基于物聯(lián)網(wǎng)的消防、安防報(bào)警系統(tǒng)研究＊

許海濤，許春香，蔣夢(mèng)新

（鄭州工程技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450044）

1 引言

建筑消防、安防探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是以維護(hù)公共安全為目的，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、智能信息處理、消防和安防等技術(shù)，為應(yīng)對(duì)造成人民生命財(cái)產(chǎn)安全重大危害的各類突發(fā)性事件，構(gòu)筑基于現(xiàn)代信息技術(shù)層面上的安全防范體系，研究消防、安防系統(tǒng)的險(xiǎn)情（消防、安防）評(píng)估、實(shí)時(shí)報(bào)警、聯(lián)動(dòng)控制和應(yīng)急處理等功能[1]。歐美國家在該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用較為成熟，其造成的損失和人員傷亡遠(yuǎn)低于我國。國內(nèi)在無線消防、安防系統(tǒng)方面的研究起步較晚，還未能形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，主要是一些大學(xué)（比如浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)等）的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)此領(lǐng)域進(jìn)行研究。

當(dāng)前，大部分消防、安防探測(cè)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能方面存在諸多問題，主要表現(xiàn)為：業(yè)務(wù)功能單一，系統(tǒng)內(nèi)部在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)通信信息的共享；設(shè)備安裝需要大量布線，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于系統(tǒng)的升級(jí)維護(hù)；系統(tǒng)的魯棒性差，某一部分功能損壞，會(huì)造成系統(tǒng)癱瘓等，其靈活性和可靠性亟待提高。因此，研究開發(fā)一種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化接口和基于無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的消防、安防系統(tǒng)尤為重要。

本文在對(duì)傳統(tǒng)的智能建筑消防、安防系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種基于無線物聯(lián)網(wǎng)的智能建筑消防、安防探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)?；赯igBee技術(shù)的無線物聯(lián)網(wǎng)有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，比如功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易組網(wǎng)、造價(jià)低和雙向通信等，廣泛地應(yīng)用在智能儀器設(shè)備、醫(yī)療衛(wèi)生和科學(xué)研究等領(lǐng)域。通過組建可靠的物聯(lián)網(wǎng)，來實(shí)時(shí)采集建筑物內(nèi)的消防、安防相關(guān)信息，經(jīng)過控制主機(jī)及時(shí)作出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估和設(shè)備動(dòng)作[2-4]，可以有效地避免有線傳輸系統(tǒng)的布線困難問題等。用戶隨時(shí)都可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程終端對(duì)建筑內(nèi)部消防、安防信息進(jìn)行監(jiān)控，掌握實(shí)時(shí)信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的消防、安防報(bào)警系統(tǒng)主要由控制主機(jī)、以太網(wǎng)模塊（W5500）、無線通信模塊、傳感器設(shè)備（消防、安防傳感器等）和光耦繼電器模塊等組成，如圖1所示。

圖1 總體框圖

該系統(tǒng)的工作原理為：設(shè)置于房間和走廊內(nèi)的消防、安防傳感器周期性地采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)（比如溫度、煙霧、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警按鈕是否閉合，檢測(cè)是否有非授權(quán)闖入等警情信息），傳輸至ZigBee終端設(shè)備，經(jīng)由無線路由設(shè)備把采集的現(xiàn)場(chǎng)警情信息經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器，然后將數(shù)據(jù)經(jīng)由協(xié)調(diào)器發(fā)送給控制主機(jī)；控制主機(jī)將數(shù)據(jù)運(yùn)算處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議傳送至以太網(wǎng)模塊（W5500），最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心電腦，監(jiān)控中心實(shí)時(shí)顯示處理后的數(shù)據(jù)。當(dāng)管理人員發(fā)出控制命令時(shí)，數(shù)據(jù)以同樣的方式逆向發(fā)送至數(shù)據(jù)采集終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。建筑物內(nèi)的消防、安防數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)與控制中心雙向通信的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地避免系統(tǒng)布線的煩瑣環(huán)節(jié)，有效地降低了后期的改造、升級(jí)和維護(hù)成本。

為了便于系統(tǒng)的操作和管理，遠(yuǎn)程訪問終端采用以太網(wǎng)通過Web網(wǎng)頁瀏覽器登錄消防、安防監(jiān)控系統(tǒng)主頁，隨時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)的消防、安防信息，并且實(shí)時(shí)存儲(chǔ)相關(guān)的信息。

2.2 控制主機(jī)

控制主機(jī)是系統(tǒng)的控制中樞，承擔(dān)資源管理、聯(lián)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)處理等。無線物聯(lián)網(wǎng)（主要設(shè)備包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的傳輸功能，它實(shí)時(shí)掃描和采集傳感器（消防/安防）信息，進(jìn)行綜合消防、安防評(píng)估，做到遇警情及時(shí)報(bào)。當(dāng)遇到危險(xiǎn)情況時(shí)，打開和控制攝像頭及時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的視頻信息并自動(dòng)記錄存儲(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)通過無線物聯(lián)網(wǎng)傳送至控制主機(jī)，經(jīng)由以太網(wǎng)模塊傳送到物聯(lián)網(wǎng)。遠(yuǎn)程控制中心通過以太網(wǎng)，能夠?qū)崟r(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

控制主機(jī)的CPU選擇的是意法半導(dǎo)體STM32F103芯片，采用了32位的RISC系統(tǒng)，其內(nèi)部構(gòu)架滿足ARM Cortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需求[6]，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代智能設(shè)備、生物醫(yī)藥和節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域。

2.3 以太網(wǎng)模塊

W5500是一款WIZnet公司推出的嵌入式以太網(wǎng)模塊，與控制主機(jī)之間通過SPI接口連接。該模塊的數(shù)據(jù)鏈路層、物理層均符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，并且芯片內(nèi)部繼承了TCP/IP硬件協(xié)議棧，因此能夠支持多種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。物理層內(nèi)部有10BaseT/100BaseTX的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)通信時(shí)支持自動(dòng)握手功能，峰值速率可達(dá)50 Mbit/s，并且配備具有RJ-45網(wǎng)絡(luò)模塊的接口，組網(wǎng)時(shí)僅使用超5類雙絞線就可以直接與以太網(wǎng)建立硬件互聯(lián)，便于后期的開發(fā)應(yīng)用。其通信接口如圖2所示。

圖2STM32與W5500硬件連接

2.4 無線通信模塊

無線物聯(lián)網(wǎng)通信通過ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。無線通信模塊主要包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。它們的功能各異，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)肩負(fù)著搭建局域網(wǎng)的重任；而終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)上電之后，以查詢的方式加入已經(jīng)組建好的無線網(wǎng)絡(luò)，共同組建完成的通信網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)選用的CC2530是TI公司一款經(jīng)典的、功能強(qiáng)大的無線通信芯片，能夠快速組建穩(wěn)定的無線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)近距離、低功耗和低速數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)傳輸。

2.4.1 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)組建和調(diào)度各節(jié)點(diǎn)的工作，與單片機(jī)（STM32）通過串口通信，如圖3所示，它利用調(diào)試工具設(shè)置工作所需的波特率等參數(shù)，通過串行端口與主機(jī)（STM32）通信。協(xié)調(diào)器的功能包括組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)、采集傳感器數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)的控制命令等，起到數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄鹤饔谩?/p>

圖3 協(xié)調(diào)器與STM32通信

2.4.2 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端與各種傳感器、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警模塊和控制模塊相連接，是智能型消防、安防報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制端。它需要實(shí)現(xiàn)的功能包括采集消防傳感器信息，判斷和評(píng)估是否存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；采集安防設(shè)備信息，判斷和評(píng)估是否有非法入侵現(xiàn)象，是否有報(bào)警模塊；通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)傳送傳感器采集的數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)等[7]。

3 軟件設(shè)計(jì)

智能消防、安防報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（協(xié)處理器、終端節(jié)點(diǎn)）的軟件設(shè)計(jì)、嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)等幾部分。控制主機(jī)主程序設(shè)計(jì)的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)消防、安防報(bào)警數(shù)據(jù)的處理響應(yīng)和安全評(píng)估，若處于危險(xiǎn)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。協(xié)處理器程序的功能涵蓋創(chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸、與單片機(jī)串口通信等；網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和數(shù)據(jù)的傳輸功能。

3.1 控制主機(jī)流程圖

控制主機(jī)是實(shí)現(xiàn)警情數(shù)據(jù)判斷、記錄和上傳功能的核心，其工作流程如圖4所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)采集到的各種警情數(shù)據(jù)（消防、安防）以無線傳輸?shù)男问桨l(fā)送至路由器、協(xié)調(diào)器，直至控制主機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電時(shí)開啟自檢功能，之后實(shí)現(xiàn)的功能包括搭建無線網(wǎng)絡(luò)、分配動(dòng)態(tài)地址給新加入的節(jié)點(diǎn)、接收轉(zhuǎn)發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)查詢控制主機(jī)發(fā)來的控制命令，并按照指令的類型執(zhí)行相應(yīng)的操作。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)開機(jī)初始化之后，以查尋的方式探測(cè)是否有ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在，如果有，發(fā)出請(qǐng)求加入；之后將采集的消防、安防傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。采集數(shù)據(jù)的過程是：主程序通過調(diào)用延時(shí)函數(shù)的方式等待讀取數(shù)據(jù)，完畢后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，完成消防、安防傳感器某一參數(shù)的采集。

圖4 控制主機(jī)流程圖

圖5 以太網(wǎng)模塊的軟件流程圖

3.3 以太網(wǎng)模塊軟件設(shè)計(jì)

W5500芯片作為以太網(wǎng)模塊的核心部件，集成了TCP/IP協(xié)議棧，其優(yōu)點(diǎn)在于芯片本身已經(jīng)集成了傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)通信協(xié)議。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，僅需要修改通信協(xié)議的參數(shù)初始化配置[7-8]，這樣大大縮短了開發(fā)周期。以太網(wǎng)模塊參數(shù)初始化配置后，以太網(wǎng)模塊開啟Socket服務(wù)，偵聽端口數(shù)據(jù)狀態(tài)是否連接成功。當(dāng)有數(shù)據(jù)待傳輸時(shí)，系統(tǒng)采用條件中斷觸發(fā)的方式完成數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。在完成收據(jù)收發(fā)后，以太網(wǎng)模塊自動(dòng)重新查詢和開啟Socket服務(wù)，進(jìn)入下個(gè)循環(huán)。圖5所示為以太網(wǎng)模塊的軟件流程圖。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分為硬件功能測(cè)試和軟件功能調(diào)試兩部分。硬件調(diào)試的目的是測(cè)試系統(tǒng)硬件的每一部分是否能正常工作，包括ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)硬件測(cè)試和STM32與嵌入式網(wǎng)關(guān)測(cè)試。軟件測(cè)試是在系統(tǒng)硬件正常工作的基礎(chǔ)上，分步測(cè)試軟件的功能能否實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的軟硬件功能滿足正常工作后，再通過以太網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試[9]。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)克服了目前建筑消防、安防系統(tǒng)無法資源共享和聯(lián)動(dòng)控制的缺點(diǎn)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（遠(yuǎn)程監(jiān)控）和嵌入式技術(shù)（以STM32為核心的控制器），設(shè)計(jì)了智能建筑消防、安防探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程報(bào)警功能。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、兼容性強(qiáng)、操作維護(hù)方便和應(yīng)用前景廣闊的優(yōu)點(diǎn)。