模块、时钟电路、继电器输出模块、HMI显示及报警模块、设置及查询模块等组成，其通过Zigbee网络与前端节点相连，同时通过4G网络与终端云服务平台相连；所述的末端物联网、云服务平台由防火墙、云服务器、移动终端组成。 2.根据权利要求1所述的智能无线建筑与电气火灾监控装置与系统，其特征在于：系统具备同时监控建筑火灾与电气火灾功能。 3.根据权利要求1所述的智能无线建筑与电气火灾监控装置与系统，其特征在于：所述的前端建筑与电气火灾探测、报警节点通过Zigbee技术自组网，并自动生成设备编码；所述的前端建筑与电气火灾探测、报警装置，Zigbee芯片选用CC2530F256，MCU与接口芯片选用AT89C51，温度传感器芯片采用DS18B20，烟雾传感器芯片采用MQ-2，并集成的板载PCB天线；所述的前端建筑与电气火灾探测、报警装置电源采用DC9V锂电池供电，同时设置AC220V市电电源接线接口。 4.根据权利要求3所述的智能无线建筑与电气火灾监控装置与系统，其特征在于：前端建筑火灾探测、报警节点安装于通道及房间顶部等位置，通过烟雾传感器、温度传感器检测现场环境，当发生火情时在现场发出声光报警，通知人员疏散离开。 5.根据权利要求3所述的智能无线建筑与电气火灾监控装置与系统，其特征在于：前端电气火灾探测、报警节点安装于装于配电柜(箱)内或其周围，采集开关柜内环境温度、电缆、母排等温度信号以及电缆剩余电流，当检测到发生电气火灾时，发出声光报警并跳开对应断路器回路。 6.根据权利要求3所述的现场节点节省功耗控制策略采用周期性休眠唤醒算法。 7.根据权利要求1所述的智能无线建筑与电气火灾监控装置与系统，其特征在于：所述的中端集中报警与监控单元用于实现实时监测各现场建筑与电气火灾装置节点状态，通过Zigbee网络将现场节点监测现场火灾情况及装置本身电源电压水平进行采集，并进行分析计算及存储，并可通过4G网络上传至云服务平台；所述的中端集中报警与监控单元Zigbee芯片选用CC2530F256，MCU与接口芯片选用AT89C51，4G芯片选用SIM7600CE，HMI与设置模块采用一体化液晶显示屏。 8.根据权利要求7所述的智能无线建筑与电气火灾监控装置与系统，其特征在于：所述的中端集中报警与监控单元安装于消防控制室或值班室内，采用市电AC220V与DC24V电池组备用供电。 9.根据权利要求7所述的智能无线建筑与电气火灾监控装置与系统，其特征在于：所述的云服务平台基于4G无线网络搭建，由防火墙、云服务器、移动终端组成；所述的防火墙、云服务器安装于远程云端服务中心，移动终端为IPAD或智能手机；云服务平台将中端中端集中报警与监控单元上传的现场建筑与电气火灾装置节点信息汇总至云服务器，通过云服务软件进行分析整理及备份，并发送至移动终端对现场建筑火灾与电气火灾情况实时监控，当有火情或某节点需要更换电源时，提示管理人员及时采取控制措施，同时，移动终端可向中端监控与报警节点发送控制指令。 10.根据权利要求9所述的智能无线建筑与电气火灾监控装置与系统，其特征在于：云服务器由应用管理服务器、数据库服务器、WEB服务器组成；数据库服务器用于数据的存储，提供历史数据查询、报表生成、数据追溯等服务，应用管理服务器将无线传输来的数据实时监控，并进行分类、计算，并可通过行业大数据进行比对分析；WEB服务器支持授权的以太网连接。

技术领域

本发明涉及消防火灾监控领域，特别是涉及一种智能集成型、无线建筑火灾与电气火灾监控装置与系统。

背景技术

随着我国城市建设进程的加快，大量工业与民用建筑物建设完成，近年来，火灾事故频繁发生，给人们的生命和财产安全带来巨大威胁。

目前，建筑物主要分为对烟雾、火光等进行监测的建筑火灾消防系统与对配电系统短路、过载、漏电等进行监测的电气火灾消防系统。二者各自独立、配置分散、功能单一，不能更加完善的对火灾进行监控；两套系统一般需要两套运行维护人员不利于运行、维护与管理、造成资源浪费、总投资费用高。火灾探测传感器目前使用较多的是三线制或两线制，接线比较复杂、需要穿墙打孔预埋线路、安装和维修复杂、线缆投资巨大，且线缆存在老化、火灾烧断等情况，系统存在隐患。监控手段单一，需专业人员值班值守，需要人力资源较多。

ZigBee是最近几年发展起来的一种短距离、架构简单、低消耗功率的无线通信技术，其

传输距离约为100m，使用频段为免费的2.4GHz频段，传输速率为250kbit/s，网路架构具备Master/Slave属性，并可达到双向通信功能，采用DSSS扩频模式，符合IEEE802.15.4通信标准，抗干扰能力强。

物联网、云系统是近几年飞速发展和进步的技术，已成功应用于各个行业，通过无线网络将传感器、控制器、人员、物品均互联到一起，使信息化、远程控制管理、智能化大大提高。

发明内容

针对以上存在的技术问题，本发明旨在解决建筑火灾与电气火灾消防监控问题，解决无线传输通讯问题、解决集中监控运行维护问题；提供一种智能火灾探测与通讯节点装置、提供一种具有路由、网关功能的火灾集中监控装置、提供一种基于物联网、云系统的远程监控解决方案。

本发明采用如下技术方案:

所述的智能无线建筑与电气火灾监控装置与系统包括第一部分：前端现场建筑与电气火灾探测、报警、控制节点；第二部分：中端协调器、网关、集中报警与监控单元；第三部分：末端物联网、云服务平台、管理及移动监控终端等。

所述的前端节点分为建筑火灾部分与电气火灾部分，其中建筑火灾主要包含火灾探测装置、报警按钮声光报警器、消防广播、消防应急电话、消防疏散装置等，本发明仅包括火灾探测装置，其他部分在此不再赘述。

所述的建筑火灾探测、报警装置由电源模块、数据处理单元、Zigbee无线通讯模块、接口模块、温度采集模块、烟雾采集模块、电源电压采集模块、时钟电路、声光报警模块组成。各建筑火灾探测装置可通过Zigbee无线通讯实现自组网。当监测到火情时，前端节点会发出声光报警，并通过无线通讯传至中端监控单元。

所述的电气火灾探测、报警装置由电源模块、数据处理单元、Zigbee无线通讯模块、接口模块、剩余电流采集模块、温度采集模块、电源电压采集模块、时钟电路、继电器输出模块、声光报警模块组成。各电气火灾探测装置可通过Zigbee无线通讯实现自组网。当监测到火情时，前端节点会发出声光报警，并通过无线通讯传至中端监控单元。

所述的中端协调器、网关、集中报警与监控单元由电路板、电源模块、HMI显示及报警模块、设置及查询模块等组成。其中电路板主要由数据处理单元、Zigbee无线通讯模块、4G无线通讯模块、接口模块、时钟电路、继电器输出模块组成。

所述的末端物联网、云服务平台由防火墙、云服务平台、移动终端组成。中端监控单元通过4G通讯与云服务平台相连，将所有前端节点火灾信息上传至云服务平台，同时可接收云服务平台发出的指令。手机、IPAD等移动终端安装火灾监控APP软件，云服务平台通过4G网络向手机等移动终端发送报警及其他相关信息，使管理人员第一时间了解到火灾情况并采取相关措施。

具体而言，有如下有益效果：

1)一体化，同时有建筑电气火灾监控与建筑火灾监控功能；

2)无线化，采用无线通讯模式便于施工、维护方便、节省投资；

3)自组网，Zigbee通讯自组网，方便日后维护、更换及系统升级；

4)复合探测技术，采用对光、热、烟气、电压、电流复合监测技术，更好的监测火灾中各个物理量的变化，弥补单一传感器的不足，可不间断实时监测火灾过程，对火情发展、人员疏散起到重要作用；

5)低功耗，采用低功耗芯片及芯片睡眠机制算法，有效延长前端节点电源供电时间；

6)复合供电方法，前端节点采用电池供电，对于附近有市电条件的节点就近接220V电源，可增加通讯链路的稳定与可靠性；

7)远程化，运行管理人员的远程监控与管理，降低人力成本。

8)智能化，通过监控单元及云服务器超大计算能力不光可实现实时监控，并可实时行业大数据的比对与分析。

附图说明

图1为系统结构拓扑图。

图2为前端建筑火灾探测与报警装置节点结构图。

图3为前端电气火灾探测与报警装置节点结构图。

图4为中端集中报警与监控单元结构图。

图5为所示周期性休眠唤醒流程算法。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的智能无线建筑与电气火灾监控装置与系统,包括三部分，其中第一部分1-1前端现场建筑与电气火灾探测、报警、控制节点，其中建筑火灾控制节点1-1负责采集建筑物现场的烟雾、温度，节点本身的电压，电气火灾控制节1-1点负责采集温度、剩余电流、节点本身电压等信号信息，各节点之间通过Zigbee网络组网；第二部分主要由中端协调器1-2、网关1-3组成集中报警与监控单元，其中1-2作为做为协调器为Zigbee网络的主节点，负责与现场前端节点的组网与通讯，1-3网关为中端部分与物联网云系统的网关；第三末端物联网部分，由1-4云服务平台、1-5管理或移动监控终端等组成。

前端节点部分可分为建筑火灾探测与报警装置及电气火灾探测与报警装置。

如图2所示，建筑火灾探测与报警装置由电源模块2-1，数据处理单元2-2、Zigbee无线通讯模块2-3、接口模块2-4、温度采集模块2-5、烟雾采集模块2-6、电源电压采集模块2-7、时钟电路2-8、声光报警模块2-9、继电器输出模块2-10组成。本节点安装于建筑物必要通道及房间顶部等位置，各节点之间通过2-3Zigbee通讯模块实现自组网，通过网络设置实现设备编码。节点通过温度采集2-5、烟雾采集2-6外围电路检测环境条件，当检测到环境温度及烟雾浓度高于设定值时，首先2-4接口模块输出报警信号给2-9声光报警电路，在现场发出声光报警，同时可通过Zigbee无线通讯模块2-3将报警节点信息传输至中端集中报警与监控单元。

图3为电气火灾探测与报警装置结构图，组成部分与图2基本相同。本节点安装于配电柜(箱)内或其周围，首先其可通过3-3Zigbee通讯模块实现自组网，组网成功后实现设备编码。节点通过温度采集2-5模块采集开关柜内环境温度、电缆、母排等温度信号，剩余电流采集2-6外围电路检测电缆线路中剩余电流，当检测到柜体内环境温度、电缆温度、母排温度高于设定值、检测到电缆线路剩余电流高于设定值时，首先3-4接口模块输出报警信号给2-9声光报警电路，在现场发出声光报警，并且继电器输出模块输出控制配电柜(箱)内对应断路器动作。同时可通过Zigbee无线通讯模块3-3将报警节点信息传输至中端集中报警与监控单元。

本发明图2与图3火灾探测与报警装置中采用ZigbeeSOC芯片CC2530F256，同时，结合AT89C51MCU内核并集成的板载PCB天线。建筑火灾探测与报警装置PCB板外围电路温度传感器采用DS18B20，烟雾传感器采用MQ-2。电气火灾探测与报警装置温度检测及剩余电流检测均接自外置信号检测模块，其输出为标准模拟量信号。电源采用DC 9V锂电池供电，同时设置AC220V市电电源接线接口，当就近有市电接入情况时，可接入220V永久电源，减少电池投资同时可增大系统可靠性。图2与图3中设置电源电压检测外围电路模块，定期检测电源电压情况，设定电源更换电池电压及不能正常工作告警电压，当检测到电源电压低于设定电压时，通过Zigbee通信模块通讯到中端集中报警与监控单元，同时，也通过4G传输至云服务平台，并发送至运行维护人员手机，提醒其更换电池进行维护。

如图4所示，中端集中报警与监控单元由电源模块4-1，数据处理单元4-2、Zigbee无线通讯模块4-3、4G通讯模块4-4，接口模块,4-5、时钟回路4-10，外设部分包括设置及查询面板4-6、HMI显示面板4-7，声光报警4-8、继电器输出模块4-9。中端集中报警与监控单元安装于消防控制室或值班室，除集中报警与监控功能外，还担负Zigbee网络的协调器、4G网络的网关功能，是本发明系统的重要节点。电源采用市电AC220V与DC24V电池组备用供电，保证供电可靠性。4-3通讯模块为整个Zigbee网络的协调器，现场节点信息通过协调器发送至中端监控单元。4-4 4G通讯模块负责将监控单元收集整理后的数据发送至远端云服务平台，同时可将远端命令传送至中端监控单元。当现场某节点有报警时，信息通过Zigbee网络传至中端监控单元，4-8发出声光报警，4-7HMI面板会显示节点编号及位置。4-6设置及查询面板用于系统初始化设置及查询报警记录打印数据等。ZigbeeSOC芯片采用CC2530F256，数据处理及IO接口采用AT89C51MCU，4G芯片采用SIM7600CE。

本发明中，建筑火灾与电气火灾探测与报警装置使用电池供电的前端节点中，装置的功耗决定电池的供电时长，直接影响系统稳定工作时间。以图2为例，组成前端探测与报警装置的功耗主要分为传感器采集功耗，主控芯片功耗以及Zigbee无线通讯功耗。按性质可分为长期使用、定时使用、按需使用产生的功耗。以上功耗中传感器采集功耗及主控芯片功耗通过选用低功耗芯片及合理的电路板设计降低，占整体功耗的一小部分，主要的功耗为Zigbee无线通讯功耗。本发明采用的ZigbeeSOC芯片通过查阅TI公司官方资料其芯片接收功耗为24mA，发射功耗为29mA，睡眠功耗为1uA。为降低Zigbee通讯功耗，采用如图5所示周期性休眠唤醒流程算法，在一个工作周期T内，T1位休眠期，T2为工作期，其中休眠期T1占整个工作周期T的80％以上，期间功耗电流降I1低到微安级别；T2期间工作电流I2可达到数十毫安，唤醒系统进行数据采集及处理上报工作，待数所有节点信息采集发送完成后进入下一个周期。本发明装置采用9V 1000mAH锂电池，通过周期性休眠唤醒算法单节锂电池可以使前端装置节点通讯使用时长达到1～3年。

本发明终端物联网云服务平台部分主要由防火墙、应用管理服务器、数据库服务器、WEB服务器及监控终端组成。监控终端为电子计算机、手机或IPAD等。现场节点的建筑与电气火灾数据通过中端监控单元，以无线方式传输至云服务平台，云平台的数据库服务器用于数据的存储，提供历史数据查询、报表生成、数据追溯等服务，应用管理服务器将无线传输来的数据实时监控，并进行分类、计算，并可通过行业大数据进行比对分析。WEB服务器支持授权的以太网连接的电子计算机通过网页查询系统状态及历史数据，并支持手机APP软件，可向手机等移动终端发送实时报警数据，手机可登陆监控APP软件实时查询系统状态。在云服务器与监控终端及云服务器与中端监控单元之间均设置防火墙，使系统具有访问权限验证与防护系统安全的功能。

本发明针对于独立管理的一个园区，比如一个小区、别墅、学校、展览馆等；一个工业厂区，比如钢厂、水泵站、变电站、生产车间等组成一套中小型监控系统，将建筑火灾与电气火灾进行集中监测与控制，简化施工难度，大大提供运行管理效率，减少投资水平。例如在一工业厂房内，其消防应同时监控电气火灾与建筑火灾，根据建筑单体数量设置中端监控与报警单元个数，在每个建筑单体内设置若干建筑火灾与电气火灾监控节点，自组网后实时监测火灾信息传输至中端监控单元，同时，一个园区内的各中端监控单元通过4G网络将各建筑单体内火灾信息传输至云服务平台。

以上实施例及提到的应用场景仅用以说明本发明的技术方案，不能以此限定本发明的范围。在不偏离本发明构思的条件下，对以上构件及技术特征所做的变形、替换等均应属于本发明专利涵盖的范围内。

本文标签： 火灾装置电气智能建筑