基于物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)報警系統(tǒng)

胡冰冰 邱月友 崔月圓

（安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖 241000）

0 前言

目前主要的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)大多采用有線方式構(gòu)建火災(zāi)傳感器網(wǎng)絡(luò)，這類方式耗材多、施工與維護(hù)復(fù)雜，擴(kuò)展能力差，線路容易老化或腐蝕、磨損，故障發(fā)生率高，并且不易排查修理[3]。在實(shí)際的火災(zāi)消防工程中，傳統(tǒng)的區(qū)域報警和集中報警系統(tǒng)多采用多線制和總線制連接，即探測器、報警器、控制器之間是采用兩條或多條的銅芯電纜相連，其安裝成本約占設(shè)備成本的33%～70%，且施工復(fù)雜，系統(tǒng)擴(kuò)展性差，自成體系。在這些火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中，主要以集中智能系統(tǒng)為主，巡檢速度低，穩(wěn)定性和可靠性差，大多數(shù)以溫感、煙感探測器為主，存在比較突出的遲報、誤報、漏報等現(xiàn)象，這些都制約著火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的發(fā)展[1]。

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)自動預(yù)警系統(tǒng)（FAS）是樓宇自控系統(tǒng)（BAS）的分系統(tǒng)，服務(wù)于樓宇自控系統(tǒng)，它可以及時發(fā)現(xiàn)和通過3G 移動網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)等通報火情，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場準(zhǔn)確、實(shí)時監(jiān)控，有效地預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生，減小經(jīng)濟(jì)損失，并采取有效措施控制，提高建筑物的防災(zāi)自救能力。

1 物聯(lián)網(wǎng)

“物聯(lián)網(wǎng)概念”是在“互聯(lián)網(wǎng)概念”的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念。其定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備、按約定的協(xié)議，把任何物品與物聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。

物聯(lián)網(wǎng)在體系結(jié)構(gòu)上主要包括三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中感知層主要包括組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的普通傳感節(jié)點(diǎn)，用于連接無線傳感網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)和Internet 等；網(wǎng)絡(luò)層主要是網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施，包括移動通信網(wǎng)絡(luò)和Internet 等；應(yīng)用層主要涉及各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如環(huán)境監(jiān)測、智能交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能城市管理和工業(yè)監(jiān)控等，如圖1 所示。

其中感知層由物理(PHY)層、媒體接入控制(MAC)層構(gòu)成，兩者之間通信采用通用的IEEE802.15.4 協(xié)議。感知層獲得信息后上傳至網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，它們之間通信必須滿足網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如ZigBee 協(xié)議）。

目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在移動通信技術(shù)方面可以使用GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線服務(wù)技術(shù))、CDMA(Code Division Multiple Access，碼分多址)、3G(3rd-Generation，第三代移動通信技術(shù))等，在感知層中可以使用ZigBee，超低功耗藍(lán)牙等技術(shù)，甚至是獨(dú)立開發(fā)專用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其基本的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，都是通過泛化的感知層節(jié)點(diǎn)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸至應(yīng)用層來進(jìn)行處理。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

2 運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報警

物聯(lián)網(wǎng)是十二五規(guī)劃的一項(xiàng)戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè)，然而如今物聯(lián)網(wǎng)因其巨大的應(yīng)用而引起廣泛的關(guān)注，它在消防安全方面的應(yīng)用也越來越引起大家的關(guān)注。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平的提高，我們居住的房子，我們辦公的地方也越來越高。在這些建筑興起的同時，火災(zāi)隱患也大大增加。于是，人們研究了各種各樣的火災(zāi)探測器，并且結(jié)合已開發(fā)的火災(zāi)探測器針對高層建筑推出了多種聯(lián)動設(shè)備，在一棟建筑中可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)預(yù)警。但是由于獨(dú)立的聯(lián)動設(shè)備需要使用市電和有線通信設(shè)施，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，電力供應(yīng)的通信設(shè)施可能會損壞而無法工作，火情無法正確及時上報，導(dǎo)致火災(zāi)蔓延，造成重大的損失。

物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報警系統(tǒng)主要由無線終端設(shè)備、無線集中器和嵌入式服務(wù)器、3G 無線通訊單元、供電單元組成。其中包含煙霧和溫度傳感器，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測有機(jī)結(jié)合，并借助3G移動網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場準(zhǔn)確、實(shí)時監(jiān)控[3]。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 系統(tǒng)硬件

本系統(tǒng)主要對感知層的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件框圖如圖2，主要是對感煙、感溫傳感器檢測信號進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，對火災(zāi)點(diǎn)進(jìn)行GPRS 定位，以及其他硬件的通信等?？刂破鱉SP430F449 通過對傳感器檢測信號進(jìn)行處理、火災(zāi)判斷、聲光報警，并建立與無線網(wǎng)關(guān)的通信。

AD 采集模塊將煙感、溫感等傳感器檢測的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由MSP430F449 單片機(jī)進(jìn)行處理、判斷、分析。當(dāng)判斷有火災(zāi)信息時，將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層，同時通過GPRS 模塊將火災(zāi)點(diǎn)定位。當(dāng)然，MSP430F449 單片機(jī)自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，但是為了檢測更多的點(diǎn)，多路AD 還是應(yīng)該通過擴(kuò)展AD 轉(zhuǎn)換模塊來實(shí)現(xiàn)。其他模塊的功能是，串行口模塊主要完成電平轉(zhuǎn)換；通信接口完成與網(wǎng)絡(luò)層的通信；I/O 口模塊完成報警、顯示等；電源模塊完成對最小控制系統(tǒng)的供電。

也就是說，本硬件電路主要是完成火災(zāi)點(diǎn)的檢測、篩選和定位，并完成與網(wǎng)絡(luò)層的通信，網(wǎng)絡(luò)層再完成與應(yīng)用層聯(lián)絡(luò)。

2.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要是完成對各層的通信協(xié)議的編程。感知層的協(xié)議應(yīng)用比較成熟的IEEE802.15.4 協(xié)議。感知層和網(wǎng)絡(luò)層需要編寫TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，但是TCP/IP 協(xié)議過于復(fù)雜。然而并不是所有的TCP/IP協(xié)議都需要在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)，注意到TCP/IP 協(xié)議族中的許多協(xié)議在實(shí)際應(yīng)用中完全可以不采用。因此需根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)裁剪，幾個必要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括：APP 協(xié)議，它提供IP 地址和MAC 地址的轉(zhuǎn)換，是TCP/IP 協(xié)議中不可缺少的部分：IP 協(xié)議，它用于網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸，ICMP 協(xié)議，用于報告數(shù)據(jù)傳送過程中的差錯情況。

另外就是工作在網(wǎng)絡(luò)層的TCP 協(xié)議，它是整個TCP/IP 協(xié)議的核心也最為復(fù)雜。TCP 協(xié)議分為4 層：鏈路層、網(wǎng)頁層、傳輸層、應(yīng)用層。鏈路層主要是由網(wǎng)關(guān)控制器來實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)IP、APP 和ICMP 協(xié)議。IP 數(shù)據(jù)包的首部保留20 字節(jié)的基本控制信息，每個IP 數(shù)據(jù)包包含一個分片；實(shí)現(xiàn)完整的APP 協(xié)議，對于ICMP 協(xié)議，只實(shí)現(xiàn)ICMP 中類型號為0，代碼為0 的PING 應(yīng)答協(xié)議。傳輸層實(shí)現(xiàn)TCP 協(xié)議。在系統(tǒng)中，TCP 協(xié)議只用于支持HTTP 協(xié)議，由于在連接是一直處于被動服務(wù)的狀態(tài)，因此在設(shè)計(jì)中讓它一開始就處于LISTEN 狀態(tài)，來監(jiān)聽客戶端得連接請求，避免了主動打開的操作，可更高效的服務(wù)于客戶機(jī)。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)HTTP 協(xié)議?，F(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備與用戶的交互式數(shù)據(jù)交換通過HTTP 協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。HTTP 在端口80 上使用TCP 的服務(wù)。系統(tǒng)需要監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解包分析，根據(jù)結(jié)果分別進(jìn)入處理程序，完成嵌入式TCP/IP 協(xié)議處理，將現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)所有采用TCP/IP 協(xié)議的計(jì)算機(jī)都能收到此數(shù)據(jù)幀。

應(yīng)用層服務(wù)器模塊：嵌入式Web 服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)是以TCP/IP 協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)，以HTTP 協(xié)議來進(jìn)行客戶端與服務(wù)器之間的請求和相應(yīng)。Web 服務(wù)系統(tǒng)采用B/S 模式，由位于服務(wù)器的Web 服務(wù)器和位于客戶端的Web 服務(wù)器的任務(wù)是等待客戶機(jī)得連接。系統(tǒng)主要用HTTP協(xié)議，并使用URL，HTML 和CGL 等方法進(jìn)行信息的定位，存儲和顯示。HTTP 協(xié)議是實(shí)現(xiàn)客戶端到服務(wù)器之間的靜態(tài)文件傳輸協(xié)議，采用請求/相應(yīng)的握手方式，客戶端向服務(wù)器

請求文件對象，服務(wù)器把文件對象發(fā)往客戶端作為響應(yīng)。HTTP采用TCP 連接，該連接狀態(tài)僅在此次連接中保持，無論瀏覽器或服務(wù)器都不會記憶上次連接的狀態(tài)。

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要硬件和軟件共同完成，優(yōu)化的軟件設(shè)計(jì)方案可以很大程度的減輕硬件成本負(fù)擔(dān)，只有軟硬件同時達(dá)到優(yōu)化才能使整個系統(tǒng)達(dá)到最高優(yōu)化。整個系統(tǒng)的軟件部分采用自上而下的模塊化程序設(shè)計(jì)，各分支部分分別實(shí)現(xiàn)，其主要子程序如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)束語

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以使火災(zāi)自動報警系統(tǒng)更加快速、準(zhǔn)確地探測火災(zāi)的發(fā)生，提高火災(zāi)報警的準(zhǔn)確性，降低誤報率；采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳遞火警信息，可以極大地縮短報警時間，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以大幅度提高系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)維護(hù)升級和互聯(lián)互通。

但是，物聯(lián)網(wǎng)在火災(zāi)預(yù)防和報警中應(yīng)用還沒達(dá)到大規(guī)模的程度，當(dāng)然在應(yīng)用中還需要解決一些問題，如傳感器的地址編碼問題、與應(yīng)急救援平臺的聯(lián)網(wǎng)問題、與已經(jīng)在使用的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的兼容問題等等。隨著研究人員不斷探索和深入，相信這些問題都會得到解決，使得物聯(lián)網(wǎng)在火災(zāi)報警系統(tǒng)的應(yīng)用更加成熟。所以，當(dāng)成熟的物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的應(yīng)用，必然會在社會經(jīng)濟(jì)上產(chǎn)生巨大的效益[5]。

［1］張翔.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)研究[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報，2011，3.

［2］李振雷.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在火災(zāi)預(yù)警中的應(yīng)用[D].青島理工大學(xué)，2010，12.

［3］汪洋文杰，王楠，司軼芳.基于ZigBee 技術(shù)的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)[J].電子技術(shù)，2010，5.

［4］王慧琚.基于物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)[D].蘭州大學(xué)，2012，5.

［5］王忠敏.EPC 與物聯(lián)網(wǎng)[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.