CN212365147U - 无线中继器和火灾报警系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种无线中继器和火灾报警系统，通过一种集成GFSK技术和LoRa技术的无线中继器，通过该无线中继器，增加了无线主机前端探测器挂载量，实现了前端节点与无线主机的高速远距离通信，并且兼具高速率和远离绕射穿墙性能的通信需求。

Description

无线中继器和火灾报警系统

技术领域

本申请涉及消防无线报警技术领域，特别是涉及一种无线中继器、火灾报警系统。

背景技术

随着我国城市化发展和消防意识的不断提高，对消防产品的需求也在逐渐增加。目前经历了由传统火灾报警系统，逐渐演变发展到基于LPWAN的智能火灾报警系统，解决了布线繁琐，安装调试成本过高的问题。

通常无线组网火灾探测器系统，包括无线前端节点、无线火灾报警主机、火灾监控平台，构成消防远程监控系统。当前端探测器节点报警同时通过无线信号传输给挂载的火灾报警主机，火灾报警主机将数据上报给火灾监控平台，对应消防管理人员将会受到即时的报警推送或者语音电话，提醒火灾处理和引导疏散。

然而，相关技术中，前端探测器节点与无线火灾报警主机之间的通信存在速率低或者无线通信距离短的问题，在对前端探测器节点的升级应用中尤为明显。

针对相关技术中，前端探测器节点与无线火灾报警主机之间的通信存在速率低或者无线通信距离短的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种无线中继器和火灾报警系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种无线中继器，其特征在于，所述无线中继器包括高斯频移键控GFSK模块和远距离无线电LoRa模块，

所述无线中继器通过所述GFSK模块与前端节点通信，所述无线中继器通过所述LoRa模块与无线主机通信。

在其中一个实施例中，所述无线中继器还包括微控制单元MCU，所述GFSK模块通过第一串行外设接口SPI与所述MCU连接，所述LoRa模块通过第二串行外设接口SPI与所述MCU连接。

在其中一个实施例中，所述无线中继器还包括电池管理模块，所述电池管理模块与所述MCU连接。

在其中一个实施例中，所述无线中继器还包括用户交互模块，所述用户交互模块与所述MCU连接。

根据本发明的另一个方面，还提供一种火灾报警系统，其特征在于，所述报警系统包括前端节点、无线中继器和无线主机，所述无线中继器包括GFSK模块和LoRa模块，所述无线中继器通过所述GFSK模块与所述前端节点通信，所述无线中继器通过所述LoRa模块与所述无线主机通信。

在其中一个实施例中，所述无线中继器还包括微控制单元MCU，所述GFSK模块通过第一串行外设接口SPI与所述MCU连接，所述LoRa模块通过第二串行外设接口SPI与所述MCU连接。

在其中一个实施例中，所述无线中继器还包括电池管理模块，所述电池管理模块与所述MCU连接。

在其中一个实施例中，在所述报警系统中，所述前端节点通过前端第一信道A1向所述无线中继器发送信息，所述无线中继器通过前端第二信道A2向所述前端节点发送信息，所述无线中继器通过无线主机第一信道B1向所述无线主机发送信息，所述无线主机通过无线主机第二信道B2向所述无线中继器发送信息，所述信道前端第一信道A1、所述前端第二信道A2属于GFSK网络的不同频段，所述无线主机第一信道B1、所述无线主机第二信道B2属于LoRa网络的不同频段。

在其中一个实施例中，所述前端第一信道、前端第二信道、无线主机第一信道和无线主机第二信道均有冲突避免的CSMA/CA机制和重发机制。

在其中一个实施例中，所述无线中继器还用于对接收到的消息按照预设的优先级进行过滤、分拣和打包，其中，所述消息包括所述前端节点发送的消息和所述无线主机发送的消息。

在其中一个实施例中，所述无线中继器还包括缓存模块，所述缓存模块用于存储所述无线主机通过所述LoRa模块发送的无线中继器升级包或者前端节点升级包；在所述无线中继器处于空闲状态的情况下，根据所述无线中继器升级包对所述无线中继器进行升级，以及在所述前端节点处于空闲状态的情况下，根据所述前端节点升级包对所述前端节点进行升级。

在其中一个实施例中，所述缓存模块还用于在所述前端节点处于空闲状态的情况下，通过所述GFSK模块将所述前端节点升级包发送至所述前端节点；所述前端节点接收所述前端节点升级包后发送心跳消息给所述无线中继器，所述无线中继器接收所述心跳消息后发送升级指令给所述前端节点，所述前端节点根据所述升级指令完成升级。

在其中一个实施例中，所述前端节点包括以下至少之一：无线感烟火灾探测器、无线感温火灾探测器、无线甲烷气体检测器、无线一氧化碳检测器、无线手动报警按钮、无线声光和报警器。

上述无线中继器和火灾报警系统，通过一种集成GFSK技术和LoRa技术的无线中继器，实现了通过无线中继器，增加了无线主机前端探测器挂载量，实现前端节点与无线主机的高速远距离通信，并且兼具高速率和远离绕射穿墙性能的通信需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请一个实施例中无线中继器102的应用场景图；

图2是根据本申请一个实施例中无线中继器102的结构示意图；

图3是根据本申请一个实施例中火灾报警系统30的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

图1是根据本申请一个实施例中无线中继器102的应用场景图，本申请提供的无线中继器，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，无线中继器102通过高斯频移键控(Gauss Frequency Shift Keying，GFSK)模块与前端节点104通信，无线中继器102通过远距离无线电(Long Range Radio，LoRa)模块与无线主机106通信，无线主机106与火灾监控中心108有线或者无线通信。其中，前端节点104可以但不限于是各种消防领域的探测器，无线主机106可以是火灾报警主机，前端节点104在满足报警条件的情况下，前端节点104通过GFSK无线信号将报警信息传输给无线中继器102，无线中继器102通过LoRa无线信号将报警信息传输给无线主机106，无线主机106将报警信息传输给火灾监控中心108，对应的消防管理人员将会收到即时的报警推送或者语音电话，提醒他们进行火灾处理和引导疏散。

图2是根据本申请一个实施例中无线中继器102的结构示意图。

根据本申请的一个方面，如图2所示，在一个实施例中，提供了一种无线中继器102，包括GFSK模块21和LoRa模块22，无线中继器102通过GFSK模块21与前端节点104通信，无线中继器102通过LoRa模块与无线主机106通信通过无线中继器102实现前端节点104与无线主机106远距离通信需求。GFSK技术实现了前端节点104与无线中继器102之间的信息高速交换；LoRa技术最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一。此外，GFSK模块和LoRa模块属于不同的调制方式，信道不会相互干扰。上述无线中继器和火灾报警系统，通过一种集成GFSK技术和LoRa技术的无线中继器，实现了通过无线中继，实现节点与无线主机的远距离通信，并且兼具高速率和远离绕射穿墙性能的通信需求。

在一个实施例中，无线中继器102还包括微控制单元23(Microcontroller Unit，MCU)，GFSK模块21和LoRa模块22分别通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)与MCU23进行交互，MCU23负责线程调度、数据筛选和存储等。当前端节点104状态发生变化时，无线中继器102将收集挂载的前端节点104的状态信息并按预先在MCU23中设定的中间消息，例如协议分配的上报优先级等，对状态信息进行过滤和打包再发给无线主机106，减少无线主机106的负担。

在一个实施例中，无线中继器102还包括电池管理模块24，电池管理模块24用于设备的充放电管理，使得无线中继器102具有备电电池供电，因火灾导致进户市电切断的情况下，仍可以正常工作。

在一个实施例中，无线中继器102还包括用户交互模块25，用户交互模块25用于向开发者或者用户提供程序烧录、日志访问、按键等功能，是用户与该无线中继器102之间的交互接口，方便后续对中继器中的内容进行读写，实现更加灵活的用户管理。

可选地，无线中继器102还包括信号LED灯，故障LED灯和电源LED灯，用于指示无线中继器102的工作状态，方便对无线中继器102进行维护。

根据本申请的另一个方面，图3是根据本申请一个实施例中火灾报警系统30的示意图，如图3所示，提供了一种火灾报警系统30，该火灾报警系统30包括前端节点104、无线中继器102和无线主机106，无线中继器102包括GFSK模块21和LoRa模块22，无线中继器102通过GFSK模块21与前端节点104通信，无线中继器102通过LoRa模块22与无线主机106通信。前端节点104、无线中继器102和LoRa无线主机106形成了如图3所示的树型结构，一台LoRa无线主机106是唯一的父节点可以挂载多台无线中继器102，无线中继器102可以挂载多个前端节点104。正常情况下无线前端节点104在固定周期会上报心跳信息，而火警情况下则会上报火警信息。上述火灾报警系统30结合GFSK无线技术的相对高速率和LoRa无线技术远离绕射穿墙性能，实现了前端节点102与无线主机106的高速远距离通信。

可选地，上述前端节点104可以但不限于是无线感烟火灾探测器、无线感温火灾探测器、无线甲烷气体检测器、无线一氧化碳检测器、无线手动报警按钮、无线声光和报警器等。

在一个实施例中，无线中继器102还包括微控制单元MCU23，GFSK模块21和LoRa模块22分别通过串行外设接口SPI与MCU23连接。在本实施例中，主控MCU23主要负责线程调度、数据筛选和存储。例如，无线中继器102还起到路由作用，在没有无线主机106的情况下，无线中继器102可以暂时代替无线主机106回复前端节点104的消息。但是前端节点104属于终端设备，不能成为路由只能传输数据。此外，无线中继器102作用不限于简单的消息透传功能，而是将无线前端节点104上报消息的内容进行分拣按优先级排序，如果是非火警信息则缓存下来等到无线中继器102的心跳周期一起打包上报，如果是火警消息则立即推送，也可以对优先级较低的消息进行过滤。当较远距离的稀疏节点由无线中继器102收集消息后发给无线主机106，可以显著减少主机数量从而减少部署成本。通过无线中继器102注册的前端节点104的信息会备份到无线中继器102中，在更换无线主机106的情况下，添加无线中继器102即可获得已经挂载在该无线中继器102上的所有前端节点104。

在一个实施例中，无线中继器102还包括电池管理模块24，电池管理模块24与MCU23连接，电池管理模块24用于设备的充放电管理，使得无线中继器102具有备电电池供电，因火灾导致进户市电切断的情况下，仍可以正常工作。

在一个实施例中，在火灾报警系统30中，前端节点104通过第一信道向无线中继器102发送信息，无线中继器102通过第二信道向前端节点104发送信息，无线中继器102通过第三信道向无线主机106发送信息，无线主机106通过第四信道向无线中继器102发送信息。在本实施例中，为近一步的扩大容量，报警系统中各个端接受消息和发送消息不在同一个信道。例如，无线前端节点104与无线中继器102约定如下：前端节点104的GFSK模块通过信道1发送消息，通过发送消息的信道+15信道即为16信道来接受消息，对应地，无线中继器102的GFSK模块21通过信道16发送消息，通过信道1监听和接受消息；同样地，无线中继其102与无线主机106约定如下，无线主机106通过信道2发送LoRa消息，通过信道17监听和接收消息，对应地，无线中继器102通过信道17发送LoRa消息，通过信道2监听和接收消息。无线前端节点104上报心跳消息会有信道冲突避让CSMA/CA机制，无线中继器102上报消息也具有信道冲突避让机制，同时整个报警系统消息具有重发机制，使得系统中消息交互效率和稳定性更高。

可选地，以无线前端探测器直接连接LoRa无线主机为例，设定无线前端探测器上报周期为90s，无线主机挂载64个无线探测器设备，LoRa模块在4.7Kbps速率下传输一帧64Byte的心跳数据约160ms，在信道冲突避让的情况最差情况完全上报需要160*64ms，信道繁忙占空比约11.4％；随着无线主机挂载节点的增多，或者附近有多套无线报警系统时，数据的重发将会明显增多，近一步的信道繁忙的占空比会近一步上升。当引入无线中继对无线前端探测器进行数据筛选后，在设定的上报周期90s内仅有几条，通常情况下为4-6条打包消息，信道占用率会显著下降。

多个无线中继器102组成的群组，由于双信道的划分，大大扩宽了前端节点104的数量。例如，在无线报警主机106与前端节点104直接连接在同一信道的情况下，允许的最大接入量为32个，为保证能实时接收到前端节点104的报警消息，单通信模组的监听接收信道是保持不变的。在接入GFSK转LoRa无线中继器102后，只需规定不同无线中继器102下与前端节点104通信的不同GFSK信道，例如无线主机106配置无线中继器1通过GFSK信道1与挂载的前端节点通信，无线中继器2通过GFSK信道2与挂载的前端节点通信，无线中继器3通过GFSK信道3与挂载的前端节点通信，这3个无线中继与无线主机LoRa通信信道相同，每个无线中继器在同一信道可挂载节点数为32个，那么一套无线主机加3个无线中继的方案可挂载3*32即96个节点，显著增加了一个无线主机106下可以挂载的前端节点104的数量。无线信道规划，较前端节点与无线主机、前端节点与物联网基站直接连接，无线主机106下接多个无线中继器102组成的星型网络，通过无线主机106与无线中继器102间的LoRa通信信道固定，而无线中继器102与前端节点104之间GFSK通信的信道可以设置多个，能够有效地增加无线主机106挂载量，且降低信道的占用率。

上述实施方案在满足消防国标的情况下可以扩展多个无线中继器102，无线中继器102无需人机交互，成本较低，特别是在前端节104点分布稀疏，由于GFSK技术通信距离较短，无线主机106为保证通信稳定性远达不到经济挂载节点个数的情况下，引入无线中继器102能够大大降低成本，同时，减少无线主机部署量也会近一步减少消防管理员巡查工作量。

在一个实施中，火灾报警系统30中的无线中继器102包括缓存模块。在无线主机106希望对无线中继器102或者各个前端节点104执行软件升级任务的情况下，无线中继器102通过LoRa模块22接收无线主机106发送的升级包，将升级包存储于缓存模块，缓存模块用于存储无线主机106通过LoRa模块22发送的无线中继器升级包或者前端节点升级包；在无线中继器102处于空闲状态的情况下，根据无线中继器升级包对无线中继器102进行升级，以及在前端节点104处于空闲状态的情况下，根据前端节点升级包对前端节点104进行升级。

在一个实施例中，缓存模块还用于在前端节点104处于空闲状态的情况下，通过GFSK模块21将前端节点升级包发送至前端节点104；前端节点104发送心跳消息给无线中继器102，无线中继器102接收心跳消息后发送升级指令给前端节点104，前端节点104根据升级指令完成升级。

可选地，无线中继器102在空闲时可接受无线主机106的无线中继升级功能，将无线主机106下发的升级包写入闪存Flash中，由于预设的消息分类，升级过程不影响无线中继器102本身的节点火警消息上报。无线中继器102接收到的无线主机106下发的升级包是针对无线中继器102的情况下，在无线中继器102空闲时通过LoRa通信方式将节点数据包缓存在无线中继器102的Flash中，并且在无线中继器102空闲状态下完成无线中继器102的升级。无线中继器102也可以接收无线主机106下发的针对前端节点104的远程升级命令，在无线中继器102空闲时通过LoRa通信方式将节点数据包缓存在无线中继器102的Flash中，缓存结束后由无线主机106发起对指定前端节点104的升级命令。无线中继器102收到对指定前端节点104的升级命令后，将消息挂起等待前端节点104的心跳包数据上报，无线中继器102收到前端节点104上报的心跳包后发送对前端节点104的读写信息命令，将前端节点104从低功耗的ClassA状态切换成ClassB状态，进一步通过GFSK技术对单个前端节点104进行升级，升级完成后通知无线主机106，再由无线主机106指定下一个升级的前端节点104。在对指定的前端节点104升级过程中，不影响无线中继102下挂载的其他前端节点104的火警消息上报。在无线主机106对前端节点104远程升级过程中，对于同一类型的前端节点104仅需要通过LoRa通信方式缓存一次升级包，后续的升级工作主要由无线中继器102通过GFSK技术与前端节点通讯。LoRa通信保证了无线主机106和无线中继器102的通信距离，而GFSK保证了无线中继器102和前端节点104之间的信息传输速度。

前端节点104通常处于ClassA低功耗的无线状态，当被无线中继唤醒后处于ClassB状态，而且在节点接收升级消息超护着和升级失败的情况下，前端节点104不会一直处于唤醒监听状态，而是会继续回归睡眠状态。无线主机106对前端节点104远程升级缓存保存在无线中继器102中，然后通过GFSK通信方式对前端节点104升级，比起仅用LoRa通信方式升级效率极大提高并且降低了前端节点104的升级电池电量的消耗。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种无线中继器，其特征在于，所述无线中继器包括高斯频移键控GFSK模块和远距离无线电LoRa模块，

所述无线中继器通过所述GFSK模块与前端节点通信，所述无线中继器通过所述LoRa模块与无线主机通信。

2.根据权利要求1所述的无线中继器，其特征在于，所述无线中继器还包括微控制单元MCU，所述GFSK模块通过第一串行外设接口SPI与所述MCU连接，所述LoRa模块通过第二串行外设接口SPI与所述MCU连接。

3.根据权利要求2所述的无线中继器，其特征在于，所述无线中继器还包括电池管理模块，所述电池管理模块与所述MCU连接。

4.根据权利要求2所述的无线中继器，其特征在于，所述无线中继器还包括用户交互模块，所述用户交互模块与所述MCU连接。

5.一种火灾报警系统，其特征在于，所述报警系统包括前端节点、无线中继器和无线主机，所述无线中继器包括GFSK模块和LoRa模块，所述无线中继器通过所述GFSK模块与所述前端节点通信，所述无线中继器通过所述LoRa模块与所述无线主机通信。

6.根据权利要求5所述的火灾报警系统，其特征在于，所述无线中继器还包括微控制单元MCU，所述GFSK模块通过第一串行外设接口SPI与所述MCU连接，所述LoRa模块通过第二串行外设接口SPI与所述MCU连接。

7.根据权利要求6所述的火灾报警系统，其特征在于，所述无线中继器还包括电池管理模块，所述电池管理模块与所述MCU连接。

8.根据权利要求5所述的火灾报警系统，其特征在于，在所述报警系统中，所述前端节点通过前端第一信道A1向所述无线中继器发送信息，所述无线中继器通过前端第二信道A2向所述前端节点发送信息，所述无线中继器通过无线主机第一信道B1向所述无线主机发送信息，所述无线主机通过无线主机第二信道B2向所述无线中继器发送信息，所述前端第一信道A1、所述前端第二信道A2属于GFSK网络的不同频段，所述无线主机第一信道B1、所述无线主机第二信道B2属于LoRa网络的不同频段。

9.根据权利要求8所述的火灾报警系统，其特征在于，所述前端第一信道、前端第二信道、无线主机第一信道和无线主机第二信道均有冲突避免的CSMA/CA机制和重发机制。

10.根据权利要求5所述的火灾报警系统，其特征在于，所述无线中继器还用于对接收到的消息按照预设的优先级进行过滤、分拣和打包，其中，所述消息包括所述前端节点发送的消息和所述无线主机发送的消息。

11.根据权利要求5所述的火灾报警系统，其特征在于，所述无线中继器还包括缓存模块，所述缓存模块用于存储所述无线主机通过所述LoRa模块发送的无线中继器升级包或者前端节点升级包；在所述无线中继器处于空闲状态的情况下，根据所述无线中继器升级包对所述无线中继器进行升级，以及在所述前端节点处于空闲状态的情况下，根据所述前端节点升级包对所述前端节点进行升级。

12.根据权利要求11所述的火灾报警系统，其特征在于，所述缓存模块还用于在所述前端节点处于空闲状态的情况下，通过所述GFSK模块将所述前端节点升级包发送至所述前端节点；所述前端节点发送心跳消息给所述无线中继器，所述无线中继器接收所述心跳消息后发送升级指令给所述前端节点，所述前端节点根据所述升级指令完成升级。

13.根据权利要求5所述的火灾报警系统，其特征在于，所述前端节点包括以下至少之一：无线感烟火灾探测器、无线感温火灾探测器、无线甲烷气体检测器、无线一氧化碳检测器、无线手动报警按钮、无线声光和报警器。

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