一种独立式火灾探测报警器组网与约束性参数设计方法与流程

本发明涉及火灾监测，尤其涉及一种独立式火灾探测报警器组网与约束性参数设计方法。

背景技术：

1、各类小场所、合用场所、住宅建筑、临时性建筑一直是消防安全工作的难点所在，火灾起数以及火灾亡人数占比较高，小火亡人现象突出。以nb-iot蜂窝通信为主要通信手段的可直接联网型无线独立式火灾探测报警器以安装迅捷、价格低廉、不对现场已有业务产生影响，可现场和远程多级报警等特点，在上述场所获得广泛应用，成为解决上述场所小火亡人问题的有效手段。在此类系统中，每个探测报警器都直接使用lte、nb-iot、cat.1等蜂窝通信技术，网络由电信运营商铺设，终端用户工程安装和使用非常便捷，用户自己无需建网，可以实现开箱即用，但是仍然存在几方面的不足：

2、一是局部信号衰减或局部信号干扰问题：一些部位信号不足或者没有相应信号，再或者安装探测报警器时信号质量尚可，但后期建楼、内部格局重新装修、同一个基站下的终端数量突然增多等问题可能会造成探测报警器离线或者联网时耗能很大；

3、二是低功耗问题：lte、nb-iot、cat.1等蜂窝通信技术的收发功率相对较高，尽管通过优化改进已经使其功率降低，特别是nb-iot技术，已经成为最主流的低功耗蜂窝广域网技术，但是对于独立式火灾探测报警器来讲，还有必要进一步降低功耗，从而使探测报警器离线故障的发现速度可以更及时；

4、三是电量消耗的同步问题：在一个系统中各个探测报警器的接收信号质量受位置影响各不相同，导致各探测报警器的通信功耗不一样，电池电量的消耗速度也不一样，各探测报警器寿命不够同步，使得系统维护商上门维修次数多，维护成本高。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种独立式火灾探测报警器组网与约束性参数设计方法。

2、一种独立式火灾探测报警器组网与约束性参数设计方法，具体包括独立式火灾探测报警器的双模组网方法以及独立式火灾探测报警器的低功耗参数设计方法；

3、所述独立式火灾探测报警器的双模组网方法具体包括以下步骤：

4、步骤s1：将每一只独立式火灾探测报警器设置两种无线通信模组，其中第1模组单位数据量通信功耗高于第2模组、但通信距离或速率优于第2模组，其通信制式为广域网通信基站所采用的通信制式，第2模组单位数据量通信功耗低于第1模组，但通信距离或速率劣于第1模组，其通信制式为可实现点对点直接通信的低功耗局域网通信制式。

5、步骤s2：建立火灾监测预警系统；选择若干火灾探测报警器作为网关，将所有火灾探测报警器划分为若干组，每组中仅有1个网关，每个作为网关的火灾探测报警器采用第1模组与基站通信，负责其中1个组的远程通信，承担网关角色的报警器与组内其他报警器采用第2模组进行本地组内多跳通信；

6、所述火灾监测预警系统由独立式火灾探测报警器通过无线组网方式构成，非网关角色的独立式火灾探测报警器处于第一个层级，承担网关角色的独立式火灾探测报警器处于第二个层级，运营商基站处于第三个层级，云端监控平台处于最顶层即第4个层级。

7、步骤s3：火灾探测报警器对火灾进行检测，并对火灾探测报警器的上下行数据进行发送；

8、所述火灾探测报警器的上下行数据包括3类：

9、(1)第1类是火警数据包，上行，具体内容包括报警器地址、传感器模拟量、火警状态以及扩展数据，其中根据火警状态将该火警数据包分为火警发生包和火警撤销包，当火灾探测报警器检测到火灾信号时，火警数据包设定为火警发生包，并在火灾信号未撤销前周期发送，当火灾探测报警器检测到火灾信号消失时，火警数据包设定为火警撤销包，且仅发送1次；

10、(2)第2类是心跳数据包，上行，具体内容包括报警器地址、传感器模拟量、信号质量、电池电量、在本地网络中所处的拓扑位置信息以及扩展数据；

11、(3)第3类是控制数据包，下行，具体内容包括报警器地址、消音控制码、复位控制码以及扩展数据；

12、具体发送包括以下步骤：

13、步骤s3.1：当火灾探测报警器探测到火灾时，火灾探测报警器创建火警数据包，然后采用第1模组，直接向远程服务器发送火警数据包；同时，采用第2模组，通过本地组内多跳通信的方式，至本地承担网关角色的火灾探测报警器，再到远程服务器的路径发送火警数据包，当多跳路径上负责转发的火灾探测报警器接收到火警数据包时，立刻进行上行转发，转发后进入静默监测状态；

14、所述火警数据包的发送，每发送1次，等待设定时间，进行下一次发送，直至发生报警的报警器的传感部件撤销火警信号，结束发送；如果发生报警的火灾探测报警器的传感部件未撤销火警信号，但火灾探测报警器接收到了下行的消音或复位控制数据包，则等待火灾探测报警器的消音或复位周期结束后，再次发起火警数据包发送。

15、步骤s3.2：每个火灾探测报警器周期创建并通过第2模组，经由本地组内多跳至网关角色火灾探测报警器再到远端服务器的路径上发心跳数据包，心跳上发周期ttick的上限小于国标要求24h；

16、心跳数据包在本地组内多跳通信时通过第2模组的传播按如下逻辑进行：多跳路径上的每一级火灾探测报警器在收到下级火灾探测报警器发来的心跳数据包后，将数据包缓存；除网关角色的火灾探测报警器外，其他每个火灾探测报警器都设置有转发周期ts-up，且有ts-up＜ttick，在到达转发周期ts-up时长后，火灾探测报警器唤醒并将内部存储器中缓存的下级火灾探测报警器的所有心跳数据包一次性向上一级转发。

17、承担网关角色的火灾探测报警器在到达心跳上发周期ttick时，将内部存储器中缓存的所有心跳数据包一次性经广域网通信基站通过第1模组向远端服务器发送。

18、步骤s3.3：控制数据包由远端服务器向下行发送，仅能发送给上发了火警发生包但还未上发火警撤销包的火灾探测报警器。控制数据包的下发，首先通过第1模组所采用的制式直接向发生报警的火灾探测报警器发送，在发送失败后，再尝试以下路径发送：通过第1模组所采用的制式向相应网关角色的火灾探测报警器发送，然后通过第2模组经由本地路由向发生报警的火灾探测报警器发送。

19、火灾探测报警器的分组情况、每组内负责承担网关角色的报警器、每组内的路由拓扑结构按预设的更新周期troute进行更新。

20、所述独立式火灾探测报警器的低功耗参数设计方法具体包括以下步骤：

21、步骤d1：提出所述火灾监测预警系统整体功耗相关的16项参数并进行功耗分析评价，具体包括：

22、第1模组发射电流

23、第1模组发射时长与心跳数据包长度关系

24、第1模组平均静默电流

25、第2模组发射电流

26、第2模组发射时长与心跳数据包长度关系

27、第2模组休眠电流

28、第2模组接收电流

29、第2模组接收时长与心跳数据包长度关系

30、第2模组对空中呼叫的监听周期

31、第2模组接收空中呼叫的监听时长

32、第2模组误唤醒功耗

33、第2模组路由更新周期

34、第2模组拓扑最大级数

35、第2模组最大下级数

36、第2模组邻居数数学期望

37、第2模组心跳时间分布律

38、以上参数，即系统设计中的待评估参数，数据发送长度单位为心跳个数，数据长度为1表示1个心跳包字节数。

39、步骤d2：创建火灾探测报警器随机分布点集；

40、在平面内按等概率方式随机采样一组坐标点来代表报警器坐标位置；

41、步骤d3：获取邻居报警器并建立邻居基础拓扑图；

42、采用第2模组邻居数数学期望c表征通信射频和现场环境链路衰减特性的作用体现，选择一个邻居判定距离阈值，使得在该阈值下，各火灾探测报警器的邻居数的平均值与期望c相等，则对于任意一个火灾探测报警器，与该火灾探测报警器距离小于阈值的其他火灾探测报警器，被归为该火灾探测报警器的邻居报警器，并以此建立邻居基础拓扑图；

43、步骤d4：建立火灾探测报警器的路由关系；

44、在步骤d3获得的邻居基础拓扑图上得到每一只火灾探测报警器的本地组内多跳通信路由拓扑关系数据；在本地组内多跳通信路由拓扑关系建立过程中，控制路由拓扑层级和一个报警器的下级报警器数量，使得在路由拓扑建立过程中，报警器的路由拓扑层级不超过待评估的最大路由拓扑层级，下级报警器数量不超过待评估的最大下级数；

45、步骤d5：建立单心跳周期中主动通信事件队列；

46、在一个心跳上报周期ttick内，根据第2模组心跳时间分布律和待评估的第2模组拓扑最大级数，产生系统内火灾探测报警器的全部主动上报时刻，且按增序排列，要求不同火灾探测报警器的主动上报时刻相位差符合第2模组心跳时间分布律，同一火灾探测报警器的各主动上报时刻是等时间间隔的，并且该时间间隔即转发周期ts-up与待评估的第2模组拓扑最大级数之积不超过心跳上发周期ttick。

47、步骤d6：计算单心跳周期系统功耗，具体包括主动上报通信功耗、静默功耗、分配在本心跳周期中的网络更新功耗、单个心跳周期系统功耗；

48、(1)所述主动上报通信功耗具体包括累计发送功耗、累计接收功耗以及累计误唤醒功耗；

49、对单心跳周期主动通信事件队列中的全部时刻点，按顺序逐个取出：每取一个时间点，累计计算该时刻关联报警器唤醒向上级报警器发送一包数据的发送功耗，获得所述累计发送功耗；对于接收数据的上级报警器，累计计算其接收功耗，获得所述累计接收功耗；对于该报警器的邻居报警器，累计计算其误唤醒功耗，获得所述累计误唤醒功耗；如果待评估的模组具体通信物理层上还涉及应答确认，则对该报警器与接收该报警器数据的上级报警器，其累计发送功耗、累计接收功耗还应分别累计应答用的发送功耗和接收功耗。

50、(2)所述静默功耗：待单心跳周期主动通信事件队列时刻点全部被计算后，则计算出系统内每个火灾探测报警器的通信模组的静默监听功耗，所述静默监听功耗为第1模组静默监听功耗与第2模组静默监听功耗之和；其中第1模组静默监听功耗是第1模组平均静默电流与心跳上报周期之积，第2模组静默监听功耗是第2模组工作模式中无呼叫情况下的平均电流与心跳上报周期之积。

51、所述第2模组工作模式为“休眠->唤醒监听有无呼叫->有呼叫启动工作->无呼叫再次进入休眠”；

52、(3)所述分配在本心跳周期中的网络更新功耗：按心跳周期在网络更新周期中的占比，计算网络更新功耗并根据占比计算分配在单个心跳周期中的网络更新功耗；网络更新功耗包括网络更新中的累计发送功耗、累计接收功耗以及累计误唤醒功耗。

53、重新建立新的分组、新的网关角色和新的路由拓扑关系，在这个过程中，跟踪每一个火灾探测报警器的每次通信行为的数据发送量、发送时长、数据接收量、接收时长、被误唤醒次数，每个火灾探测报警器每次通信行为的单次通信的发送功耗，是发送电流与发送时长之积，单次通信的接收功耗是接收电流与接收时长之积，每个火灾探测报警器在更新过程中的最终功耗即网络更新功耗，则是累计发送功耗、累计接收功耗、累计误唤醒功耗之和。其中累计发送功耗、累计接收功耗、累计误唤醒功耗分别为在网络更新过程中单次通信的发送功耗、单次通信接收功耗以及单次通信的误唤醒功耗的累加之和；

54、(4)所述单个心跳周期系统功耗：将主动上报通信功耗、静默功耗，以及分配在本周期中的网络更新功耗相加，得到本个心跳周期系统功耗。

55、步骤d7：计算整体功耗降低率和功耗差异时长；

56、所述整体功耗降低率是单个心跳周期内双模通信功耗相比单模通信功耗降低的比例，所述功耗差异时长是路由周期功耗差相当于几个月的单模基准功耗。

57、所述单模通信功耗为，将系统中所有火灾探测报警器均使用第1模组完成业务通信，且第2模组被禁用时所产生的通信功耗；所述双模通信功耗为，将火灾探测报警器混合使用第1模组和第2模组完成业务通信所产生的通信功耗。

58、所述路由周期功耗差为，将网关平均功耗与其他报警器平均功耗之差，所述单模基准功耗为，将单个报警器平均1个月的单模通信功耗；其中网关平均功耗为，将一个路由周期中所有网关角色火灾探测报警器的双模通信功耗的平均值，其他报警器平均功耗为，将一个路由周期中所有非网关角色报警器的双模通信功耗的平均值；

59、步骤d8：获得优选参数值表；

60、根据评价分析目的，列出全部具体的参数值候选组合。根据步骤d4-步骤d7，计算每一种组合最终产生的整体功耗降低率和功耗差异时长，根据设计目标设定不合格阈值，剔除不合格项；剩余保留项则为能够满足低功耗目的的适配参数值。

61、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

62、本发明提供一种用于火灾监测预警的独立式火灾探测报警器无线组网与约束性参数设计方法，包括以下有益效果：

63、(1)本发明通过提出一种适用于独立式火灾探测报警器的双模组网方式，使得通过双模组网方式降低基于蜂窝通信技术进行远程通信的独立式火灾探测报警器联网系统的功耗具有可能，并且提供了多跳本地通信方式，提高了应对末端蜂窝通信覆盖不均的能力，保证火灾报警信号能够及时传出现场，同时保持了系统采用蜂窝通信进行远程通信的便捷性。

64、(2)本发明提出一种针对上述组网方式的参数设计方法，依据该方法，能够评估在设计独立式火灾探测报警器联网系统时选用的两种通信制式模组和具体路由算法等是否具有合理性，能够保证双模组网的独立式火灾探测报警器联网系统整体功耗的下降，并且能够保证系统内报警器的电量消耗差异具有一致性。本发明提出的参数设计方法，仅需要利用电流表这一种通用的仪器设备完成模组固有参数测量，其他测试均能够通过软件模拟的方式实现，避免了如无线综测仪、信道仿真器大型高价值专用设备的投入，本发明使用邻居报警器数这一个单一参数来综合反映通信射频和现场环境链路衰减特性，可以避免复杂的信道模拟计算，消除现有技术中涉及到的各种信道模拟信道计算等专业化的门槛。