基于JN5139的無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖廣兵 陳有超 孫寧 陳勇

摘要：對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全方位、實(shí)時(shí)的環(huán)境因素監(jiān)測(cè)，充分掌握火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息，可以有效降低火災(zāi)發(fā)生時(shí)的人員傷亡概率，減少經(jīng)濟(jì)損失。研發(fā)以JN5139芯片為核心控制單元的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用Zigbee無線傳輸技術(shù)將多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)組織為無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可在家用供電電路損壞、密閉空間等極端環(huán)境中有效采集煙氣含量、濕度、溫度等數(shù)據(jù)，并由監(jiān)測(cè)主節(jié)點(diǎn)將相關(guān)數(shù)據(jù)匯總至監(jiān)測(cè)中心作進(jìn)一步分析處理，從而實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前區(qū)域的火災(zāi)態(tài)勢(shì)，指導(dǎo)火災(zāi)救援作業(yè)。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);JN5139模塊;Zigbee;無線傳感網(wǎng)絡(luò);實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

DOI：10.11907/rjdk.191742

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）012-0138-04

0引言

在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)等高危環(huán)境中，若缺乏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的評(píng)估而貿(mào)然采取救援行動(dòng)，將引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患。因此，在進(jìn)行火災(zāi)救援前，充分掌握現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況對(duì)保證相關(guān)人員人身安全具有重要意義。

傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警器功能較為單一，文獻(xiàn)[1]提出一種基于傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警器的預(yù)警方案，能在火災(zāi)發(fā)生初期及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。但監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)只是作為一個(gè)相對(duì)孤立的預(yù)警節(jié)點(diǎn)，沒有形成由點(diǎn)及面的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)整體火災(zāi)態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析，因此在火災(zāi)救援過程中難以很好地配合救援工作，且容易受到電路損壞等因素影響，監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性不佳。

近年來，在電子技術(shù)與信息技術(shù)迅猛發(fā)展的大背景下，火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐步形成了集信息采集、信息傳輸與信息分析功能三位一體的綜合性系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)更加智能化、集成化與系統(tǒng)化。

在信息采集方面，主流技術(shù)包括針對(duì)林場(chǎng)等大范圍監(jiān)測(cè)的紅外熱成像技術(shù)等，如文獻(xiàn)[2]研發(fā)了一種以紅外熱成像技術(shù)為核心的防火監(jiān)控體系，該體系在大空間區(qū)域防火監(jiān)控中具有明顯優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于局部災(zāi)情，特別是室內(nèi)等被建筑物遮擋的盲區(qū)監(jiān)測(cè)效果不佳;在信息傳輸方面，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脱訒r(shí)、高保真的傳輸要求一直是待突破的難點(diǎn)，目前的Zigbee技術(shù)基本能保證傳輸要求，未來的5G通訊技術(shù)也會(huì)是另外一個(gè)突破點(diǎn);在信息分析方面，如黃卓提出運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析方法，提高火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輔助決策能力。

本文設(shè)計(jì)的無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可在有線通訊線路損壞的情況下，以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為通訊平臺(tái)，將各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)匯總至災(zāi)情監(jiān)控部門，災(zāi)情監(jiān)控部門通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，進(jìn)而作出更合理的決策，為救援人員規(guī)劃最佳救援路線，以有效保障救援人員及受困人員安全。該系統(tǒng)成本低、實(shí)用性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)災(zāi)情監(jiān)控，從而降低救災(zāi)過程中的人員傷亡概率。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理

如圖1所示，無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為3個(gè)功能模塊：①監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)模塊，主要用于采集居民樓各區(qū)域的煙氣含量、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，以及轉(zhuǎn)發(fā)其它監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù);②監(jiān)測(cè)主節(jié)點(diǎn)模塊，其一方面具備長(zhǎng)距離傳輸信息的條件，可將監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)匯總并上傳至監(jiān)測(cè)中心，另一方面可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樓棟各節(jié)點(diǎn)煙氣含量、溫度及濕度三大環(huán)境因素，達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值時(shí)則觸發(fā)報(bào)警器;③監(jiān)測(cè)中心模塊，主要功能是接收來自監(jiān)測(cè)主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與處理，生成各節(jié)點(diǎn)溫度趨勢(shì)圖和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)整體環(huán)境質(zhì)量圖，供決策人員參考。

火災(zāi)發(fā)生初期，監(jiān)測(cè)主節(jié)點(diǎn)模塊根據(jù)接收自監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)的信息觸發(fā)樓棟火災(zāi)報(bào)警器，為居民爭(zhēng)取盡可能多的逃生時(shí)間，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至消防部門監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)生成火災(zāi)態(tài)勢(shì)分析圖，消防部門依據(jù)火災(zāi)態(tài)勢(shì)派遣消防人員及時(shí)到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。救援過程中，消防人員根據(jù)火災(zāi)態(tài)勢(shì)分析實(shí)時(shí)圖制定相應(yīng)救援方案，從而最大程度地降低人員傷亡。

2災(zāi)情監(jiān)測(cè)預(yù)警

相關(guān)研究表明，火災(zāi)最佳逃生時(shí)間僅有90。所以在建筑物內(nèi)外部建立一套全方位的實(shí)時(shí)災(zāi)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，才能為火災(zāi)逃生盡可能多地爭(zhēng)取時(shí)間?；馂?zāi)中，煙氣、缺氧和熱量三大因素是造成人員傷亡的主要原因。其中煙氣危害最大，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，火災(zāi)中85%以上的遇難者是由于火災(zāi)過程中吸入了煙塵及有毒氣體昏迷后而致死的;其次是缺氧給人體帶來的危害，當(dāng)氧氣在空氣中的含量由21%的正常水平下降到15%時(shí)，人體的肌肉協(xié)調(diào)能力會(huì)明顯受到影響;熱量相比前兩者對(duì)人體造成的傷害較小。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生跡象時(shí)，即煙氣、缺氧和熱量檢測(cè)值達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)則會(huì)觸發(fā)報(bào)警器。然后監(jiān)測(cè)中心會(huì)根據(jù)接收到環(huán)境數(shù)據(jù)，按照煙氣、缺氧、熱量三大因素對(duì)監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，生成火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境質(zhì)量圖。救援人員依據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境質(zhì)量圖選擇最佳的救援線路及救援方案，從而在有效節(jié)省救援時(shí)間的前提下盡可能提高救援質(zhì)量。

3硬件電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)的硬件電路主要包括：供電模塊、傳感電路、JN5139模塊、電路防雷保護(hù)電路，以及串口電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路。

3.1供電模塊設(shè)計(jì)

為預(yù)防火災(zāi)發(fā)生時(shí)電路損壞對(duì)火災(zāi)災(zāi)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)造成的影響，提高系統(tǒng)魯棒性，系統(tǒng)采用220V家用供電和蓄電池供電兩種供電方式。在使用220V家用供電時(shí)，接口采用電容濾波和U7LM1117穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，將波動(dòng)的家用電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的3.3V供電電壓。該電路具備防反接設(shè)計(jì)，通過D12二極管的單向?qū)щ娦?，保證只有在電源正接的前提下才能有效供電。蓄電池供電接口采用可充電式3.3V電池，同樣具備防反接設(shè)計(jì)。在保證蓄電池電量充足的前提下，供電模塊會(huì)優(yōu)先選擇220V家用供電接口。當(dāng)家用電路被火災(zāi)破壞時(shí)，則自動(dòng)選用蓄電池供電，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.2傳感電路設(shè)計(jì)

傳感電路負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號(hào)，是整個(gè)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，傳感電路設(shè)計(jì)與傳感器選型顯得尤為重要。本文在保證傳感電路性能的前提下，兼顧經(jīng)濟(jì)因素。由于煙氣含量監(jiān)測(cè)和氧含量監(jiān)測(cè)在功能上具有重復(fù)性，所以本系統(tǒng)傳感電路僅采用煙霧監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)該功能。另外采用一個(gè)集成的溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度與濕度數(shù)據(jù)采集。

3.3JN5139模塊

JN5139模塊基于標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4.Zigbee PRO規(guī)范，是一種近距離的雙向無線通訊芯片，其功耗、復(fù)雜度、數(shù)據(jù)傳輸率與成本均較低，具有短距離、多點(diǎn)、多跳、自動(dòng)組網(wǎng)的無線通訊特點(diǎn)。JN5139模塊通過D1012、D1013、D1014、D1015與傳感電路相連，經(jīng)過一定處理后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至下一節(jié)點(diǎn)。JN5139模塊最小系統(tǒng)如圖5所示。

4軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)主節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)。

4.1監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)的核心是通過向JN5139芯片寫入嵌入式代碼，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)初始化、信號(hào)調(diào)理、無線數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。監(jiān)測(cè)主節(jié)點(diǎn)程序根據(jù)接收自監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)的信息判斷當(dāng)前樓棟安全狀況，并將數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至監(jiān)測(cè)中心。

如圖6（a）所示，監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)接通電源時(shí)，主程序開始運(yùn)行并初始化網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)初始化成功后，監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)即開始采集相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)與主節(jié)點(diǎn)連接不良的子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后統(tǒng)一上傳至監(jiān)測(cè)主節(jié)點(diǎn)。在未接收到終止命令時(shí)，該過程會(huì)周而復(fù)始地進(jìn)行，以達(dá)到實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的要求。如圖6（b）所示，監(jiān)測(cè)主節(jié)點(diǎn)初始化流程與監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)一致。初始化成功后，開始接收來自監(jiān)測(cè)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理，判斷當(dāng)前樓棟安全狀況是否正常。若情況正常，則直接將數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)測(cè)中心;若發(fā)現(xiàn)異常，則先觸發(fā)樓棟報(bào)警器，再將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)中心。數(shù)據(jù)上傳完成后，若沒有得到終止命令，則跳轉(zhuǎn)至“接收子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)”步驟進(jìn)行下一輪循環(huán)。

4.2監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)

圖7為采用Visual Basic 6.0開發(fā)環(huán)境編寫的監(jiān)測(cè)中心軟件。監(jiān)測(cè)中心軟件根據(jù)接收自監(jiān)測(cè)主節(jié)點(diǎn)的信息，實(shí)時(shí)生成各節(jié)點(diǎn)溫濕度趨勢(shì)圖與樓棟整體火災(zāi)態(tài)勢(shì)分布圖，并根據(jù)需求進(jìn)行展示。例如，當(dāng)某一小區(qū)3號(hào)樓的2樓和3樓發(fā)生火災(zāi)時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)標(biāo)記發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，然后調(diào)出2樓的火災(zāi)態(tài)勢(shì)分布圖查看當(dāng)前火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)狀況。根據(jù)軟件顯示結(jié)果，1號(hào)出口比2號(hào)更加安全，可選為救援或逃生路線。

5結(jié)語

本文創(chuàng)新性地將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)態(tài)勢(shì)監(jiān)控中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在對(duì)煙氣含量、溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)與火災(zāi)態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可在火災(zāi)發(fā)生前及時(shí)預(yù)警，在火災(zāi)發(fā)生中可靠地傳輸并處理環(huán)境數(shù)據(jù)，供救援人員選擇最佳救援方案，從而有效提高救援質(zhì)量，減少人員傷亡。

未來可對(duì)該火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作進(jìn)一步優(yōu)化與完善，如將監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)集成至智能家居中，作為智能家居的一個(gè)附加功能，不僅有助于該技術(shù)的普及使用，還能節(jié)省安裝成本。另一方面，監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)除配合現(xiàn)場(chǎng)救援外，還可用于大數(shù)據(jù)分析，形成基于大數(shù)據(jù)的輔助決策系統(tǒng)，以降低人員主觀評(píng)價(jià)帶來的偏差。