Система пожарной сигнализации с радиоканалом

8 мая 2007  |  Пожарные датчики





Беспроводные технологии находят применение во все новых областях человеческой деятельности. Одно из перспективных направлений их использования - элементы системы "разумный дом". Несмотря на более высокую стоимость систем охранной и пожарной сигнализации с радиофицированными датчиками, беспроводных выключателей света и дверных замков без ключей, устройства подобного рода начинают постепенно появляться в повседневной жизни. Данная статья знакомит читателя с радиофицированным датчиком дыма на компонентах фирмы Motorola и системой пожарной сигнализации на его основе.

Неотъемлемым компонентом любой системы пожарной сигнализации являются датчики. На основе их показаний формируется так называемая "картина пожара", т.е. определяется место возгорания, площадь пожара, направление и скорость его распространения, вычисляются безопасные пути эвакуации людей из помещений. В современных системах датчики объединяются в группы, взаимодействующие с одним приемно-контрольным устройством. Каждое такое устройство осуществляет слежение за состоянием датчиков своей группы и подает тревожный сигнал на центральный пульт при обнаружении угрозы возгорания. По способу связи с приемно-контрольным устройством различают три типа датчиков 1 : автономные извещатели, проводные и беспроводные датчики.

Автономные извещатели осуществляют индикацию режимов работы непосредственно в том месте, где они установлены. Для подачи тревожного сигнала используется встроенный излучатель звука, работоспособность извещателя подтверждается светодиодным индикатором. Автономные извещатели не требую прокладки кабелей при установке, питание их осуществляется от батареи. Некоторые типы автономных извещателей могут объединяться проводами в автономные системы пожарной сигнализации. Сигнал тревоги в таких системах выдается всеми излучателями одновременно при обнаружении возгорания хотя бы одним из них. Преимущество этого способа пожарной охраны здания - в информировании людей о пожаре, находящихся, например, на кухне первого этажа дома при возгорании в спальне на втором этаже. Основной недостаток автономных извещателей - отсутствие удаленного мониторинга объекта и оповещения о чрезвычайной ситуации при отсутствии людей в помещении.

Проблема оповещения о пожаре в отсутствие людей решается с использованием проводных датчиков, которые связаны с приемно-контрольным модулем посредством 2-х или 4-х проводного интерфейса. Линии интерфейса используются также для питания датчика. Аппаратные средства проводных датчиков могут осуществлять локальную звуковую и визуальную индикацию состояния, однако, основная их задача - это передача информации в контрольный модуль. Наличие проводного интерфейса - основной недостаток датчиков этого типа. Монтаж проводной системы пожарной сигнализации требует определенных затрат. Кроме того, наличие проводной системы необходимо предусматривать еще на стадии отделки помещении. В противном случае возникает необходимость дополнительных мер по сокрытию подводимых кабелей.

Часто, по архитектурным или эстетическим соображениям, прокладка сигнальной проводки затруднена или вообще невозможна. В этом случае целесообразно применение автономных беспроводных датчиков с передачей информации по радиоканалу. Датчики данного типа являются следующим шагом в построении распределенных систем пожарной сигнализации. Они, как правило, включаются в себя все доступные средства индикации режимов, как локальные, так и удаленные, имеют автономное питание, обладают рядом дополнительных сервисных функций. Недостаток - более высокая по сравнению с другими типами датчиков стоимость изделия, обусловленная внедрением новых технологий и оригинальных решений в простом, на первый взгляд, устройстве. Однако там, где требуется быстрое развертывание системы сигнализации, изменение ее конфигурации с сохранением свойств и удаленный мониторинг состояния помещения, альтернативы автономным датчикам с радио интерфейсом практически не существует.

Датчики пожарной сигнализации подразделяются на группы также и по способу обнаружения возгорания. При пожаре происходят три основных процесса в месте горения: задымление, повышение температуры, уменьшение содержания кислорода в воздухе. На сегодняшний день, самыми распространенными являются датчики, реагирующие на повышение температуры. Они имеют простую конструкцию и, как правило, объединяются в единую проводную сеть.

Все большую популярность обретают устройства, способные распознавать дым. Это связано с тем, что в начале пожара температура в помещении повышается медленно и резко возрастает уже только при открытом пламени. Датчики дыма способны диагностировать возгорание, когда пламени еще нет, что позволяет избежать сильного пожара, и способствует сохранению имущества и жизней. На рисунке 1 представлена универсальная обобщенная блок-схема датчика дыма, использующего дымовую камеру в качестве инструмента определения задымления и включающая в себя все основные элементы каждого из трех вышеназванных типов пожарных датчиков.


Система пожарной сигнализации с радиоканалом

Рис. 1. Универсальная обобщенная блок-схема датчика дыма

Многие крупные зарубежные компании, такие как Ademco, Siemens, Digital Security Control, Visonic и др. предлагают достаточно широкий спектр отдельных компонент или целых радио систем контроля и диагностики. В последнее время отечественные производители стали также заниматься разработкой подобных устройств.

На рисунке 2 показана структура системы пожарной сигнализации, использующей радиоканал для сбора информации от датчиков дыма. Система построена с использованием автономных беспроводных датчиков дыма со встроенным радиопередающим модулем и локальной звуковой и визуальной индикацией режимов работы. Передача данных через радио канал осуществляется в одностороннем режиме от датчиков дыма к приемным и контрольным модулям. Такой режим позволил значительно сократить потребление электроэнергии каждым датчиком в отдельности, в результате оказалось достаточным применение только одной батареи в качестве автономного источника питания при незначительном проигрыше в надежности работы системы по сравнению аналогичными системами с двухсторонним обменом. Помимо одностороннего обмена, для сокращения энергопотребления были применены схемотехнические приемы и специальные алгоритмы работы микроконтроллера, входящего в состав датчика дыма.


Система пожарной сигнализации с радиоканалом

Рис. 2. Структура системы пожарной сигнализации с радиоканалом

Каждый датчик дыма в системе имеет свой индивидуальный номер. Номер может быть присвоен датчику как на этапе производства в момент занесения программы в память МК, так и при установке системы, с использованием аппаратных средств приемного модуля. Каждый приемно-контрольный модуль системы имеет индивидуальный идентификатор, который, вместе с номером заносится в память датчика. Это необходимо для построения адресной системы пожарной сигнализации с закреплением за датчиком или группой датчиком своей зоны ответственности. В результате, образуются, так называемы, соты, каждая из которых включает в себя определенное количество датчиков дыма и один приемно-контрольный модуль. В свою очередь, приемные модули могут быть объединены в единую систему пожарной охраны здания посредством любого проводного интерфейса.

Система способна обслуживать до 255 датчиков дыма в пределах отдельно взятой соты при наличии большого уровня помех и нескольких работающих параллельно систем пожарной сигнализации. Возможно расширение системы до 1024 датчиков дыма при отсутствии постоянных радиопомех и интерференции от других источников радиосигналов. Дальность радиопередачи от датчиков к приемному модулю составляет более 30 метров внутри помещений и более 300 метров - в зоне прямой видимости на открытой местности. Надежность передачи данных через радио интерфейс обеспечивается применением помехоустойчивого кодирования информации совместно с восстанавливающим алгоритмом и коррекцией ошибок на стороне приемного модуля. Срок работы датчика дыма в системе от стандартной батареи типа "Крона" составляет не менее одного года при емкости источника питания не менее 400мАч. Радио интерфейс использует два (на выбор) разрешенных частотных диапазона: 434 и 315 МГц. Доступны следующие типы модуляции: FSK (Frequency Shift Keying - частотная манипуляция относительно одной несущей) и OOK (On/Off Keying - амплитудная модуляция), которые задаются аппаратно в датчике дыма. Выходная мощность радиопередатчика в датчике дыма регулируется аппаратно в пределах от -20дБм до 10дБм, чувствительность приемного модуля составляет -105дБм. Скорость передачи информации выбирается программно, параллельно с заданием идентификатора и номера датчика дыма, и варьируется в пределах от 1 до 11 кбит/секунду. Для обеспечения свободных временных интервалов в эфире и предотвращения коллизий внутри системы при передаче данных в системе применено временное разделение.


Система пожарной сигнализации с радиоканалом

Рис. 3. Структурная блок-схема радиофицированного датчика дыма

На рисунке 3 приведена структура датчика дыма с радиоинтерфейсом. Аппаратные средства датчика можно разделить на три функциональных блока (см. рис. 1). Основным элементом блока датчика дыма является интегральная схема датчика дыма MC145010/12 компании Motorola 2 . Микросхема использует эффект оптического рассеивания продуктами горения светового потока при определенной концентрации задымления внутреннего пространства дымовой камеры. Помимо опроса дымовой камеры на наличие дыма, микросхема осуществляет контроль уровня питающего напряжения и слежение за изменением чувствительности дымовой камеры. Локальная индикация режимов работы осуществляется при помощи встроенной в датчик звуковой сигнализации и информационного светодиода. Цепь тестирования позволяет проверять работоспособность датчика посредством нажатия и удержания кнопки, выведенной на корпус, имитируя режим задымления в дымовой камере. Питание микросхемы датчика дыма совместно с периферией осуществляется непосредственно от +9В батареи, в то время как блок интерфейса работает при более низком питании +2.5В. Для сопряжения функциональных блоков датчика задействована схема преобразования уровней напряжений.

В качестве интерфейса для удаленной передачи данных выбран радиоканал. В качестве основного элемента радио-интерфейса используется МК MC68HC908RF2 с интегрированным в корпус радиопередатчиком 3 . Функции МК - обработка сигналов о наличии задымления в камере, о снижении уровня питающего напряжения и изменении чувствительности камеры, поступающих с выходов микросхемы датчика дыма, и обслуживание протокола для передачи данных по радиоканалу. Программно осуществляются:

- защита от ложных информационных сигналов, поступающих с микросхемы датчика дыма;
- временное разделение с индивидуальными задержками между сеансами связи, зависящими от номера датчика, что гарантирует отсутствие интерференций от других датчиков в системе и равные сроки службы батарей датчиков при работе в дежурном режиме;
- исключение одновременной передачи информации о задымлении при обнаружении пожара сразу несколькими датчиками системы;
- помехоустойчивое кодирование передаваемой от датчиков информации;
- энергосберегающие алгоритмы и функции.

В зависимости от состояния, работу датчика дыма можно разделить на три режима. Дежурный режим предполагает работу с минимальным энергопотреблением. Каждые восемь секунд датчик опрашивает дымовую камеру на наличие локального задымления, каждые тридцать две секунды проверяет уровень напряжения питания и чувствительность камеры. При этом датчик осуществляет локальную и удаленную индикации своего состояния. Локально, т.е. непосредственно в помещении, где установлен датчик дыма, индикация производится однократным включением светодиода каждые 32 секунды. По мере разряда батареи, при снижении напряжения ниже порогового в 7±0.5В, датчик начинает выдавать кратковременный звуковой сигнал "РАЗРЯД БАТАРЕИ" одновременно с включением светодиодного индикатора каждые 32 секунды в течение времени не менее одной недели. Во время эксплуатации датчика возможно снижение чувствительности дымовой камеры. При уменьшении чувствительности, а также при неисправностях электронной схемы, датчик выдает кратковременный звуковой сигнал "НЕИСПРАВНОСТЬ", не совпадающий по времени с включением оптического индикатора каждые 32 секунды в течение времени не менее одной недели. Удаленная индикация сводится к передаче информации о состоянии датчика через радио интерфейс не менее четырех раз в час. Режимы снижения уровня напряжения и чувствительности камеры не являются критическими для датчика и не требуют мгновенной активизации радиопередачи, и, следовательно, данная информация передается в приемно-контрольный модуль при каждом последующем дежурном сеансе связи.

При обнаружении локального задымления, датчик переходит в режим "ПОЖАР", включает прерывистый звуковой сигнал "ТРЕВОГА" одновременно с включением оптического индикатора не реже одного раза в секунду. Опрос дымовой камеры производится каждые восемь секунд. Информация о состоянии датчика в режиме "ПОЖАР" передается удаленному приемному модулю не реже одного раза за полторы минуты. Датчик находится в данном режиме до тех пор, пока будет присутствовать задымление в камере.

При активации цепи проверки работоспособности датчика происходит имитация режима локального задымления на время, пока нажата кнопка на корпусе датчика. Следовательно, описание работы датчика в режиме "ПОЖАР" применимо и в данном случае. Использование батареи в качестве автономного источника питания позволило полностью избавится от проводов, но и поставило задачу обеспечения длительного срока работы датчика от одной батареи без ее замены в течение времени не менее года. Решение данной проблемы осуществляется на двух уровнях одновременно: аппаратном и программном. Во-первых, основное требование к аппаратной части датчика - минимальное потребление электроэнергии или отсутствие такового всеми частями схемы датчика во время, когда они неактивны и не задействуются. Во-вторых, минимизация потребления во время активной фазы работы отдельных частей датчика. В-третьих, сокращение длительностей активных фаз каждого из элементов датчика. В-четвертых, аппаратная и программная реализации "спящего" и активного режимов. В-пятых, полностью отключаемые модуль радиопередатчика и схема усиления. В результате, удалось добиться значительного снижения тока, потребляемого датчиком, в дежурном режиме при нормальном напряжении питания до значения не более 30мкА. На рисунке 4 представлены графики потребления тока во время "спящей" и активной фаз работы датчика при различных режимах.


Система пожарной сигнализации с радиоканалом

Рис. 4. Диаграммы потребления тока датчиком дыма при различных режимах

При использовании микроконтроллера возникла необходимость в интерфейсе программирования и отладки. Для этих целей были разработаны два способа программирования, потребовавшие как дополнительной схемотехники непосредственно в датчике дыма, так и отдельных аппаратных средств. Первый способ подразумевает использование платы интерфейса MON08.

Данный способ предполагает обязательное наличие компьютера, платы MON08 и определенных навыков программирования микроконтроллеров. Это удобно в процессе производства и выходного контроля датчиков дыма, но при наладке системы непосредственно в месте ее установки такое решение является сложным и громоздким.

При втором способе, для программирования датчика дыма предполагается использовать сам приемно-контрольный модуль, основными функциями которого являются 4 :

- прием и обработка информации от датчиков дыма в количестве до 255 с возможностью расширения до 1024;
- сохранение в журнал событий всей полученной информации либо данных только о нештатных режимах датчиков (количество записей в журнал событий зависит от объема используемой в модуле памяти) с возможностью просмотра как непосредственно на приемном модуле, так и с помощью компьютера локально или удаленно;
- в случае необходимости, индикация нештатных режимов датчиков посредством встроенной звуковой и визуальной сигнализации;
- объединение нескольких приемных модулей в единую систему пожарной сигнализации, либо дальнейшее подключение к системе управления безопасностью здания;
- контроль температуры непосредственно в месте установки приемного и контрольного модуля;
- подключение компьютера и других устройств через интерфейс RS-232;
- резервное электропитание;
- контроль доступа по паролю;
- назначение зон ответственности каждому датчику в системе;
- простое добавление и удаление датчиков в системе;
- настройка режимов работы приемного модуля удаленно, либо с помощью клавиатуры на корпусе модуля.

На рисунке 5 показана структурная блок-схема приемно-контрольного модуля. Модуль построена на основе микроконтроллера MC68HC908GP32 фирмы Motorola, и включает в себя следующие функциональные блоки: радиоприемный модуль на основе микросхемы MC33591/4 фирмы Motorola, внешняя энергонезависимая память, датчик температуры, ЖКИ - индикатор, клавиатура, звукоизлучатель и ряд светодиодных индикаторов. Также, к модулю подключаются интерфейс сопряжения с RS-232 и интерфейс удаленного управления.


Система пожарной сигнализации с радиоканалом

Рис. 5. Структурная блок-схема приемного и контрольного модуля

Следует отметить, что структурно приемный модуль, осуществляющий все перечисленные контрольные функции, компактен и не сложен. Стоимость его по сравнению с существующими системами контроля значительно меньше, при этом диспетчерский пульт имеет возможность адресно автоматически контролировать и фиксировать в течении длительного времени состояние всех элементов системы. Цена полученных преимуществ состоит во введении в каждый датчик дыма микроконтроллера с радиоканалом, отвечающего за отслеживанием состояния как самого датчика так и пожарной обстановки в охраняемой зоне. Введение этих компонентов в датчик дыма приводит к его удорожанию приблизительно на 50% по отношению к существующей цене автономного извещателя, на основе которого создан данный радио-датчик дыма. Учитывая стойкую тенденцию к удешевлению радиочастотных компонентов у вудущих мировых производителей, следует ожидать уменьшение этого показателя уже в самое ближайшее время.

Литература

1. Д. Себенцов. Основные тенденции развития традиционных пожарных извещателей. "Алгоритм безопасности", №2, 2003 г., с. 26-29.
2. Панфилов Д.И., Иванов В.С. Датчики фирмы Motorola. - М.: ДОДЭКА, 2000. - 96 с.
3. Т. Ремизевич. Новые модели микроконтроллеров семейства HC908 фирмы Motorola. - CHIP NEWS. № 5 (68), 2002 г., с.5-13.
4. А. Вихирев, Е.Молчанова, Е.Тюрин. Приборы приемно-контрольные и критерии их выбора. "Скрытая камера" №9, 2002 г., 36-40.
5. Д. Себенцов. Нормативы и жизнь. Об интеграции нормативов России и Европы в области пожарной безопасности. "Скрытая камера" №10 (17), 2003 г., 30-33.
6. Г. Прохоров. Системы пожарной сигнализации, оповещения, автоматики и автоматического пожаротушения. Нормативные документы. "Алгоритм безопасности", №2, 2003 г., с. 32-37.

Автор: Татьяна Ремизевич, Михаил Соколов, Крылов Евгений, *КТЦ-МК*


Код для размещения на форумах или блоге

«
»