CN115331380B - 一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统及方法，涉及物联网火灾防控技术领域，包括无线火灾报警控制器、无线中继模块、无线终端报警模块以及无线系统组网管理模块；本发明将无线中继模块与无线火灾报警控制器的距离划分为若干级，在每一级中，按与无线中继模块的距离，将无线终端报警模块归入对应的层级；再通过测算每一层级中无线中继模块与无线终端报警模块之间的通信质量，为无线终端报警模块寻找到至少三个合适的无线中继模块；解决了传统技术中信道自适应无线组网结构混乱以及系统抗干扰性差的问题。

Description

一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统及方法

技术领域

本发明属于火灾报警领域，涉及物联网技术，具体是一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统及方法。

背景技术

无线消防报警系统是由触发器件、报警装置、控制设备以及其他辅助装置组成的，比传统的有线报警系统具有更加灵活的安装布设方式和更良好的系统拓展性。无线消防报警系统在提供安装便捷性的同时，也需要具备良好的通信稳定性、低功耗特性、低传输时延性以及功能变化适应性。

但现有的无线消防报警系统往往存在以下问题：

1、网络结构混乱，无线中继模块往往重复发送相同的信息，网络结构也较为复杂，管理成本高；且效率较低；

2、无线通信的过程中未能考虑到信道变差或阻塞的问题，甚至会出现信道相互干扰的问题；从而导致报警信息不及时；

为此，提出一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统及方法。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统及方法，该一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统及方法将无线中继模块与无线火灾报警控制器的距离划分为若干级，在每一级中，按与无线中继模块的距离，将无线终端报警模块归入对应的层级；再通过测算每一层级中无线中继模块与无线终端报警模块之间的通信质量，为无线终端报警模块寻找到至少三个合适的无线中继模块；解决了传统技术中信道自适应无线组网结构混乱以及系统抗干扰性差的问题。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统，包括无线火灾报警控制器、无线中继模块、无线终端报警模块以及无线系统组网管理模块；

其中，所述无线火灾报警控制器主要用于接收所有无线终端报警模块发送的监控信号并做出应对；所述无线火灾报警控制器在接收到无线终端报警模块发出的火灾报警信号后，执行火灾处理预案；以及实现信道自适应无线组网的建立；

所述无线火灾报警控制器在组建信道自适应组网前，与所有无线中继模块与无线终端报警模块以无线网络方式连接；

其中，所述无线中继模块主要用于连接无线火灾报警控制器与无线终端报警模块；并对无线火灾报警控制器与无线终端报警模块发送的无线信号进行转发；

进一步的，所述无线中继模块将信道自适应无线组网进行分级；通过无线中继模块将整个信道自适应无线组网划分为N+1级中继，其中无线火灾报警控制器位于信道自适应无线组网的第0级中继，也是整个信道自适应无线组网的最后一级中继；其余的第1级中继至第N级中继中，每一层级的中继均有若干个无线中继模块，每个无线中继模块连接有若干无线终端报警模块；

信道自适应无线组网的通信方式为相邻层级无线中继模块之间的通信；即第n层中继仅与第n+1级中继以及第n-1层中继通信；其中，n = 0,1,2…N；可以理解的是跨层级的通信，通过中间层的转发完成；

其中，所述无线终端报警模块主要用于实时监控火灾发生情况；所述无线终端报警模块可以为感烟火灾探测器、感温火灾探测器以及火灾声光警报器等；所述无线终端报警模块放置位置根据实际经验选定；所述无线终端报警模块在监测到火灾发生时，发送无线报警信号至无线中继模块；

所述无线中继模块以及无线终端报警模块均具有数据存储装置以及非易失存储装置；且每个无线中继模块以及无线终端报警模块具有唯一的ID；

其中，所述无线系统组网管理模块主要用于区分不同的信道自适应无线组网；

所述无线系统组网管理模块为不同的信道自适应无线组网分配一个唯一的ID；所述无线系统组网管理模块预先为所有信道自适应无线组网内的无线火灾报警控制器、无线中继模块以及无线终端报警模块中的设备录入信道自适应无线组网的ID；

在无线系统组网管理模块为各个设备录入信道自适应无线组网ID后，进行信道自适应无线组网的各层级设备的确认；

将每级中继的无线中继模块以及无线终端报警模块的ID保存在无线火灾报警控制器中；

在信道自适应无线组网各级中继确定后，对信道自适应无线组网的设备进行信道自适应的信道自适应无线组网的组建。

根据本发明的第二方面的实施例提出一种信道自适应的多模调制无线火灾报警方法，包括以下步骤：

步骤一：在需要火灾预警的场地预先安装无线火灾报警控制器、无线中继模块、无线终端报警模块以及无线系统组网管理模块；

步骤二：无线系统组网管理模块为每个信道自适应无线组网设置一个唯一的信道自适应无线组网ID，并将信道自适应无线组网ID录入每个信道自适应无线组网范围内的无线火灾报警控制器、无线中继模块以及无线终端报警模块；

步骤三：分配信道自适应无线组网中每级中继的无线中继模块以及无线终端报警模块；并将分配结果保存在无线火灾报警控制器中；

步骤四：组建无线中继模块以及无线终端报警模块的信道自适应无线组网；每个无线终端报警模块确定第一优先通信对象、第二优先通信对象以及第三优先通信对象；

步骤五：无线终端报警模块在感应到火灾发生时，根据实时的信道环境，按第一优先通信对象、第二优先通信对象以及第三优先通信对象的优先顺序将报警信息发送至无线中继模块；无线中继模块将报警信息层层转发至无线火灾报警控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明构建了层级分明的信道自适应无线组网架构；无线通信过程仅支持上下层之间的通信；通过层级的设置极大的降低了通信的复杂度，提高了通信效率；

2、本发明通过在组建信道自适应无线组网时，根据无线中继模块与无线终端报警模块间的通信质量，为每个无线终端报警模块选择信道质量最优的三个无线中继模块；在无线信道环境恶化，或链路出现故障时，可以有多个选择，增强了系统的健壮性；提高了火灾报警可靠性。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明实施例的信道自适应无线组网结构图；

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的第一方面实施例，一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统，包括无线火灾报警控制器、无线中继模块、无线终端报警模块以及无线系统组网管理模块；

其中，所述无线火灾报警控制器主要用于接收所有无线终端报警模块发送的监控信号并做出应对；所述无线火灾报警控制器在接收到无线终端报警模块发出的火灾报警信号后，执行火灾处理预案；以及实现信道自适应无线组网的建立；所述火灾处理预案包括但不限于打开水阀以及向管理人员报警等；

所述无线火灾报警控制器在组建信道自适应组网前，与所有无线中继模块与无线终端报警模块以无线网络方式连接；

所述无线火灾报警控制器采用LoRa/GFSK/FLRC多模式调制无线技术，各制式信号采用分时复用通信方式，互不干扰;

其中，所述无线中继模块主要用于连接无线火灾报警控制器与无线终端报警模块；并对无线火灾报警控制器与无线终端报警模块发送的无线信号进行转发；避免无线信号随距离而衰弱；

进一步的，所述无线中继模块将信道自适应无线组网进行分级；如图2所示，通过无线中继模块将整个信道自适应无线组网划分为N+1级中继，其中无线火灾报警控制器位于信道自适应无线组网的第0级中继，也是整个信道自适应无线组网的最后一级中继；其余的第1级中继至第N级中继中，每一层级的中继均有若干个无线中继模块，每个无线中继模块连接有若干无线终端报警模块；

信道自适应无线组网的通信方式为相邻层级无线中继模块之间的通信；即第n层中继仅与第n+1级中继以及第n-1层中继通信；其中，n = 0,1,2…N；可以理解的是跨层级的通信，通过中间层的转发完成；通过对信道自适应无线组网设立多个层级，降低了无线通信的复杂度，也进一步降低了管理成本；

在一个优选的实施例中，所述无线中继模块为集线器或中继器；所述无线中继模块采用LoRa/GFSK/FLRC多模式调制无线技术，各制式信号采用分时复用通信方式；

其中，所述无线终端报警模块主要用于实时监控火灾发生情况；所述无线终端报警模块可以为感烟火灾探测器、感温火灾探测器以及火灾声光警报器等；所述无线终端报警模块放置位置根据实际经验选定；所述无线终端报警模块根据放置的位置与临近的无线中继模块以无线网络方式连接；所述无线终端报警模块在监测到火灾发生时，发送无线报警信号至无线中继模块；

在一个优选的实施例中，所述无线终端报警模块根据具体的设备类型采用LoRa/GFSK或LoRa/GFSK/FLRC多模式调制无线技术；为了保证无线终端报警模块的强适应性，所述无线终端报警模块具有多种调试方式，包括多进制数字调制法、最小移频键控以及正交幅度调制等；

所述无线中继模块以及无线终端报警模块均具有数据存储装置以及非易失存储装置；且每个无线中继模块以及无线终端报警模块具有唯一的ID；

其中，所述无线系统组网管理模块主要用于区分不同的信道自适应无线组网；

可以理解的是，由于无线火灾报警控制器、无线中继模块以及无线终端报警模块均采用无线方式通信；由于无线通信的广播形式，无线火灾报警控制器、无线中继模块以及无线终端报警模块发送的无线信号可能会广播至临近组网的设备；造成通信系统的混乱；且为了防止信道自适应无线组网在进行组建时，错误添加不属于信道自适应无线组网的设备；需要为每个组网设置一个组网ID；

所述无线系统组网管理模块为不同的信道自适应无线组网分配一个唯一的ID；所述无线系统组网管理模块与无线火灾报警控制器、无线中继模块以及无线终端报警模块中的设备通过电气方式连接；所述无线系统组网管理模块预先为所有信道自适应无线组网内的无线火灾报警控制器、无线中继模块以及无线终端报警模块中的设备录入信道自适应无线组网的ID；

在无线系统组网管理模块为各个设备录入信道自适应无线组网ID后，进行信道自适应无线组网的各层级设备的确认，具体的信道自适应无线组网各层级设备的确认包括以下步骤：

步骤S1：确立无线火灾报警控制器为第0级中继；将与无线火灾报警控制器的距离小于第一距离阈值s0的无线终端报警模块划入第0级中继；所述第一距离阈值s0根据实际经验设置；手动为第0级中继中的设备录入所在层级；设定变量n=1；

步骤S2：确立第n级中继的无线中继模块；具体为，将与无线火灾报警控制器的距离小于第一距离阈值s_n，大于第一距离阈值s_n-1的无线中继模块划入第n级中继;其中，第一距离阈值s1，s2…sn…sN均根据实际经验设置；且s1<s2<…<sn<…<sN;

步骤S3：对应第n级中继的无线中继模块，将与其距离小于第二距离阈值d的无线终端报警模块归入第n级中继；其中，所述第二距离阈值d根据实际经验设置；

步骤S4：手动为第n级中继中的设备录入设备所在中继的层级；

步骤S5：将变量n更新为n+1，并重复步骤S2-S5，直至n=N；

将每级中继的无线中继模块以及无线终端报警模块的ID保存在无线火灾报警控制器中；

在信道自适应无线组网各级中继确定后，对信道自适应无线组网的设备进行信道自适应的信道自适应无线组网的组建；具体的，所述信道自适的信道自适应无线组网的组建应包括以下步骤：

步骤P1：将所有设备上电；设置变量n=N；

步骤P2：无线火灾报警控制器启动信道自适应无线组网中第n级中继的无线中继模块和所有无线终端报警模块；将第n级中继的无线中继模块的数量标记为Mn；

步骤P3：设置Mn个无线信道，为每个无线中继模块设置一个唯一的信道；每个信道之间互不干扰；所述信道按照调制方式、通信速率和理论最大链路预算考虑综合设定，即先进行高速率、低链路预算的GFSK、FLRC信道预设，再进行LoRa信道预设；

将无线信道进行编号，将无线信道的编号顺序录入第n级中继的无线终端报警模块；

步骤P4：无线终端报警模块处于信道活跃监测状态，该状态为一个循环扫描状态，按照预录入的无线信道编号顺序进行信道活跃监测；

第n级中继的无线中继模块根据录入的信道不断发送唤醒数据包直至接收到停止信号；

步骤P5：无线终端报警模块在检测到某一无线中继发出的唤醒数据包并进行解析后，计算数据包的信噪比和唤醒数据包信号强度并记录，同时该无线中继ID也被记录到终端设备内存中；

步骤P6：无线终端报警模块将按照最大链路裕量算法计算每组唤醒数据包的信噪比以及唤醒数据包信号强度对应的链路容限Lm；其中，m为第m个无线中继模块；m=1，2，…M;

设置链路容限阈值Lmin;将Lm>Lmin的最大Lm值对应的无线中继模块ID作为第一优先通信对象，写入非易失存储装置中，同时广播发送组网请求包；所述组网请求包内容包括上述无线中继模块ID以及请求组网标识；

步骤P7：对于收到该组网请求包的无线中继模块，在对比确认是自身ID后，存储无线终端报警模块ID后向该无线终端报警模块回复应答包确认信道自适应成功；

判断已记录无线终端报警模块ID的数量是否等于ID数量最大阈值Dmax，若满足，无线中继模块结束发送唤醒数据包；所述ID数量最大阈值根据实际经验设置；

步骤P8：无线终端报警模块继续信道活跃监听，从剩余信道中按步骤P6-P7选择出第二优先通信对象以及第三优先通信对象；并记录在非易失存储装置中；所述第二优先通信对象以及第三优先通信对象作为备用无线中继模块，用于当前信道环境恶化或者突发故障时进行其他路径选择；

同时，第n级中继的无线中继模块将存储的无线终端报警模块ID发送至无线火灾报警控制器，无线终端报警模块将存储的第一优先通信对象、第二优先通信对象以及第三优先通信对象发送至无线火灾报警控制器；

步骤P9：无线火灾报警控制器判断第n级中继中所有无线终端报警模块均确定第三优先通信对象，或所有无线中继模块保存的无线终端报警模块ID的数量均大于Dmax时，发送停止信号至第n级的无线中继模块；

步骤P10：将n更新为n-1，重复步骤P2-P9；直至n=1。

如图3所示，本发明的第二方面实施例，一种信道自适应的多模调制无线火灾报警方法，包括以下步骤：

步骤一：在需要火灾预警的场地预先安装无线火灾报警控制器、无线中继模块、无线终端报警模块以及无线系统组网管理模块；

步骤二：无线系统组网管理模块为每个信道自适应无线组网设置一个唯一的信道自适应无线组网ID，并将信道自适应无线组网ID录入每个信道自适应无线组网范围内的无线火灾报警控制器、无线中继模块以及无线终端报警模块；

步骤三：分配信道自适应无线组网中每级中继的无线中继模块以及无线终端报警模块；并将分配结果保存在无线火灾报警控制器中；

步骤四：组建无线中继模块以及无线终端报警模块的信道自适应无线组网；每个无线终端报警模块确定第一优先通信对象、第二优先通信对象以及第三优先通信对象；

步骤五：无线终端报警模块在感应到火灾发生时，根据实时的信道环境，按第一优先通信对象、第二优先通信对象以及第三优先通信对象的优先顺序将报警信息发送至无线中继模块；无线中继模块将报警信息层层转发至无线火灾报警控制器。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。

Claims (7)

1.一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统，其特征在于，包括：

包括无线火灾报警控制器、无线中继模块、无线终端报警模块以及无线系统组网管理模块；

所述无线火灾报警控制器用于接收所有无线终端报警模块发送的监控信号并在监测到火灾时执行火灾处理预案；以及实现信道自适应无线组网的建立；所述无线火灾报警控制器在组建信道自适应组网前，与所有无线中继模块与无线终端报警模块以无线网络方式连接；

所述无线中继模块用于连接无线火灾报警控制器与无线终端报警模块；并对无线火灾报警控制器与无线终端报警模块发送的无线信号进行转发；所述无线中继模块将信道自适应无线组网划分为N+1级中继；其中，N的数值根据实际经验设置；

所述无线终端报警模块用于实时监控火灾发生情况；并在感应到火灾时根据实际的信道质量，按第一优先通信对象、第二优先通信对象以及第三优先通信对象的顺序选择无线中继模块，并发送报警信息；

所述无线系统组网管理模块用于区分不同的信道自适应无线组网；并为每个信道自适应无线组网设置一个唯一的信道自适应无线组网ID；

所述无线火灾报警控制器组建信道自适应无线组网包括以下步骤：

步骤Q1：确定每一级中继包含的无线中继模块以及无线终端报警模块；

步骤Q2：为每一级的无线终端报警模块分配第一优先通信对象、第二优先通信对象以及第三优先通信对象；

所述无线火灾报警控制器为每一级的无线终端报警模块分配第一优先通信对象、第二优先通信对象以及第三优先通信对象包括以下步骤：

步骤P1：将所有无线中继模块、无线终端报警模块以及无线火灾报警控制器上电；设置变量n=N；

步骤P2：无线火灾报警控制器启动信道自适应无线组网中第n级中继的无线中继模块和所有无线终端报警模块；将第n级中继的无线中继模块的数量标记为Mn；

步骤P3：设置Mn个无线信道，为每个无线中继模块设置一个唯一的信道；每个信道之间互不干扰；将无线信道进行编号，将无线信道的编号顺序录入第n级中继的无线终端报警模块；

步骤P4：无线终端报警模块处于信道活跃监测状态，所述信道活跃监测状态为一个循环扫描状态，按照预录入的无线信道编号顺序循环进行信道活跃监测；

第n级中继的无线中继模块根据录入的信道不断发送唤醒数据包直至接收到停止信号；

步骤P5：无线终端报警模块在检测到某一无线中继发出的唤醒数据包并进行解析后，计算数据包的信噪比和唤醒数据包信号强度并记录，同时该无线中继模块ID也被记录到存储装置；

步骤P6：无线终端报警模块将按照最大链路裕量算法计算每组唤醒数据包的信噪比以及唤醒数据包信号强度对应的链路容限Lm；其中，m为第m个无线中继模块；m=1，2，…M;

设置链路容限阈值Lmin;将Lm>Lmin的最大Lm值对应的无线中继模块ID作为第一优先通信对象，写入非易失存储装置中，同时广播发送组网请求包；所述组网请求包内容包括上述无线中继模块ID以及请求组网标识；

步骤P7：对于收到该组网请求包的无线中继模块，在对比确认是自身ID后，存储无线终端报警模块ID后向该无线终端报警模块回复应答包确认信道自适应成功；

判断已记录无线终端报警模块ID的数量是否等于ID数量最大阈值Dmax，若满足，无线中继模块结束发送唤醒数据包；所述ID数量最大阈值根据实际经验设置；

步骤P8：无线终端报警模块继续信道活跃监听，从剩余信道中按步骤P6-P7选择出第二优先通信对象以及第三优先通信对象；并记录在非易失存储装置中；

同时，第n级中继的无线中继模块将存储的无线终端报警模块ID发送至无线火灾报警控制器，无线终端报警模块将存储的第一优先通信对象、第二优先通信对象以及第三优先通信对象发送至无线火灾报警控制器；

步骤P9：无线火灾报警控制器判断第n级中继中所有无线终端报警模块均确定第三优先通信对象，或所有无线中继模块保存的无线终端报警模块ID的数量均大于Dmax时，发送停止信号至第n级的无线中继模块；

步骤P10：将n更新为n-1，重复步骤P2-P9；直至n=1。

2.根据权利要求1所述的一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统，其特征在于，所述无线中继模块为中继器或集线器；

所述无线终端报警模块为感烟火灾探测器、感温火灾探测器以及火灾声光警报器。

3.根据权利要求1所述的一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统，其特征在于，所述无线火灾报警控制器位于信道自适应无线组网的第0级中继，其余的第1级中继至第N级中继中，每一层级的中继均有若干个无线中继模块，每个无线中继模块连接有若干无线终端报警模块。

4.根据权利要求1所述的一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统，其特征在于，所述信道自适应无线组网中各级无线中继模块之间的通信方式为临级之间的通信；即第n层中继仅与第n+1级中继以及第n-1层中继通信；其中，n = 0,1,2…N。

5.根据权利要求1所述的一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统，其特征在于，所述无线中继模块以及无线终端报警模块均具有数据存储装置以及非易失存储装置；且每个无线中继模块以及无线终端报警模块中具有唯一的ID。

6.根据权利要求1所述的一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统，其特征在于，所述无线火灾报警控制器确定每一级中继包含的无线中继模块以及无线终端报警模块包括以下步骤：

步骤S1：确立无线火灾报警控制器为第0级中继；将与无线火灾报警控制器的距离小于第一距离阈值s0的无线终端报警模块划入第0级中继；所述第一距离阈值s0根据实际经验设置；手动为第0级中继中的无线终端报警模块录入所在层级；设定变量n=1；

步骤S2：将与无线火灾报警控制器的距离小于第一距离阈值s_n，大于第一距离阈值s_n-1的无线中继模块划入第n级中继;其中，第一距离阈值s1，s2…sn…sN均根据实际经验设置；且s1<s2<…<sn<…<sN;

步骤S3：对应第n级中继的无线中继模块，将与其距离小于第二距离阈值d的无线终端报警模块归入第n级中继；其中，所述第二距离阈值d根据实际经验设置；

步骤S4：为第n级中继中的无线中继模块以及无线终端报警模块录入所在中继的层级；

步骤S5：将变量n更新为n+1，并重复步骤S2-S5，直至n=N；

将每级中继的无线中继模块以及无线终端报警模块的ID保存在无线火灾报警控制器中。

7.一种信道自适应的多模调制无线火灾报警方法，应用于权利要求1至6任一项所述的一种信道自适应的多模调制无线火灾报警系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在需要火灾预警的场地预先安装无线火灾报警控制器、无线中继模块、无线终端报警模块以及无线系统组网管理模块；

步骤二：无线系统组网管理模块为每个信道自适应无线组网设置一个唯一的信道自适应无线组网ID，并将信道自适应无线组网ID录入每个信道自适应无线组网范围内的无线火灾报警控制器、无线中继模块以及无线终端报警模块；

步骤三：分配信道自适应无线组网中每级中继的无线中继模块以及无线终端报警模块；并将分配结果保存在无线火灾报警控制器中；

步骤四：组建无线中继模块以及无线终端报警模块的信道自适应无线组网；每个无线终端报警模块确定第一优先通信对象、第二优先通信对象以及第三优先通信对象；

步骤五：无线终端报警模块在感应到火灾发生时，根据实时的信道环境，按第一优先通信对象、第二优先通信对象以及第三优先通信对象的优先顺序将报警信息发送至无线中继模块；无线中继模块将报警信息层层转发至无线火灾报警控制器。