交错式无线报警系统及方法与流程

本发明涉及安全防护领域，具体涉及一种交错式无线报警系统及方法。

背景技术：

随着工业技术的发展，生产过程中的安全保护问题也越来越被人们重视。紧急停车系统(Emergency Shutdown System，以下简称ESD)作为20世纪90年代发展起来的一种专用安全保护系统，以其优先级别高、可靠性强等方面的特点被广泛应用于各行业，尤其适用于高温高压、易燃易爆等连续性生产作业领域。当生产过程出现意外或紧急情况需要及时采取措施来停止设备运转时，只需工作人员触发ESD进行报警，该系统便能够按预先设定好的程序及时、准确地做出响应，使正在运行的设备停在一定的安全水平上，确保人身和财产安全。

ESD主要由控制单元、执行单元和终端设备三部分组成，并且这三部分的连接方式主要以有线式为主，即采用硬布线的方式，也就是通过在地下预埋线缆的方式将系统的执行单元、控制电路以及各终端设备连成回路。在出现紧急情况时，通过触发终端设备进行报警，控制单元控制执行单元完成紧急“停车”动作。显然，采用硬布线方式连接的ESD存在着以下缺陷：首先，由于硬布线需要在地下预埋线缆，对于新建和扩建项目来说都存在施工复杂、维护困难等问题；其次，由于硬布线方式的各报警终端设备多采用串联或并联的连接方式，因此还可能由于无法确定发出报警信息的终端设备的具体位置而存在报警地点定位不准确的缺陷。最后，由于ESD作为安全防护系统使用率低，不能对生产盈利提供直接贡献，也就造成了投资成本相对较高的问题。

相应地，本领域需要一种新的报警系统和报警方法来解决上述问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的紧急停车系统由于采用硬布线方式的布置方式而存在的施工复杂、成本高的问题，本发明提供了一种交错式无线报警系统，该交错式无线报警系统包括至少一个主控点设备、若干个中继点设备以及若干个终端点设备，其中，每个所述终端点设备至少包括第一无线通信模块，并且所述终端点设备能够通过该第一无线通信模块发送报警信息至与该终端点设备对应的中继点设备；其中，所述中继点设备至少包括第二无线通信模块和第三无线通信模块，所述中继点设备能够通过所述第二无线通信模块接收对应的终端点设备发送的报警信息，并通过所述第三无线通信模块转发所述报警信息至对应的主控点设备；其中，所述主控点设备至少包括第四无线通信模块和执行模块，所述主控点设备能够通过所述第四无线通信模块接收对应的中继点设备转发的所述报警信息，并基于该转发的报警信息通过所述执行模块完成与所述转发的报警信息相对应的应对动作；其中，所述第一无线通信模块允许的通信距离不大于所述第四无线通信模块允许的通信距离。

在上述交错式无线报警系统的优选技术方案中，所述终端点设备还包括储能模块，该储能模块至少能够为所述终端点设备提供电源，并且在无报警信息的状态下，通过所述储能模块停止对所述终端点设备供电的方式，使所述终端点设备处于休眠状态。

在上述交错式无线报警系统的优选技术方案中，所述主控点设备还包括第五无线通信模块，所述若干个终端点设备中至少一个终端点设备能够通过所述第一无线通信模块直接向所述主控点设备发送报警信息，所述主控点设备能够通过所述第五无线通信模块接收所述报警信息。

在上述交错式无线报警系统的优选技术方案中，所述系统还包括报警开关，所述报警开关至少配置于所述终端点设备，并且在配置于所述终端点设备的所述报警开关打开的情况下，所述终端点设备能够通过所述第一无线通信模块向所述中继点设备或所述主控点设备发送报警信息。

在上述交错式无线报警系统的优选技术方案中，所述终端点设备还能够发起与所述主控点设备的周期性心跳动作。

本发明还提供了一种交错式无线报警系统的无线报警方法，该无线报警方法包括如下步骤：

终端点设备发送报警信息至对应的中继点设备；

所述中继点设备接收所述报警信息，并转发该报警信息至对应的主控点设备；

所述主控点设备接收所述转发的报警信息，并基于该转发的报警信息完成与所述转发的报警信息对应的应对动作；并且

所述终端点设备与所述中继点设备之间允许的通信距离不大于所述中继点设备与所述主控点设备之间允许的通信距离。

在上述无线报警方法的优选技术方案中，该无线报警方法还包括如下步骤：

在有报警信息的状态下，使所述储能模块至少为所述终端点设备提供电源；并且

在无报警信息的状态下，使所述储能模块停止对所述终端点设备供电，进而使所述终端点设备处于休眠状态。

在上述无线报警方法的优选技术方案中，在终端点设备的通信距离与所述主控点设备的通信距离互相覆盖的情况下，所述无线报警方法还包括如下步骤：

终端点设备直接发送报警信息至对应的主控点设备；

所述主控点设备接收所述报警信息，并基于该报警信息完成与所述报警信息对应的应对动作。

在上述无线报警方法的优选技术方案中，在配置于所述终端点设备的报警开关打开的情况下，所述终端点设备通过第一无线通信模块向所述中继点设备或所述主控点设备发送报警信息。

在上述无线报警方法的优选技术方案中，该无线报警方法还包括如下步骤：所述终端点设备发起与所述主控点设备的周期性心跳动作。

本领域技术人员能够理解的是，在本发明的优选技术方案中，交错式无线报警系统包括至少一个主控点设备、若干个中继点设备以及若干个终端点设备。其中，终端点设备能够通过第一无线通信模块发送警报信息至中继点设备，中继点设备通过第二无线通信模块接收该报警信息并通过第三无线通信模块转发该报警信息至主控点设备，主控点设备通过第四无线通信模块接收该报警信息后通过执行模块完成与报警信息相对应的应对动作。通过采用无线模块进行报警信息传输的方式，减少了通信电缆的铺设，克服了施工困难的问题，降低了系统的建造成本。

附图说明

图1是本发明的交错式无线报警系统的通信示意图；

图2是本发明的交错式无线报警系统的系统组成图；

图3是本发明的交错式无线报警系统的一种具体实施方式的示意图；

图4是本发明的交错式无线报警方法的流程示意图一(EP-RP-CP)；

图5是本发明的交错式无线报警方法的流程示意图二(EP-CP)。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，虽然实施例中微功率无线通信模块的通信距离至少为2km，但是这种范围非一成不变，本领域技术人员可以在不偏离本发明远离的前提下，对其作出调整，以便适应具体的应用场合。

本发明的目的在于，通过采用一种新型的交错式无线报警系统，以克服现有的紧急停车系统(以下简称ESD)在布置方式上采用硬布线方式而存在的施工复杂、维护困难、不能准确定位以及成本较高等缺陷。

如图1和图2所示，本发明的交错式无线报警系统主要包括：至少一个主控点设备(Center Point，以下简称CP)、若干个中继点设备(Relay Point，以下简称RP)以及若干个终端点设备(End Point，以下简称EP)。其中，EP主要包括第一无线通信模块；RP主要包括第二无线通信模块和第三无线通信模块；CP则主要包括第四无线通信模块和执行模块。此外，该系统还包括至少配置于EP上的报警开关，如急停按钮。在出现紧急情况时，工作人员可以通过按动急停按钮，EP在按动急停按钮的情形下发送含有当前EP唯一地址码的加密报警信息至CP的形式进行无线报警。举例而言，在工作人员按下急停按钮报警后，EP通过第一无线通信模块将含有当前EP唯一地址码的加密报警信息发送至对应的RP，对应的RP通过第二无线通信模块接收该报警信息，并通过第三无线通信模块转发该报警信息至CP，CP则通过第四无线通信模块接收该转发的报警信息，然后通过控制执行模块完成与该转发的报警信息相对应的应对动作，如CP可以通过执行模块关停正在运行的设备，并进行相应的声光报警提示等。

需要说明的是，EP、RP、CP完成上述一系列动作可以通过其各自内置的控制模块来实现，如EP内置的控制模块可以控制EP在急停按钮被按下后通过第一无线通信模块发送报警信息的动作等。

优选地，上述CP的执行模块可以为继电器，该继电器可以通过连接到CP中的内置控制模块的方式，在控制模块的控制下，完成停车报警等动作。如在一种可能的实施方式中，可以在继电器的输出端设置4个报警干接点，常开2组，常闭2组。并在CP上设置对应的功能切换开关，并且该开关可以投切到“自动”、“手动”、“测试”和“超控”4个挡位。当有急停按钮被按下，并且功能切换开关投切到“自动”挡时，干接点输出并完成停车动作，声光报警信号输出并完成声光报警提示。当有急停按钮被按下，并且功能切换开关投切到“手动”挡时，声光报警信号输出完成声光报警提示，人工确认后干接点输出并完成停车动作。当有急停按钮被按下，并且功能切换开关投切到“测试”挡时，干接点不输出，声光报警信号输出并完成声光报警提示。当有急停按钮被按下，并且功能切换开关投切到“超控”挡时，干接点及声光报警信号均不输出。本领域技术人员可以想到的是，执行模块的形式并非唯一，只要可以完成应对动作的任意元件均可作为本发明的执行模块。

此外，需要说明的是，第一无线通信模块能够实现的通信距离通常不大于第四无线通信模块能够实现的通信距离。在一种可能的实施方式中，第一无线通信模块与第二无线通信模块可以是同类别的微功率无线通信模块，该模块主要具有功耗低的特点，并多用于近距离无线通信。优选地，微功率无线通信模块通信距离至少为2km。也就是说，至少在2km以内的范围，EP与RP可通过微功率无线通信模块进行通信。第三无线通信模块与第四无线通信模块可以为同类别的远距离无线通信模块，该模块主要用于远距离无线通信。优选地，远距离无线通信模块的通信距离至少为4km。也就是说，至少在4km以内的范围，RP与CP可通过远距离无线通信模块进行通信。当然，本领域技术人员可以想到的是，第一无线通信模块与第二无线通信模块也可以为其他的形式，只要该形式能够实现相应的通信功能并且满足第一无线通信模块的通信距离不大于第四无线通信模块的通信距离的条件即可。如，在频段相同的条件下，第一无线通信模块为微功率无线通信模块，(第二、第三)无线通信模块为能够与第一无线通信模块和第四无线通信模块分别通信的同一个无线通信模块(仍称为第二无线通信模块)，此种情形下，由于第二无线通信模块和第四无线通信模块需要实现长距离的通信，因此第二无线通信模块此时应当为远距离无线通信模块。也就是说，通过(第一、第二)无线通信模块实现EP与RP的通信，通过(第二、第四)无线通信模块实现RP与CP的通信。尽管本申请描述的微功率无线通信模块的通信距离是2km、远距离无线通信模块的通信距离是4km，但是，这并不是限制性的，在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以根据需要选择大于2km或4km的任何通信距离。

此外，为了在紧急情况下第一时间完成应对动作，从而增强系统的报警及时性，还可以在RP与CP上设置与EP类似的急停按钮，并且当设置于RP或CP的急停按钮被按下的时候，同样可以完成关停正在运行的设备并进行声光报警提示的动作。进一步地，为提升系统的可靠性，还可以对急停按钮所对应的急停电路采用冗余设计并添加自检功能，即在电路部分损坏或断线的情况下，仍可以通过备用电路进行相应的声光报警提示，同时电路的自检功能上传电路部分损坏的提示信息。

继续参照图2，EP还包括储能模块，该模块至少可以为EP提供工作电源。优选地，储能模块可以为两块低自放电电池(如锂电池、低自放电镍氢电池)，其中一块电池为工作电池，用于为EP提供电能，另一块电池为备用应急电池。如在一种可能的实施方式中，工作电池可以满足每天工作1～2次，工作时间5年以上的条件。当其中一块电池损坏或无法发送报警信息时，EP可以利用另一块电池在急停按钮被按下的时候完成发送报警信息的功能。此外，工作电池还可以完成EP与CP的周期性心跳超时机制，此心跳机制可协助CP判断各链路设备(即RP与EP)的状态，以进一步提高系统的可靠性。举例而言，EP依靠工作电池向CP发送心跳数据，每次心跳数据中可以包含有两块低自放电电池的电压数据。在其中一块电池电压低的情况下，系统就会生成错误码，提示更换对应的电池。在工作电池无法发送心跳信号的情况下，如某个EP的工作电池电量耗尽时，CP连续几个心跳周期都没有该EP的心跳信号，则系统可以自动在CP端提示该EP出现故障。进一步地，为节省储能模块的电能，在无报警信息即急停按钮未被按下或者报警已解除的情况下，还可以通过停止储能模块对EP供电的方式使EP长期处于休眠状态。在有报警信息即急停按钮被按下的情况下，储能模块立即接通，为EP发送报警信息提供电能。可以看出，通过储能模块的设置，EP无需通过外部电源供电，从而节省了EP与RP之间的电缆铺设，大大降低了施工难度。并且由于EP在无报警信息的状态下处于休眠状态，还节约了储能模块的电能。

继续参照图2，为进一步提升系统的可靠性，在一种可能的实施方式中，还可以在RP上设置双电源接口，其中一个接口外接稳压电源作为主电源，另一个接口外接充电电池，如蓄电池。在主电源正常工作时，充电电池处于充电状态，在主电源切断时充电电池作为紧急通信电源使用，确保报警系统在RP环节的可靠性。进一步地，RP上还可以设置有扩展串口，CP上则可以设置有扩展串口和通讯串口。其中，扩展串口可以用于在极特殊的情况，如RP与CP通信距离超大的情况下，通过外接其他大功率的信号采集通讯器，实现RP与CP的无线通信。举例而言，在RP与CP的扩展串口上外挂一对可互相通信的超远距离无线模块。而通讯串口的设置则主要是为了更好地监控系统的运行状态。如可以通过该通讯串口使CP外接显示模块，如带有状态显示灯的LCD显示模块，可用于提示系统的工作状态。此外，还可以在CP上设置多个有线通信模块，可以通过有线通信模块连接上位机及级联设备，并通过开发上位机的监控软件，对EP、RP以及CP的实时状态进行监控。

参照图2和图3，CP还可以设置有与第一无线通信模块匹配的第五无线通信模块，如该第五无线通信模块的设置方式可以参照第二无线通信模块进行设置，从而通过第五无线通信模块与部分EP直接通信的方式，提升系统的可靠性与传输效率。如，在前述的在频段相同的条件下，与(第二、第三)无线通信模块类似，(第四、第五)无线通信模块也可以为能够与第一无线通信模块和第二无线通信模块分别通信的同一个无线通信模块。进一步参照图3，在一种可能的实施方式中，如将该无线报警系统应用于机场停机坪时，主要用于在机坪下方铺设的供油管网由于压力过大出现燃料泄漏的情况下，以报警的方式通知油库进行停泵操作。在上述应用场景中，EP、RP与CP间可以通过出现通信距离的过度覆盖的方式，即在EP与对应的RP实现完全覆盖，RP与对应的CP实现完全覆盖的情况下，通过部分EP的通信距离与CP的通信距离实现覆盖的方式，实现无线报警系统在通信方式上的“交错式”布置。在这种情况下，部分EP可以通过微功率无线通信模块直接将报警信息传输至CP，CP通过与RP大致相同的微功率无线通信模块接收该报警信息并控制继电器执行停泵报警等应对动作。也就是说，在通常情况下，EP与对应的RP直接通信，RP与对应的CP直接通信；而在EP与CP出现过度覆盖的范围内，EP可直接与CP通信。这样设置的优点在于，在EP与CP的通信距离出现过度覆盖的范围内，EP可直接将报警信息发送至CP，由于未经RP转发因此通信延迟最小，故此方式可提高无线报警系统的通信效率。此外，当上述的EP与CP出现通信故障时，EP的报警信息还可由RP转发至CP，以提高无线报警系统的可靠性。

在实际应用中，CP的个数通常为一个，RP的个数与EP的个数可以根据具体应用环境进行确定，并且在正常情况下，EP由储能模块中的工作电池供电，RP和CP由外接的稳压电源供电。进一步地，在制作EP、RP和CP时，为方便维护，还可以对上述各无线通信模块进行模块化布置，通过快速插拔的方式实现故障模块的替换和维护。举例而言，可以通过在基础通信单元(如基础通信电路板)上按需贴装射频模块的方式实现微功率无线通信和远距离无线通信的功能；可以基于不同的物料清单，在基础控制单元(如基础控制电路板)上焊接不同的电子元器件，实现各控制模块的相应的控制功能等。本领域技术人员可以想到的是，在一些特殊应用场合，还可以简化各通信单元贴装射频模块的数量。如在前述的同一频段的应用场景下，只需在(EP、RP、CP)按通信距离的远近分别贴装相应规格的射频模块便可以实现(EP、RP、CP)之间的相互通信，从而无需在每个基础通信单元上贴装多块射频模块。进一步地，为保证整个系统的通信稳定性，也可以在基础通信单元上进行射频模块的冗余布置，即通过在一块基础通信模块上贴装两块或两块以上同种规格的射频模块，一块作为工作通信模块，其余作为备用通信模块的方式，来提升系统的稳定性。如在EP的基础通信模块上贴装两块不同频率的微功率无线通信模块，从而组成双频段微功率无线通信模块，也就是说，双频段微功率无线通信模块可以在两个频段工作，当一个频段信号出现干扰等问题无法发送报警信息时，可以切换到另一个频段发送。

当然，CP的个数也可以为两个或两个以上，这种情况一般出现在面积较大的应用环境中。在CP为多个的情形下，各个CP可以分别外接上位机；或者将其中的一个CP作为主设备，只在该CP外接有上位机并设置能够执行应对动作的执行模块，其余的CP作为从设备，各个CP之间通过总线(如通过RS485总线)通信，实现上位机对主设备以及各个从设备的监控。

综上所述，本发明的交错式无线报警系统主要包括EP、RP以及CP。首先，通过EP设置储能模块(两块低自放电电池)的供电方式，使得报警系统中大多数设备不存在电缆施工环节，大大降低了施工难度、节约成本，并且由于EP在无报警信息的状态下处于休眠状态，还节约了电能。其次，通过EP的双电池冗余供电、急停按钮电路的冗余布置、射频模块的冗余布置(即双频段微功率无线通信模块)等方式，大大增强了无线报警系统的可靠性。而部分EP与CP的交错式布置的方式，在增强了无线报警系统可靠性的同时，还确保了报警系统的传输效率。此外，通过在报警时发送含有EP唯一地址编码的报警信息，以及系统采用模块化布置的方式，使得系统还具有定位准确和维护方便的效果。

如图4所示，与交错式无线报警系统对应的，本发明还提供了一种交错式无线报警方法，该方法主要包括如下步骤：

S100、EP发送报警信息至对应的RP。

S200、RP接收报警信息，并转发该报警信息至对应的CP。

S300、CP接收RP转发的报警信息，并基于该转发的报警信息完成与该转发的报警信息对应的应对动作。

在上述步骤中，EP与RP通过微功率无线通信模块通信，RP与CP通过远距离无线通信模块通信，并且微功率无线通信模块的通信距离小于远距离无线通信模块的通信距离。优选地，微功率无线通信模块的通信距离至少为2km。第二类无线通信模块可以为远距离无线通信模块，该模块主要用于远距离无线通信。一般而言，远距离无线通信模块的通信距离至少为4km。如在一种具体的实施方式中，现场实测微功率无线通信模块的通信距离最大为4.5km，远距离无线通信模块的通信距离最大为7.7km。当然，本领域技术人员可以想到的是，第一类无线通信模块与第二类无线通信模块也可以为其他的形式，只要该形式满足微功率无线通信模块的通信距离小于远距离无线通信模块的通信距离的条件即可。此外，尽管本申请描述的微功率无线通信模块的通信距离是2km、远距离无线通信模块的通信距离是4km，但是，这并不是限制性的，在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以根据需要选择大于2km或4km的任何通信距离。

在步骤S100中，可以通过在EP上设置报警开关的方式实现报警信息的发送。如在EP上设置急停按钮，在工作人员将该急停按钮按下后，EP通过第一无线通信模块将含有当前EP唯一地址码的加密报警信息发送至对应的RP。进一步地，EP可以使用储能模块提供电源。优选地，储能模块可以为两块低自放电电池(如锂电池、低自放电镍氢电池)，其中一块电池为工作电池，用于为EP提供电能，另一块电池为备用应急电池。如在一种可能的实施方式中，工作电池可以满足每天工作1～2次，工作时间5年以上的条件。当其中一块电池损坏或无法发送报警信息时，EP可以利用另一块电池在急停按钮被按下的时候完成发送报警信息的功能。此外，工作电池还可以完成EP与CP的周期性心跳超时机制，此心跳机制可协助CP判断各链路设备(即RP与EP)的状态，以进一步提高系统的可靠性。举例而言，EP依靠工作电池向CP发送心跳数据，每次心跳数据中可以包含有两块电池的电压数据。在其中一块电池电压低的情况下，系统就会生成错误码，提示更换对应的电池。在工作电池无法发送心跳信号的情况下，如某个EP的工作电池电量耗尽时，CP连续几个心跳周期都没有该EP的心跳信号，则系统可以自动在CP端提示该EP出现故障。进一步地，为节省储能模块的电能，在无报警信息即急停按钮未被按下或者报警已解除的情况下，还可以通过停止储能模块对EP供电的方式使EP长期处于休眠状态。在有报警信息即急停按钮被按下的情况下，储能模块立即接通，为EP发送报警信息提供电能。可以看出，通过储能模块的设置，EP无需通过外部电源供电，从而节省了EP 与RP之间的电缆铺设，大大降低了施工难度。并且由于EP在无报警信息的状态下处于休眠状态，还节约了储能模块的电能。

在步骤S200与步骤S300中，RP在接收到含有唯一地址码的报警信息后，将该信息通过第二类无线通信模块转发给CP，CP接收到转发的报警信息后，可以完成与该转发的报警信息相对应的应对动作，如CP可以通过设置在CP上的执行模块(继电器)完成停止正在运行的设备并进行相应的声光报警提示动作等。

如图5所示，优选地，在一种可能的实施方式中，EP、RP与CP间可以通过出现通信距离的过度覆盖的方式，即在EP与对应的RP实现完全覆盖，RP与对应的CP实现完全覆盖的情况下，通过部分EP的通信距离与CP的通信距离实现覆盖的方式，实现无线报警系统在通信方式上的“交错式”布置。在上述布置方式的情况下，无线报警方法还包括如下步骤：

S400、EP直接发送报警信息至对应的CP；

S500、CP接收报警信息，并基于该报警信息完成与报警信息对应的动作。

这样设置的优点在于，在EP与CP的通信距离出现过度覆盖的范围内，EP可直接将报警信息发送至CP，由于未经转发通信延迟最小，故此方式可提高无线报警系统的通信效率。此外，当上述EP与CP出现通信故障时，EP的报警信息还可由RP转发至CP，提高无线报警系统的可靠性。

上述交错式无线报警系统的无线报警方法，在通常情况下，由EP发送含有唯一地址码的报警信息至RP，RP转发该报警信息至CP后，CP基于该转发的报警信息完成相应的应对动作(如停泵并进行声光报警提示)。在EP与CP通信范围互相覆盖，即“交错式”布置的情况下，EP还可以直接发送报警信息至CP，CP基于该报警信息完成相应的应对动作。通过无线报警系统的“交错式”布置方式，不仅提高了无线报警系统的可靠性，而且由于报警信息没有经过RP的转发，还大大提高了无线报警系统的通信效率。此外，由于EP采用两块低自放电电池的供电，并且EP在无报警信息的状态下处于休眠状态的设置方式，还大大节约了电能。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。