基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湖南信息學(xué)院電子信息學(xué)院 陶曾杰 宋春雨 唐 培 卜 沉

1 引言

2018年3月25日，俄羅斯西一家名為“冬季櫻桃”的購(gòu)物中心發(fā)生了重大火災(zāi)，此次火災(zāi)造成64人死亡，50多名傷者送醫(yī)[1]。近幾年，我國(guó)每年發(fā)生火災(zāi)約4萬(wàn)起，死亡2000人左右，傷殘約3000-4000人，每年火災(zāi)造成的直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)10多億元[2]。從火災(zāi)發(fā)生的場(chǎng)所分析，住宅和人口密集的場(chǎng)所發(fā)生的火災(zāi)造成人員的傷亡率最高。

我國(guó)在消防領(lǐng)域做了大量的技術(shù)推進(jìn)，在大、中型建筑及公共場(chǎng)所安裝了用以預(yù)防火災(zāi)事故發(fā)生的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，但大多數(shù)火災(zāi)報(bào)警控制器以MCU為核心，處于獨(dú)立使用階段，火災(zāi)探測(cè)器及聯(lián)動(dòng)裝置很少配合實(shí)現(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)功能。要想發(fā)生火災(zāi)時(shí)，能夠迅速地控制火災(zāi)，將火災(zāi)造成的損失降到最低程度，這需要增加消防現(xiàn)代化設(shè)備投入的同時(shí)，更重要的是用高科技含量高、反應(yīng)速度快的聯(lián)網(wǎng)管理監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)能解決上述問(wèn)題。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things簡(jiǎn)稱IoT）是通過(guò)將各種信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換、信息通信和信息處理，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3]。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，具有全面感知、可靠傳遞、智能處理三大特征，此三大特征對(duì)于火災(zāi)的感知、監(jiān)控具有全面迅速地作用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該報(bào)警控制系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)，主要包括感知層的數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)層的Internet和移動(dòng)通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)用層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理等。整個(gè)火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)以火災(zāi)報(bào)警控制器為中心，該控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。通過(guò)在傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警控制器內(nèi)嵌入網(wǎng)絡(luò)或GSM模塊，使火災(zāi)控制系統(tǒng)得到升級(jí)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)感知層即溫度傳感器和煙霧傳感器等將數(shù)據(jù)傳送到火災(zāi)探測(cè)器，火災(zāi)探測(cè)器做出分析在現(xiàn)場(chǎng)以聲光形式做出預(yù)報(bào)警，并把相應(yīng)數(shù)據(jù)傳遞到火災(zāi)報(bào)警控制器，火災(zāi)報(bào)警控制器將相關(guān)火警信息轉(zhuǎn)發(fā)到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層即因特網(wǎng)或蜂窩移動(dòng)網(wǎng)上，數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用層，應(yīng)用層為業(yè)主手機(jī)端、物業(yè)平臺(tái)或消防局，即實(shí)現(xiàn)物業(yè)或消防聯(lián)動(dòng)。

圖1 火災(zāi)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從火災(zāi)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖得出，火災(zāi)報(bào)警控制器是整個(gè)火災(zāi)控制系統(tǒng)的核心，起著承上啟下的橋梁作用，負(fù)責(zé)探測(cè)器的信號(hào)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、同時(shí)執(zhí)行應(yīng)用層云端下達(dá)的控制命令。無(wú)論是火災(zāi)報(bào)警信號(hào)、故障信號(hào)還是巡檢正常，火災(zāi)報(bào)警控制器都將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層通信，應(yīng)用平臺(tái)則可以實(shí)時(shí)了解到各個(gè)火災(zāi)報(bào)警器的運(yùn)行狀態(tài)，掌握現(xiàn)場(chǎng)情況[4]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

按照?qǐng)D1的火災(zāi)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)硬件主要由監(jiān)控主機(jī)、移動(dòng)終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、火災(zāi)報(bào)警控制器、探測(cè)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。

3.1 應(yīng)用層硬件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層相當(dāng)于人的大腦，主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)層輸送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提供信息服務(wù)，滿足用戶的需求，關(guān)鍵性技術(shù)主要有大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等。該系統(tǒng)應(yīng)用層硬件主要是移動(dòng)終端設(shè)備和監(jiān)控主機(jī)，移動(dòng)終端設(shè)備主要是業(yè)主手機(jī)；監(jiān)控主機(jī)硬件由PC服務(wù)器組成，操作系統(tǒng)采用Windows10，監(jiān)控主機(jī)主要接收網(wǎng)絡(luò)層傳送上來(lái)的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)處理分析，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，將進(jìn)一步查看相應(yīng)地點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)確認(rèn)火災(zāi)的發(fā)生，第一時(shí)間下達(dá)控制命令，同時(shí)將與消防物業(yè)聯(lián)動(dòng)，向消防部門(mén)和物業(yè)發(fā)出報(bào)警信號(hào)等。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層硬件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲取的信息進(jìn)行傳輸，信息高速路，是架設(shè)在感知層與應(yīng)用層的信息通道，關(guān)鍵性技術(shù)主要有互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、Wi fi、ZigBee等[3]。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層硬件分為兩種，一種是采用有線傳輸，借助于光纖到桌面的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；另一種是無(wú)線傳輸，借助于基站的移動(dòng)通信設(shè)備。

3.3 感知層硬件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)感知層相當(dāng)于人的感官，利用RFID、傳感器、GPS定位等技術(shù)隨時(shí)隨地識(shí)別物體，采集信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的感知，關(guān)鍵性技術(shù)主要有RFID、傳感器、GPS定位、嵌入式系統(tǒng)等[3]。本系統(tǒng)感知層主要完成火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)環(huán)境的感知及現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)警，向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)層的控制指令。硬件主要有兩大模塊組成，即火災(zāi)控制器和探測(cè)器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，感知層硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

兩大模塊的微控制器都選用的是ATMEL公司的AT89C55WD單片機(jī)，自帶看門(mén)狗功能，帶20k的程序存儲(chǔ)器，它是整個(gè)感知層硬件的核心，一是對(duì)傳感器發(fā)送來(lái)的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的計(jì)算和處理工作，二是火災(zāi)控制器通過(guò)串行口發(fā)送數(shù)據(jù)，并以TCP/IP數(shù)據(jù)方式傳送到應(yīng)用層[5]，同時(shí)通過(guò)GPRS將火災(zāi)信號(hào)以短信的形式發(fā)送到業(yè)主手機(jī)上。

圖2 感知層硬件結(jié)構(gòu)圖

3.3.1 火災(zāi)探測(cè)器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

火災(zāi)探測(cè)器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)是感知層負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)聲光報(bào)警以及切斷電源操作等，主要由信號(hào)檢測(cè)、微控制器和聲光報(bào)警等模塊組成。

（1）信號(hào)檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊檢測(cè)的信號(hào)主要有火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的煙霧濃度、CO2氣體和環(huán)境溫度。煙霧濃度的檢測(cè)根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的不同地點(diǎn)，選用了不同類型的探測(cè)器，如小區(qū)地下車庫(kù)、樓梯間和走道選用的是光電感煙火災(zāi)探測(cè)器，住宅的客廳和臥室采用獨(dú)立感煙探測(cè)器，廚房安裝點(diǎn)型可燃?xì)怏w探測(cè)器[6]；CO2氣體的檢測(cè)采用S-100 CO2傳感器；環(huán)境溫度的檢測(cè)采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。

（2）聲光報(bào)警及執(zhí)行模塊

各信號(hào)檢測(cè)模塊檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換等將傳送到現(xiàn)場(chǎng)微控制器中，微控制器對(duì)這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理傳送，當(dāng)超出預(yù)定值，在控制現(xiàn)場(chǎng)將進(jìn)行聲光報(bào)警和執(zhí)行控制命令。報(bào)警方式主要通過(guò)LED指示燈和蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警，不同故障對(duì)應(yīng)不同的報(bào)警指示燈。同時(shí)對(duì)報(bào)警值還進(jìn)行了延時(shí)確定，若它們超出設(shè)定的延時(shí)時(shí)間，微控制器便會(huì)輸出執(zhí)行信號(hào)來(lái)關(guān)閉現(xiàn)場(chǎng)總電源開(kāi)關(guān)，即延時(shí)斷電，同時(shí)啟動(dòng)消防水泵， 提供消防用水來(lái)滅火。

3.3.2 火災(zāi)控制器

火災(zāi)控制器主要負(fù)責(zé)對(duì)火災(zāi)探測(cè)器傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳送，采用微控制器+以太網(wǎng)控制器+GSM的嵌入式服務(wù)器模式，功能相對(duì)簡(jiǎn)單。其硬件主要由五個(gè)模塊構(gòu)成：微處理器控制模塊、串口通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、GPRS模塊、看門(mén)狗模塊[5]。其中串口通信模塊主要負(fù)責(zé)火災(zāi)探測(cè)器與火災(zāi)控制器之間的通信；工業(yè)中通常以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)與Internet的互聯(lián)等。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三部分內(nèi)容：一是火災(zāi)探測(cè)器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)；二是火災(zāi)控制器的軟件設(shè)計(jì)；三是應(yīng)用層的軟件設(shè)計(jì)。

火災(zāi)探測(cè)器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、報(bào)警處理和串行通信等。信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換主要對(duì)采集到的煙霧濃度模擬信號(hào)通過(guò)程序轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；報(bào)警判定是軟件設(shè)計(jì)中的較重要部分，它通過(guò)對(duì)傳感器傳送上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比較、判斷并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，如果所接收到的數(shù)據(jù)超出設(shè)定值就以聲光報(bào)警的形式提醒現(xiàn)場(chǎng)；轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)將通過(guò)串行口傳送到火災(zāi)控制器端，主流程圖見(jiàn)圖3[4]。

圖3 探測(cè)器端信號(hào)判定及通信主流程圖

要執(zhí)行與連接Internet相關(guān)的功能，就要實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。由于嵌入式系統(tǒng)資源有限，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化的TCP/IP協(xié)議。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)鏈路層上采用RTL8019AS來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了保證通信的正常運(yùn)行，系統(tǒng)還采用了ARP應(yīng)答協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層上采用IP協(xié)議，還采用了能報(bào)告數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)等情況的ICMP協(xié)議；傳輸層采用傳輸控制協(xié)議TCP；應(yīng)用層傳遞來(lái)自以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)作打包拆包處理[7]。

火災(zāi)控制器軟件設(shè)計(jì)主要包括芯片的初始化、驅(qū)動(dòng)程序、協(xié)議棧以及網(wǎng)絡(luò)配置程序。初始化的主要任務(wù)是設(shè)置微處理器和外圍芯片的工作方式和端口配置等；驅(qū)動(dòng)程序主要針對(duì)以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS而編寫(xiě)，用于選擇工作方式和緩沖區(qū)的分配；網(wǎng)絡(luò)配置程序主要是給系統(tǒng)分配IP地址和域名[4]。

對(duì)于基于物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)用層云平臺(tái)要能接收網(wǎng)絡(luò)層傳送上來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析處理，并向消防主管部門(mén)報(bào)警和提供發(fā)生火災(zāi)的地點(diǎn)具體信息等；各網(wǎng)絡(luò)用戶也可以通過(guò)Internet訪問(wèn)應(yīng)用層服務(wù)器查詢系統(tǒng)內(nèi)各單位的火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息或歷史火災(zāi)信息等功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)，從現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警到數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳送，使得原有的單一的火災(zāi)報(bào)警控制器提升為網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)探測(cè)器、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)化；使得火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)更加快速地探測(cè)，多角度多層次的火災(zāi)監(jiān)控，提高了報(bào)警的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了智能化處理能力。