關(guān)于聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器應(yīng)用的思考

謝景榮，李寧寧

(1.陜西省消防總隊(duì)，陜西 西安 710018； 2.公安部沈陽(yáng)消防研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

關(guān)于聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器應(yīng)用的思考

謝景榮1，李寧寧2

(1.陜西省消防總隊(duì)，陜西 西安 710018； 2.公安部沈陽(yáng)消防研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器的全面推廣應(yīng)用，是有效防范“九小場(chǎng)所”以及社區(qū)、農(nóng)村居住場(chǎng)所火災(zāi)，尤其是遏制養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)及居家養(yǎng)老、“空巢老人”、分散養(yǎng)老特困人員等弱勢(shì)人群居住場(chǎng)所火災(zāi)的一個(gè)有效技術(shù)手段。分析了目前聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器的技術(shù)現(xiàn)狀，并以WiFi型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器為例，提出聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器的總體設(shè)計(jì)方案、硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，將為減少火災(zāi)事故、有效遏制“小火亡人”高發(fā)頻發(fā)的勢(shì)頭起到積極的作用。

獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器；聯(lián)網(wǎng)；消防安全

2015年，公安部、民政部、住建部、保監(jiān)會(huì)、老齡辦、殘聯(lián)等國(guó)家六部委聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于積極推動(dòng)發(fā)揮獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器火災(zāi)防控作用的指導(dǎo)意見(jiàn)》(公消〔2015〕289號(hào))，要求各地充分認(rèn)識(shí)獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器在火災(zāi)防控中的重要作用，鼓勵(lì)加大推廣力度，有效減少火災(zāi)事故發(fā)生。通過(guò)在全國(guó)各地推廣應(yīng)用獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器，對(duì)穩(wěn)控火災(zāi)形勢(shì)起到了一定的作用。但是從近幾年全國(guó)火災(zāi)形勢(shì)來(lái)看，社區(qū)、農(nóng)村居(村)民居住場(chǎng)所以及“九小場(chǎng)所”(小商場(chǎng)、小學(xué)校、小醫(yī)院、小餐飲場(chǎng)所、小旅館、小歌舞娛樂(lè)場(chǎng)所、小網(wǎng)吧、小美容洗浴場(chǎng)所、小生產(chǎn)加工企業(yè))火災(zāi)高發(fā)頻發(fā)，尤其是這些場(chǎng)所“小火亡人”事故多。2017年春節(jié)后的1個(gè)月時(shí)間，全國(guó)居(村)民居住場(chǎng)所共發(fā)生火災(zāi)1.3萬(wàn)余起，死亡117人，分別占火災(zāi)總起數(shù)和亡人總數(shù)的45%和66%，“九小場(chǎng)所”的火災(zāi)起數(shù)也一直居高不下。分析具體原因，一方面與這些場(chǎng)所火災(zāi)發(fā)生后報(bào)警晚、居住人員未及早采取滅火自救措施有很大關(guān)系，另一方面是這些場(chǎng)所中有的雖然安裝了獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器，但使用非聯(lián)網(wǎng)型的居多。這種探測(cè)器無(wú)法向外傳遞報(bào)警信號(hào)，雖然本室人知道，但仍不能避免“樓下著火，樓上亡人，樓上著火，樓下遭殃”的后果。尤其是隨著人口的老齡化，居家養(yǎng)老、“空巢老人”、分散養(yǎng)老特困人員家庭內(nèi)，行動(dòng)不便、反應(yīng)慢的老人即使聽(tīng)到報(bào)警，仍無(wú)法采取及時(shí)有效的滅火措施。聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器是基于WiFi、Zigbee、GSM、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出的，使獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器的作用發(fā)揮更加完善與可靠，大大提高了此類(lèi)場(chǎng)所的火災(zāi)早期預(yù)警水平。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，目前無(wú)線(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)為：433 MHz射頻、Zigbee和GSM。其中433 MHz射頻通信技術(shù)采用的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，具有信號(hào)繞射能力強(qiáng)、受障礙物干擾影響小的特點(diǎn)，一般情況下可以做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，室內(nèi)應(yīng)用距離約50 m左右，與Zigbee和WiFi的2.4 GHz通信以及GSM的900 MHz至2.0 GHz通信相比，具有很大的優(yōu)勢(shì)，而且433 MHz射頻通信技術(shù)設(shè)備的單個(gè)成本與系統(tǒng)整體成本都較其他方式低廉，架設(shè)簡(jiǎn)單。因此，對(duì)于建筑規(guī)模小，具有多個(gè)房間的場(chǎng)所，如“九小場(chǎng)所”，基于433 MHz射頻通信的無(wú)線(xiàn)式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以作為應(yīng)用首選，但是要發(fā)揮好系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，仍要借助WiFi或GSM通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)外通信。Zigbee技術(shù)在具有大規(guī)模節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)傳輸需求、且對(duì)信號(hào)傳輸及時(shí)性要求不高的場(chǎng)所應(yīng)用比較廣泛，但在建筑規(guī)模小的場(chǎng)所火災(zāi)探測(cè)方面，其大規(guī)模的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)無(wú)法得到發(fā)揮，反之由于其屬于通用Mesh協(xié)議架構(gòu)，協(xié)議復(fù)雜度高，維護(hù)難度大。GSM技術(shù)是手機(jī)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別適宜遠(yuǎn)程通信，在探測(cè)器分散距離較大，或者系統(tǒng)內(nèi)點(diǎn)數(shù)較少且需要遠(yuǎn)程傳輸?shù)膱?chǎng)所非常適宜，缺點(diǎn)是SIM卡運(yùn)營(yíng)成本較大，每個(gè)探測(cè)器都需繳納流量費(fèi)用，而且在建筑內(nèi)手機(jī)信號(hào)無(wú)法穿透的地方不能通信。

目前在物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等領(lǐng)域前瞻性研究方面，除比較先進(jìn)的5G無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)外，還有IPv6及 NB-IoT技術(shù)。IPv6除了可以使接入速率更高、傳輸和處理速度更快外，由于地址資源豐富，每個(gè)探測(cè)器都可以有一個(gè)唯一的IP地址，這樣就可以實(shí)現(xiàn)地址溯源，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對(duì)象身份識(shí)別和訪問(wèn)授權(quán)，能夠?qū)崿F(xiàn)安全傳輸，也使網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)聯(lián)網(wǎng)對(duì)象的控制更加精細(xì)，提供有序的管理、有效的運(yùn)營(yíng)和及時(shí)的維護(hù)。NB-IoT技術(shù)目前還沒(méi)有正式商用，在聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立感煙火災(zāi)探測(cè)器的使用上，NB-IoT具備三大優(yōu)點(diǎn)：一是覆蓋廣，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20 dB，覆蓋面積擴(kuò)大100倍；二是具備支撐海量連接的能力；三是功耗更低，NB-IoT終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年。這兩種新技術(shù)的發(fā)展對(duì)于改進(jìn)接入物聯(lián)網(wǎng)的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器也會(huì)起到重要作用。因此，在推廣應(yīng)用聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器時(shí)，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)所、對(duì)象、運(yùn)維方式的不同，選擇適合的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式。同時(shí)，應(yīng)緊跟5G、IPv6、NB-IoT等技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，使聯(lián)網(wǎng)型的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器更加完善。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)主要包括：核心主控芯片STM32，紅外煙霧探測(cè)模塊，聲光報(bào)警模塊和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。當(dāng)紅外煙霧探測(cè)模塊檢測(cè)到火災(zāi)煙霧時(shí)，會(huì)將報(bào)警信息發(fā)送給主控芯片，并由主控芯片向報(bào)警模塊發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。同時(shí)，報(bào)警信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送給用戶(hù)或控制中心。無(wú)線(xiàn)傳輸模塊可以用目前被廣泛使用的通信協(xié)議，例如WiFi、Zigbee、Bluetooth等。本設(shè)計(jì)以WiFi無(wú)線(xiàn)傳輸模塊為例。系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 紅外煙霧檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。這部分電路主要由紅外傳感器和主控芯片STM32通信連接，通過(guò)傳感器接收數(shù)據(jù)，由主控芯片完成煙霧濃度檢測(cè)及判斷算法，定時(shí)檢測(cè)濃度是否超標(biāo)。電路設(shè)計(jì)框圖，如圖2所示。

圖2 紅外煙霧檢測(cè)電路框圖

2.2.2 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)。此部分電路主要用于在檢測(cè)到煙霧濃度異?；螂姵氐蛪簳r(shí)，發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，對(duì)附近人群起到提示警告作用。電路設(shè)計(jì)框圖，如圖3所示。

圖3 聲光報(bào)警電路框圖

2.2.3 WiFi無(wú)線(xiàn)傳輸模塊設(shè)計(jì)。本無(wú)線(xiàn)模塊設(shè)計(jì)基于ESP8266無(wú)線(xiàn)模塊，通過(guò)串口與主控芯片通信，在發(fā)生報(bào)警時(shí)，主控芯片會(huì)通過(guò)WiFi模塊發(fā)送信息給用戶(hù)或控制中心。如圖4所示。

圖4 WiFi無(wú)線(xiàn)信息傳輸電路框圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 煙霧檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)。程序開(kāi)始時(shí)，先進(jìn)行初始化操作，之后進(jìn)入休眠。定時(shí)開(kāi)啟檢測(cè)煙霧，當(dāng)煙霧濃度超標(biāo)時(shí)，發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。具體軟件流程，如圖5(a)、(b)所示。

(a)主流程

(b)煙霧檢測(cè)流程

2.3.2 無(wú)線(xiàn)通信軟件設(shè)計(jì)。當(dāng)主控芯片檢測(cè)到煙霧濃度異常時(shí)，將煙霧報(bào)警通知信號(hào)通過(guò)WiFi發(fā)送給用戶(hù)或控制中心。具體軟件流程，如圖6所示。

3 應(yīng)用效果

從2016年6月起，在某公司的辦公樓、宿舍以及部分出租屋共安裝基于WiFi的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器531個(gè)，信號(hào)收集器74個(gè)，管理面積共計(jì)9 388 m2。

經(jīng)近1年的運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，如表1所示。表1中存在誤報(bào)率的主要原因是出租屋內(nèi)存在在探測(cè)器下做飯的情況，目前已解決。故障率主要是電池問(wèn)題、設(shè)備自身故障以及信號(hào)收集器由于斷電存在的探測(cè)器掉線(xiàn)問(wèn)題，由于“消防云”系統(tǒng)的存在，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)解決，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。通過(guò)小面積的試點(diǎn)證明，安裝基于WiFi的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器，可在火災(zāi)發(fā)生的初期階段發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式聯(lián)動(dòng)響應(yīng)，對(duì)周?chē)膱?bào)警器進(jìn)行預(yù)警，提示人員進(jìn)行疏散，同時(shí)可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備通知管理人員及相關(guān)部門(mén)幫助人員進(jìn)行疏散，及時(shí)把火災(zāi)告知該區(qū)域內(nèi)相關(guān)人員。

圖6 WiFi無(wú)線(xiàn)通信軟件流程圖

表1 系統(tǒng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表

4 前景與展望

聯(lián)網(wǎng)型的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器的檢測(cè)信號(hào)可傳入?yún)^(qū)域云端服務(wù)器或遠(yuǎn)程云端服務(wù)器的“消防云”，供物業(yè)管理部門(mén)、消防技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)或公安機(jī)關(guān)消防機(jī)構(gòu)指揮中心對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)場(chǎng)所的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)把火災(zāi)告知該區(qū)域內(nèi)相關(guān)人員，還可為消防救援人員和火因鑒定人員提供相關(guān)信息支持。此外，通過(guò)對(duì)云端大數(shù)據(jù)的處理與挖掘，可為研發(fā)新產(chǎn)品、提升產(chǎn)品性能提供數(shù)據(jù)支持，也為相關(guān)部門(mén)制定政策法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提供依據(jù)。由于不需要布線(xiàn)施工，目前的家庭住宅及各類(lèi)小場(chǎng)所增設(shè)聯(lián)網(wǎng)型的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)器非常方便，便于大面積推廣及使用。推廣實(shí)施后將使全國(guó)家庭住宅、各類(lèi)小場(chǎng)所的火災(zāi)防控工作提升到新高度，產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)不僅可提供“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的高端產(chǎn)品，還將提供可持續(xù)大數(shù)據(jù)時(shí)代的相關(guān)服務(wù)，拉動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)，提高地區(qū)安全等級(jí)和地區(qū)服務(wù)產(chǎn)業(yè)等級(jí)，為城鎮(zhèn)建設(shè)提供安全保障。

[1] 關(guān)于積極推動(dòng)發(fā)揮獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器火災(zāi)防控作用的指導(dǎo)意見(jiàn)：公消〔2015〕289號(hào)[Z].2015.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器：GB 20517—2006[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3] 郭鍵，王汝琳.火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23(2)：208-210.

[4] 疏學(xué)明，袁宏永，趙建華．光電探測(cè)器及其在火災(zāi)探測(cè)中的應(yīng)用[J]．消防科學(xué)與技術(shù),2002，21(1)：31-33.

[5] 李鵬.光電感煙火災(zāi)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2008(9):46-47.

[6] 單夫來(lái).智能型光電感煙火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)計(jì)[J].建筑設(shè)備控制與管理,2008,2(4):73-76.

[7] 孫爽．點(diǎn)型光電感煙火災(zāi)探測(cè)器的靈敏度[J]．消防科學(xué)與技術(shù)，2002，21(6)：39-41.

[8] 王殊，竇征.火災(zāi)探測(cè)及其信號(hào)處理[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1998.

(責(zé)任編輯 李 蕾)

Thoughts on the Application of Networked Stand-alone Smoke Detectors

XIE Jingrong1, LI Ningning2

(1. Fire Corps of Shanxi Province, Xi’an 710018, China; 2. Shenyang Fire Research Institute of the Ministry of Public Security, Liaoning Province 110034, China)

The wide application of networked stand-alone smoke detectors is an effective means to prevent fires in “nine small places”, communities, and rural residential places. In particular, it is an effective measure to curb fires in the residential areas with vulnerable people, such as pension service institutions, home care, empty nest elderly, and decentralized poor old people. This paper analyzes the technical status quo of the networked stand-alone smoke detectors, with stand-alone smoke detectors with WiFi as an example, and proposes the implementation process of overall design, hardware and software system for networked stand-alone smoke detectors in order to decrease fire incidents and effectively curb the high frequency of small fires causing casualties.

stand-alone smoke detectors; network; fire control safety

2017-04-16

謝景榮(1974— )，男，陜西鳳翔人，高級(jí)工程師； 李寧寧(1979— )，女，山東寧津人，副研究員。

TU892

A

1008-2077(2017)08-0059-04