基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑火災預警系統(tǒng)

耿曉帥 孫世梅 王遠航 傅貴

摘要：本文以信息化建筑火災預警為研究方向，以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，在建筑內(nèi)各節(jié)點布設多種傳感器，采集建筑火災發(fā)生時當前環(huán)境的物理參數(shù)，包括溫度、濕度、煙霧等。利用ZigBee模塊，建立通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)節(jié)點和主機的通訊，終端的數(shù)據(jù)庫接收傳感器反饋的參數(shù)，在人機交互界面上顯示，實現(xiàn)預警。

關鍵詞：建筑;火災預警;物聯(lián)網(wǎng);ZigBee

中圖分類號：TU892 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0093-02

近年來，建筑火災多發(fā)，建筑火災撲滅難、救援難，起火原因多樣，社會影響巨大[1-2]。2016年，全國共發(fā)生火災31.2萬起，亡1582人，傷1065人，直接財產(chǎn)損失37.2億元。從人員傷亡分布看，建筑火災傷亡人數(shù)占火災總傷亡人數(shù)的90.1%;從損失分布看，僅住宅火災直接財產(chǎn)損失已經(jīng)達到7.5億元，占損失總額的20.1%。由此可見，快速精準的火災預警是預防建筑火災管控的重點之一[3]。然而，現(xiàn)有的建筑火災預警系統(tǒng)的信息共享還不成熟，各設備在運行中相對獨立，終端從各獨立系統(tǒng)取得的信息也不夠集中，難以及時和準確得反映火災發(fā)生的位置和嚴重程度，這就可能造成火災安全事故[4-7]。因此，本文針對這種情況設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑火災預警系統(tǒng)。

1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是國家“十二五”計劃的重點之一，是使用電子技術使得軟件硬件結(jié)合達到進一步信息化的思想，是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和發(fā)展[8]。物聯(lián)網(wǎng)在體系結(jié)構上主要包括三層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層[9-11]。其中感知層主要包括組成無線傳感網(wǎng)絡的普通傳感節(jié)點，用于連接無線傳感網(wǎng)絡、移動通信網(wǎng)絡Internet等;網(wǎng)絡層主要是網(wǎng)絡通信基礎設施;應用層主要涉及各種物聯(lián)網(wǎng)應用。

2 運用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)火災預警

2.1 系統(tǒng)總體架構

感知層的傳感節(jié)點主要包括ZigBee模塊、溫濕度傳感模塊、煙霧傳感模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等。傳感節(jié)點通過數(shù)據(jù)采集模塊將各參數(shù)信息轉(zhuǎn)換為AD值。當收集到的參數(shù)超過設定閾值時，傳感節(jié)點則通過網(wǎng)關節(jié)點上傳報警數(shù)據(jù)給服務器。

網(wǎng)絡層的傳感網(wǎng)關節(jié)點，選擇GPRS網(wǎng)絡將感知層的數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)關節(jié)點包括兩個部分：主控模塊和Link節(jié)點。主控模塊通過移動通信模塊連接服務器進行雙向通信;Link節(jié)點連接無線傳感網(wǎng)絡進行雙向通信。

應用層選擇TCP協(xié)議作為通信手段。通信軟件需和網(wǎng)關節(jié)點保持通信，在服務器上運行。

2.2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件主要包括Atmega8單片機，DHT11溫濕度傳感器和MQ2煙霧傳感器模塊，蜂鳴器報警模塊和ZigBee模塊，電源模塊。系統(tǒng)硬件構成如圖1所示。系統(tǒng)工作過程中，單片機實時接收各傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)。當出現(xiàn)火災情況后，系統(tǒng)檢測到的信號將超出閾值，驅(qū)動聲光報警模塊進行報警。同時單片機通過AT指令驅(qū)動ZigBee模塊工作，把報警信號發(fā)送到遠程終端，實現(xiàn)遠距離報警。

2.3 系統(tǒng)主要子程序

整個系統(tǒng)的軟件部分采用自上而下的模塊化程序設計，各分支部分分別實現(xiàn)，其主要子程序如圖2所示。系統(tǒng)讀取感知節(jié)點各參數(shù)信息，判斷其是否超過設定的閾值，一旦超過時即發(fā)出警報，并將狀態(tài)信息傳輸至遠程終端。

2.4 人機交互界面

本文以吉林建筑大學實驗樓一樓為例，建立了PC端的人機交互界面，使管理員能第一時間清晰直觀得對建筑內(nèi)火災發(fā)生情況有一個整體性的了解，再通過具體監(jiān)測數(shù)據(jù)對火災情況進一步分析。系統(tǒng)總覽圖以建筑設計圖為基礎，集中體現(xiàn)樓梯、衛(wèi)生間、門窗的位置，節(jié)點傳輸至數(shù)據(jù)庫的信息經(jīng)過調(diào)用函數(shù)抓取，在二維或三維圖中予以顯現(xiàn)，如某節(jié)點感知火災則在總覽圖中標紅并且發(fā)出警報。具體感知到的數(shù)據(jù)信息可由左側(cè)拉取獲得。為滿足管理者需要回放過去記錄的需求，設置了一個可在總覽圖回放固定時間段系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的功能板塊。

模擬真實環(huán)境，系統(tǒng)對各區(qū)域溫度、濕度、煙霧濃度進行實時監(jiān)測，判斷1區(qū)參數(shù)超出正常值，系統(tǒng)發(fā)出警報，并在主界面上顯示（如圖3所示），預警平面圖中1區(qū)位置標紅（如圖4所示），管理員根據(jù)火情及火災發(fā)生地點快速實施應急措施。通過以上實測，進一步驗證了本文設計的建筑火災預警系統(tǒng)在火災沒發(fā)生或火災初期具有針對性的預防作用，而且能從源頭上控制火災隱患，為人員疏散、財產(chǎn)搶救和避免重特大火災事故的發(fā)生提供了保障。

3 結(jié)語

本文以建筑火災預警為研究對象，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑火災智能預警系統(tǒng)，詳細闡述了系統(tǒng)的總體方案。通過模擬真實環(huán)境，采集火災發(fā)生時的溫度、濕度、煙霧濃度等參數(shù)，并利用ZigBee模塊，實現(xiàn)節(jié)點和主機的通訊，在人機交互界面上集中顯示，全方位感知建筑內(nèi)火災情況，更加科學高效地實現(xiàn)火災預警。

參考文獻

[1]司戈.我國建筑電氣火災的現(xiàn)狀、問題和防控對策[J].建筑電氣，2008（10）：28-30.

[2]陳雪剛.基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的我國電氣火災特點分析[J].消防技術與產(chǎn)品信息，2012（5）：47-49.

[3]公安部消防局.2016年中國消防年鑒[M].北京：中國人事出版社，2016.

[4]魏立明，田益名，楊坤，等.基于PLC的建筑配電火災預警系統(tǒng)設計[J].浙江水利水電學院學報，2018（36）：71-75.

[5]韓澤欣，楊雪松.基于單片機的智能火災報警系統(tǒng)[J].甘肅科技，2013（1）：25-26.

[6]賈雪.基于ZigBee技術的物聯(lián)網(wǎng)技術在高層建筑火災救援中的應用探討[J].吉林建筑工程學院學報，2012（10）：47-49.

[7]汪洋文杰，王楠，司軼芳.基于ZigBee技術的火災自動報警系統(tǒng)[J].電子科學，2010（5）：30-31.

[8]張毅，唐紅.物聯(lián)網(wǎng)綜述[J].數(shù)字通信，2010（4）：24-27.

[9]隋虎林，范玉峰.消防物聯(lián)網(wǎng)技術體系研究[J].消防科學與技術，2012，31（11）：1182-1185.

[10]胡冰冰，邱月友，崔月圓.基于物聯(lián)網(wǎng)的火災報警系統(tǒng)[J].科技視界，2014（30）：17-18.

[11]張翔.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的火災自動報警系統(tǒng)研究[J].防災科技學院學報，2011（3）：51-54.

Construction Fire? Alarm System Based on Internet of Things

GENG Xiao-shuai1，2，SUN Shi-mei1，2，WANG Yuan-hang1，2，F(xiàn)u Gui2，3

（1.Municipal and Environmental Engineering，Changchun? Jilin， 130118; 2.Institute for Accident Prevention Science， Changchun? Jilin? 130118; 3.College of Resources & Safety Engineering， China University of Mining & Technology， Beijing? 100083）

Abstract：This paper takes information construction fire alarm as research direction. Based on the Internet of things ， a variety of sensors are arranged at each node of the construction to collect the physical parameters of the current environment， including temperature， humidity and smoke concentration， when construction fire occurs. Using ZigBee module， a communication network is established to realize the communication between nodes and hosts. The database of the terminal receives the parameters feedback from sensors， displays on the human-computer interaction interface， and realizes the early warning.

Key words：construction;fire alarm;Internet of things;ZigBee