基于區(qū)塊鏈技術(shù)與ZigBee技術(shù)的建筑消防系統(tǒng)

鐘瑋琦 武瑞佳 徐東英

摘 要：當(dāng)前我國大部分建筑的消防設(shè)施管理還停留在人工巡視的階段，且重點(diǎn)防火區(qū)域不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測，使得建筑缺乏高效、實(shí)時、智能的消防管理，極大地影響建筑消防安全。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、開放性、可溯源性、不可篡改性等特性。文中通過基于區(qū)塊鏈技術(shù)的特性，加以ZigBee技術(shù)和二維碼技術(shù)的輔助，建立一個具備信息可溯源性、不可篡改性和實(shí)時監(jiān)測功能的，應(yīng)用于建筑防火的消防評估系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈技術(shù);ZigBee技術(shù);二維碼;建筑防火;信息可溯源性;消防安全

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）09-00-04

0 引 言

我國建筑中都會安裝有消防栓、噴淋設(shè)備等裝置，并且會在特定區(qū)域放置干粉滅火器。但目前我國大部分的建筑，例如學(xué)校寢室和小區(qū)居民樓中，仍然采用的是人工巡查的消防設(shè)施管理方式。這種方式具有很多的弊端：手工記錄效率低下，檢查人員的工作量大;在某些檢查中，檢查人員全靠自己的經(jīng)驗(yàn)檢查，不同的檢查人員產(chǎn)生的誤差大;傳統(tǒng)人工的消防檢查，多數(shù)是依靠檢查人員手工記錄，不能及時上報消防巡檢結(jié)果;傳統(tǒng)人工檢查不能精確、完整地收集數(shù)據(jù)，例如記錄檢查時間、記錄檢查人員;在當(dāng)前的建筑消防檢查中，大多數(shù)的消防檢查流于形式，建筑管理人員無法準(zhǔn)確地評估建筑實(shí)時的消防安全能力;當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，有關(guān)部門很難從人工記錄的消防巡查記錄中找出火災(zāi)發(fā)生的原因;不能實(shí)時的監(jiān)測建筑內(nèi)重點(diǎn)防火區(qū)域的狀況。

由于建筑發(fā)生火災(zāi)屬于小概率事件，建筑內(nèi)部的大部分消防設(shè)施一般都處于長期不使用的狀態(tài)，這樣極有可能出現(xiàn)消防設(shè)施缺少維護(hù)的情況，例如消防栓閥門生銹、消防管網(wǎng)內(nèi)無水的情況。而當(dāng)火災(zāi)真正來臨的時候，這些小小的疏忽很可能會導(dǎo)致巨大的損失。建筑內(nèi)部某些容易失火的區(qū)域由于沒有進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對于建筑消防安全來說具有長期性、潛伏性的安全隱患。

1 系統(tǒng)技術(shù)概述

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種使用了分布式數(shù)據(jù)存儲、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、共識機(jī)制、加密算法等技術(shù)的集成式技術(shù)。它的核心技術(shù)是：密碼學(xué)、共識算法、網(wǎng)絡(luò)。區(qū)塊鏈的組成可以簡單的分為：交易、區(qū)塊、區(qū)塊鏈。簡單地說，交易是傳統(tǒng)記賬本中的1條記錄，區(qū)塊是記賬本中包含多條記錄的1頁，區(qū)塊鏈?zhǔn)前暾囗摰馁~本。每個區(qū)塊都具有區(qū)塊頭和區(qū)塊體，區(qū)塊頭中有：父區(qū)塊的哈希值、時間戳、Merkle樹根和區(qū)塊高度，而區(qū)塊體則是交易記錄。區(qū)塊頭可以根據(jù)哈希值連接前一區(qū)塊，這樣許多區(qū)塊連接在一起就形成了一個區(qū)塊鏈。識別不同區(qū)塊的方法就是通過不同區(qū)塊具備的不同哈希值和區(qū)塊高度。區(qū)塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

區(qū)塊鏈的運(yùn)作方式可以分為三種：鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)、圖狀結(jié)構(gòu)。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)使用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，下面只介紹鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中區(qū)塊由區(qū)塊頭和包含具體數(shù)據(jù)記錄的區(qū)塊體組成。區(qū)塊具體對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的操作是在Merkle樹根中，Merkle樹中的葉子節(jié)點(diǎn)為具體的數(shù)據(jù)記錄，非葉子節(jié)點(diǎn)是對應(yīng)的葉子節(jié)點(diǎn)的哈希值，而Merkle樹由哈希值構(gòu)成的，對于數(shù)據(jù)記錄的任何改變都會體現(xiàn)在Merkle樹根上，這樣可以很容易的知道數(shù)據(jù)是否被人為篡改。這是區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改特性，可以很好的運(yùn)用在本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方面，有效保證消防設(shè)備設(shè)備管理信息的數(shù)據(jù)安全性和數(shù)據(jù)可靠性。區(qū)塊頭中除了Merkle樹根值以外，還有表明每個區(qū)塊是獨(dú)一無二的信息（如哈希值）。區(qū)塊頭中的父哈希值用于連接前一個區(qū)塊，各區(qū)塊依據(jù)父哈希值以此連接形成區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，它適用于傳輸范圍短、數(shù)據(jù)傳輸速率低的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，是一種新興的短距離無線通信技術(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是低功耗、低成本、高容量。由于ZigBee技術(shù)自身的特點(diǎn)，它常被用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測、森林防火、家居物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要由三個部分組成，分別是協(xié)調(diào)器、路由器、終端。協(xié)調(diào)器是用來創(chuàng)建和配置網(wǎng)絡(luò)，路由器負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)和消息轉(zhuǎn)發(fā)，終端負(fù)責(zé)接收命令采集到數(shù)據(jù)并上傳。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三種星型、樹型、網(wǎng)狀型，如圖3所示。其中星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最簡單的一種，這種結(jié)構(gòu)主要由一個協(xié)調(diào)器和多個路由器和終端組成。在這種網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器可以和任何一個節(jié)點(diǎn)通信，而節(jié)點(diǎn)之間必須通過協(xié)調(diào)器才能進(jìn)行通信。樹型結(jié)構(gòu)主要采取是分級通信的方式，如果某個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)失效，其下屬的剩余節(jié)點(diǎn)需要重新組網(wǎng)，否則無法與網(wǎng)絡(luò)中其他正常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以通過多級跳的方式來進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性高，節(jié)點(diǎn)間通信靈活，但是功耗也相對較高。ZigBee協(xié)調(diào)器在組建網(wǎng)絡(luò)時，可以通過初始化一些參數(shù)，選擇不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.3 二維碼技術(shù)

二維碼（2-dimensional bar code），又稱二維條碼，它的技術(shù)原理是將形狀特定的幾何圖形按規(guī)律放置在二維平面上，用黑白相間的圖形記錄用戶需要的數(shù)據(jù)信息。二維碼使用計(jì)算機(jī)內(nèi)部的“0”“1”二進(jìn)制的基本邏輯，使用不同形狀的幾何圖形來與二進(jìn)制對應(yīng)，從而表達(dá)數(shù)據(jù)信息。

二維碼技術(shù)具備如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）可記錄信息多。二維碼技術(shù)是在二維平面上進(jìn)行信息記錄的，它可以容納500多個漢字。

（2）具備較強(qiáng)的容錯能力。當(dāng)二維碼表面出現(xiàn)少量污損和破壞時，依然可以正常識別。

（3）識別方式簡便。使用具備攝像頭功能的智能手機(jī)和移動終端即可識別。

（4）保密性高。可設(shè)置加密方式，對二維碼上的信息進(jìn)行加密。

（5）制作成本低，耐用性高。

（6）編碼范圍廣。二維碼技術(shù)可以將圖片、聲音、文字等信息進(jìn)行編碼。

由于二維碼技術(shù)具備以上這些特點(diǎn)，因此它非常適合應(yīng)用于當(dāng)前的建筑消防設(shè)備設(shè)施的管理中。建筑管理部門可以為建筑中的每一處消防設(shè)施與設(shè)備都制定一個唯一的二維碼，這樣巡查人員在巡查過程中能高效、快速、準(zhǔn)確地記錄消防設(shè)備設(shè)施的狀況，并且可以及時將這些信息上傳到建筑管理部門的終端，便于管理部門第一時間獲取建筑消防設(shè)備與設(shè)施的狀態(tài)，實(shí)時地對建筑的消防安全狀態(tài)進(jìn)行評估。

讀者可用手機(jī)等移動設(shè)備掃描圖4所示的二維碼，可以得到以下信息：

名稱：室內(nèi)消火栓。編號：Sy3-1。生產(chǎn)廠家：XX消防設(shè)備有限公司。最近檢查時間：2019年11月24日。最近檢查人：某某。所在位置：吉林建筑大學(xué)凈月校區(qū)11舍3樓。狀態(tài)：工作正常。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文主要是為了設(shè)計(jì)一個用于建筑防火的建筑消防評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能是：通過使用二維碼技術(shù)，讓巡檢人員便捷地將建筑內(nèi)部的消防設(shè)施狀態(tài)信息上傳到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)的儲存使用區(qū)塊鏈技術(shù)，保證數(shù)據(jù)的安全性、不可篡改性和準(zhǔn)確性，并且在建筑內(nèi)部的重點(diǎn)防火區(qū)域安裝ZigBee模塊和傳感器進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測，監(jiān)測的數(shù)據(jù)將實(shí)時上傳到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)的存儲方式也采用區(qū)塊鏈技術(shù)。數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過客戶端告知管理人員建筑內(nèi)部的消防安全情況，并進(jìn)行消防安全評估，讓管理人員可以及時知曉建筑的實(shí)際情況。倘若建筑發(fā)生了火災(zāi)，管理人員可通過傳感器上傳的信息快速判斷火災(zāi)發(fā)生的區(qū)域，并且在火災(zāi)發(fā)生后，管理人員能根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)可追溯的特性，準(zhǔn)確快速地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生的原因，可以高效準(zhǔn)確地解決責(zé)任歸屬問題。

系統(tǒng)主要由ZigBee模塊、區(qū)塊鏈技術(shù)、設(shè)備二維碼、GPRS模塊、Web服務(wù)器等部分組成。ZigBee終端模塊使用CC2530芯片連接傳感器，傳感器采集到的數(shù)據(jù)會通過協(xié)調(diào)器傳給ARM處理器，本系統(tǒng)中ARM處理器使用的是STM32F103處理器。之后數(shù)據(jù)通過GPRS模塊到達(dá)Web服務(wù)器，用區(qū)塊鏈技術(shù)把數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中。

系統(tǒng)具體運(yùn)作過程如下所示。

（1）數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集分為兩個部分，一部分是巡檢人員在現(xiàn)場檢查完消防設(shè)備后，利用手機(jī)掃描設(shè)備上的二維碼，將設(shè)備的狀態(tài)信息通過手機(jī)上傳到數(shù)據(jù)庫中;另一部分是ZigBee終端模塊的實(shí)時監(jiān)測，在容易失火的區(qū)域放置ZigBee模塊，可以實(shí)時監(jiān)測該位置的實(shí)際情況，將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊，上傳到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行儲存。

（2）數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的儲存方式都采用區(qū)塊鏈技術(shù)，有效的保證了數(shù)據(jù)的安全性、不可篡改性、可靠性。

（3）數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)，并對于建筑的消防安全進(jìn)行評估，如果某處區(qū)域數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，將通過客戶端告知管理人員需要及時進(jìn)行人為處理。

（4）數(shù)據(jù)溯源。當(dāng)建筑內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后，管理部門需要準(zhǔn)確快速地知道火災(zāi)的發(fā)生原因，并且確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生的責(zé)任歸屬。由于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲存使用的區(qū)塊鏈技術(shù)，可以保證數(shù)據(jù)具有可靠性和不可篡改性，管理部門只需要調(diào)出數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)即可進(jìn)行火災(zāi)原因調(diào)查工作。

（5）日常管理。管理人員可以通過客戶端，對于建筑的消防安全進(jìn)行便捷、高效的評估，并可對建筑的消防設(shè)施進(jìn)行完善的管理。巡檢人員在檢查消防設(shè)施時使用手機(jī)即可將設(shè)施狀態(tài)實(shí)時上報，減小巡檢的工作量。

3 案例分析

下面以吉林建筑大學(xué)的建筑消防管理為例，對上述系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用分析。通過實(shí)地調(diào)查得知吉林建筑大學(xué)存在的消防問題見表1所列。

由表1可知，吉林建筑大學(xué)建筑防火存在的問題在于：消防設(shè)施多，巡檢人員檢查流于形式;檢查周期過長，每次消防設(shè)施檢查間隔1月左右;人工檢查，使用紙制記錄工作量大，不便于管理;重點(diǎn)防火區(qū)域不能做到實(shí)時監(jiān)測。

根據(jù)圖5使用本系統(tǒng)對吉林建筑大學(xué)的消防問題進(jìn)行改進(jìn)，首先為每個消防設(shè)施都制作一個二維碼，這樣巡檢人員在檢查過程中可以使用手機(jī)直接上傳設(shè)施狀態(tài)。由于上傳的數(shù)據(jù)的存儲方式使用區(qū)塊鏈技術(shù)，每個數(shù)據(jù)的來源都可追溯至何人何時上傳，從而使得檢查工作不再流于形式，并且減少了手工記錄的工作量，方便管理部門管理建筑的消防設(shè)施。然后在重點(diǎn)的防火區(qū)域，安裝ZigBee終端進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，24 h保障易失火區(qū)域的消防安全，數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至數(shù)據(jù)庫中，管理部門可以實(shí)時得知這些易失火區(qū)域的實(shí)際情況，從而可以準(zhǔn)確地評估建筑的消防安全。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)使用二維碼技術(shù)，讓巡檢人員可以通過手機(jī)便捷地上傳消防設(shè)施的狀態(tài)，解決了巡檢人員手工記錄工作量大、管理部門難以整合記錄的難題。在建筑重點(diǎn)防火區(qū)域使用ZigBee模塊進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可以實(shí)時保障易失火區(qū)域的消防安全。數(shù)據(jù)的儲存采用區(qū)塊鏈技術(shù)，可以保證數(shù)據(jù)的可靠性、不可篡改性、可溯源性，有利于讓檢查工作不再流于形式，在火災(zāi)發(fā)生后有關(guān)部門也可第一時間確認(rèn)責(zé)任歸屬。將數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，管理部門可以直觀地通過客戶端實(shí)時了解建筑的消防安全，大大提高建筑的防火能力。

注：本文通訊作者為徐東英。

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