基于SIP協(xié)議的遠程消防報警系統(tǒng)設計

申學帥，張正華

(1.南京踏實信息科技有限公司，江蘇 南京 210006；2.揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127 )

0 引言

針對近年來森林火災、城市建筑火災頻發(fā)的問題，解決好火災的預防和報警成為了關鍵因素。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術在消防行業(yè)的落地生根將為火災的預防管控發(fā)揮重要作用。我國火災報警系統(tǒng)起步較晚，80年代才開始模仿或者引進國外技術，90年代得到迅猛發(fā)展?，F(xiàn)在，國內(nèi)使用的火災報警系統(tǒng)主要由火災探測器、聯(lián)動單元和控制器組成，其中火災探測器主要通過傳感器以及芯片探測環(huán)境中溫度或者濃度的變化，當煙霧濃度或者溫度達到一定范圍時，現(xiàn)場就會發(fā)出燈光和聲音的報警信號[1]。而國外已實現(xiàn)通過傳感器將報警信號發(fā)給消防指揮救援中心，實現(xiàn)遠距離火災報警[2]。利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術將現(xiàn)場的溫度以及濃霧狀態(tài)通過數(shù)據(jù)反饋出來實現(xiàn)火災的預警監(jiān)測機制，同時依靠遠程視頻核查功能進行事件的確認，能方便快捷的實現(xiàn)多級平臺上展現(xiàn)現(xiàn)場的各類溫感數(shù)據(jù)以及畫面，為決策消防救援提供有力的保障[3]。

1 系統(tǒng)方案

消防救援的重點在于預防監(jiān)測，而監(jiān)測就是要對現(xiàn)場的環(huán)境進行數(shù)據(jù)以及畫面的監(jiān)控，如圖1所示。本方案在消防監(jiān)測報警平臺上部署消防監(jiān)測服務器、應急指揮服務器和錄音錄像服務器等，通過互聯(lián)網(wǎng)或者專網(wǎng)連接火災監(jiān)測模塊、水源監(jiān)控模塊和應急指揮調度模塊，在應急指揮模塊下連接應急指揮中心和現(xiàn)場控制室。

圖1 消防報警系統(tǒng)架構

火災監(jiān)控檢測模塊：通過前方的物聯(lián)網(wǎng)感知模塊，感知現(xiàn)場的煙霧濃度變化。當濃度過高，指揮調度平臺會發(fā)出預警消息，值班人員可以遠程查看現(xiàn)場的視頻監(jiān)控，確定著火事件的準確性，核實相關事件后，將現(xiàn)場的音視頻消息上傳給上級平臺或者分發(fā)給決策機構。

水源監(jiān)測探測模塊：可以通過物聯(lián)網(wǎng)感知模塊實時給指揮中心傳達此時消防車、水源地的水資源儲存情況，了解消防栓設備是否正常，以及為消防救援提供水資源的支撐。

應急指揮調度模塊：連接監(jiān)控、執(zhí)法記錄儀、單兵等多種終端，通過此模塊基于一張圖實現(xiàn)音視頻的交互做到可視化指揮調度。

2 系統(tǒng)設計

2.1 平臺架構

系統(tǒng)采用SIP協(xié)議技術，它是在可視化應急指揮調度系統(tǒng)中使用最多的技術協(xié)議，相比較H.323協(xié)議，SIP協(xié)議可擴展性強、靈活性高[4]。SIP協(xié)議的消息機制采用C/S架構，通過將呼叫的控制封裝到消息的頭域中，實現(xiàn)消息的傳遞。對于具有智能化的SIP終端，不僅可以提供數(shù)據(jù)，還可以為呼叫提供控制信息，其他多數(shù)服務器則可以進行定位、轉發(fā)或接收消息的功能。這樣，SIP將網(wǎng)絡設備的復雜性推向了網(wǎng)絡終端設備，因此更適于構建智能型的用戶終端[5]。SIP多媒體應用服務器分為4個模塊，分別是：用戶與鑒權模塊、通信模塊、監(jiān)測模塊以及管理模塊。另外，平臺采用B/S架構，實現(xiàn)多點登錄[6]。

2.2 火災監(jiān)測模塊設計

傳統(tǒng)的線式火災報警器布線非常復雜，如果一個報警器出現(xiàn)故障，就需要耗費大量的人力、物力、財力。本文依靠物聯(lián)網(wǎng)和4G技術提出新一代報警器，它是4G監(jiān)控探頭和傳感器相結合的產(chǎn)物，無需布線，即插即用，感知火災報警，實現(xiàn)值班人員通過遠程監(jiān)控核實火災事件的準確性。

新型監(jiān)控報警器如圖2所示。

圖2 新型監(jiān)控報警器

4G網(wǎng)絡監(jiān)控探頭可以不依靠網(wǎng)線傳輸數(shù)據(jù)，極大較少因為火災導致線路被破壞而無法調閱視頻監(jiān)控的情況。該設備采用SIP協(xié)議，平臺側采用標準的SIP協(xié)議可實現(xiàn)網(wǎng)絡監(jiān)控探頭無縫與調度系統(tǒng)相結合，方便值班人員調度監(jiān)控參與視頻會商[7]；網(wǎng)絡傳輸采用4G技術，當前4G傳輸技術是長時間磨合最穩(wěn)定可靠的傳輸技術，通過4G模塊，可將現(xiàn)場的音視頻以及煙感數(shù)據(jù)傳輸給服務器[8]。

前端結構如圖3所示。視頻采集模塊將采集到的視頻傳輸給視頻壓縮模塊，視頻經(jīng)過壓縮后再傳輸給中央控制單元，中央控制單元再將煙感報警模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)一起打包發(fā)送給無線發(fā)射和接收模塊，經(jīng)過4G網(wǎng)絡傳輸給遠端服務器。

圖3 前端結構

煙感控制模塊使用的是MQ-2型煙霧傳感器，其工作原理是利用二氧化錫半導體氣敏材料，當MQ-2達到200 ℃～300 ℃時，二氧化錫吸附空氣中的氧，在其表面形成氧的負離子吸附層，造成電子密度減少，從而提高了其電阻值。遇到可燃氣體時原來吸附的氧被可燃氣體所消耗，以正離子態(tài)的可燃煙霧吸附在半導體表面，氧被結合放出電子，煙霧以正離子態(tài)吸附也會放出電子，使半導體帶電子密度升高，從而使其電阻值減小，這樣就可以通過檢測電阻轉換成的電壓信號來感知環(huán)境信息。當環(huán)境中的可燃氣體濃度下降后二氧化錫半導體又恢復到常態(tài)，電阻值升高到初始值[9]。

MQ-2傳感器用AD信號采集的方法將電壓信號轉化為數(shù)字信號，進而轉化為精確的煙霧濃度值。MQ-2傳感器的4腳、6腳的電壓為輸出信號，Rs為傳感器的本體電阻。當氣體濃度上升時，將引起Rs的下降。由于Rs的下降則會引起MQ-2的4腳、6腳對地輸出電壓的增大。因此，當氣體濃度增大時，它的輸出電壓也會增大，最終通過ADC0832轉換后數(shù)值增大[10]。將此模塊傳感器檢測的數(shù)據(jù)通過線纜傳輸給監(jiān)控探頭的中央處理單元，通過MESSAGE心跳消息攜帶檢測的數(shù)據(jù)值實時傳輸給服務器，達到火災監(jiān)測的目的。

2.3 水源監(jiān)控探測模塊

水壓傳感器結構如圖4所示。

圖4 水壓傳感器結構

在單晶硅片上擴散一個由R1，R2，R3，R4 組成的惠斯通電橋。將傳感器放入被測液體中，被測液使惠斯通電橋橋壁發(fā)生形變，從而使電阻值發(fā)生變化(壓阻效應)，得到差動電壓信號，用放大器將此信號量程轉化成標準模擬信號[11]。

水壓傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 水壓傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

模塊使用的芯片為AD7934，該芯片是4路模擬量輸入口，數(shù)據(jù)輸出口采用12 bit 并行數(shù)據(jù)輸出，使得采集系統(tǒng)不僅采集速率快而且采集到的數(shù)據(jù)精度高，有效地減少了采集誤差。FPGA模塊是控制的核心，當水壓傳感器投入被測液體中，輸出0～5 V的模擬電壓信號，采用A/D 轉換芯片，將模擬電壓信號轉化為數(shù)字信號，通過RS232 將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央控制模塊，此模塊可通過SIP協(xié)議注冊到服務器上，將水壓數(shù)據(jù)通過MESSAGE心跳消息傳送給服務器。

2.4 應急指揮調度模塊

此模塊主要功能是可視化指揮調度，其架構如圖6所示。

圖6 應急指揮架構

數(shù)據(jù)層主要接收底層的網(wǎng)絡資源、水資源信息。能力層主要對接現(xiàn)有的系統(tǒng)和設備進行相融合橫向擴展。應用層主要面向用戶的交互設計、報警設計等。值班室或者指揮中心通過電腦的瀏覽器登錄指揮調度臺實時查看現(xiàn)場的音視頻數(shù)據(jù)、煙感數(shù)據(jù)、水壓數(shù)據(jù)等，從而為消防救援提供便利[11]。

五大業(yè)務模塊：系統(tǒng)包含消防對講業(yè)務、人員/水源定位管理業(yè)務、一鍵視頻報警業(yè)務、綜合指揮調度業(yè)務和過程記錄追溯業(yè)務等五大業(yè)務模塊?？蓾M足各級消防主管部門和微消站的日常人員管理、值班值守、應急處突、現(xiàn)場巡查等各業(yè)務場景的通信需求[12]。

四級指揮層級：系統(tǒng)包含總隊、支隊、大隊和中隊等四級指揮層級。滿足各級指揮人員、值班人員在各種環(huán)境下的通信和應急指揮調度的能力[13]。

三層架構設計：系統(tǒng)包含平臺交互層(云)、業(yè)務管理層(管)和應用終端層(端)三層部署，基于Internet網(wǎng)絡部署[14]。

兩類終端形態(tài)：系統(tǒng)可提供大屏三防專用智能消防單兵和有線視頻報警終端兩種類型的終端，滿足不同崗位人員使用。

一體化調度界面：可通過一個可視化調度界面，實現(xiàn)群組對講、語音調度、會議調度、廣播調度、視頻調度、集中接警和人員定位管理等多媒體業(yè)務[15]。

3 結束語

本文實現(xiàn)了在基于SIP協(xié)議技術基礎之上，依靠物聯(lián)網(wǎng)技術，將視頻監(jiān)控連接上煙霧傳感器，將數(shù)據(jù)實時打包成SIP MESSAGE心跳消息通過4G網(wǎng)絡傳輸?shù)椒掌鞫耍?jīng)過數(shù)據(jù)的研判，從而觸發(fā)是否向指揮中心調度臺進行報警處理，根據(jù)報警情況進行視頻監(jiān)控核實，經(jīng)確認后，值班人員可查看水位傳感器數(shù)據(jù)通過應急指揮調度模塊實現(xiàn)上傳下達調度人力資源進行應急處置。系統(tǒng)適用于大型建筑或者森林防火當中，擺脫了對傳統(tǒng)有線連接的弊端，實現(xiàn)感知報警與視頻監(jiān)控相結合的模式，具有極高的實用價值。