基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧消防管控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周塑鎮(zhèn)

摘要：針對傳統(tǒng)消防管控系統(tǒng)在傳輸管控傳輸指令時，數(shù)據(jù)量丟失較多，導(dǎo)致管控系統(tǒng)的吞吐率較大，文章設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧消防管控系統(tǒng)并進行實現(xiàn)。硬件部分采用芯片STM32F103RC作為核心處理器，設(shè)計管控主控器結(jié)構(gòu)，采用8路結(jié)構(gòu)的LED電源驅(qū)動電路，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)電路結(jié)構(gòu)。軟件部分以SQL數(shù)據(jù)庫作為結(jié)構(gòu)支持，設(shè)計消防數(shù)據(jù)庫，以物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)作為基礎(chǔ)，采用自動化的方式，設(shè)定管控執(zhí)行流程，最終實現(xiàn)管控系統(tǒng)的管控功能。準備兩種傳統(tǒng)管控系統(tǒng)與設(shè)計管控系統(tǒng)進行測試，結(jié)果表明：所設(shè)計管控系統(tǒng)的吞吐率數(shù)值63.94%左右，吞吐數(shù)據(jù)的能力最強。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智慧消防管控系統(tǒng);管控傳輸指令;執(zhí)行流程

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用射頻識別作為信息傳感設(shè)備，在連接互聯(lián)網(wǎng)后，實現(xiàn)智能化識別管理。管控系統(tǒng)是指構(gòu)成管理行為的計劃[1]。在管理過程中，利用已存在的權(quán)責結(jié)構(gòu)，調(diào)配消防管控系統(tǒng)，能夠增強消防任務(wù)的效率。在消防管控系統(tǒng)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用先進的信息處理技術(shù)，綜合各項消防信息，不斷強化消防監(jiān)控策略，將原有消防管控系統(tǒng)處理為智慧化消防模式，將各個位置的消防信息處理為網(wǎng)絡(luò)資源，按照不同的區(qū)域建立多種消防數(shù)據(jù)庫，在多區(qū)域內(nèi)建立智慧化管控系統(tǒng)[2]。為此，設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧消防管控系統(tǒng)并實現(xiàn)其管控功能[3]。國外研究智慧消防管控系統(tǒng)較早，在嵌入式技術(shù)的支持下，使用傳感器技術(shù)采集各項消防數(shù)據(jù)，建立智慧控制過程。國內(nèi)研究智慧消防管控系統(tǒng)較晚，采用了開放式的集成接口，統(tǒng)籌消防管控任務(wù)后，實現(xiàn)對消防管控任務(wù)的調(diào)控。

1? 智慧消防管控系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1? 設(shè)計管控主控器結(jié)構(gòu)

消防管控具有調(diào)配功能，在設(shè)計主控器結(jié)構(gòu)時，采用芯片STM32F103RC作為核心處理器，設(shè)計的主控器結(jié)構(gòu)如下圖所示：

在上圖1所示的主控器結(jié)構(gòu)下，選用AC220V端子作為強電繼電器，調(diào)配驅(qū)動電路為達林頓驅(qū)動方式，并控制繼電器為反向感應(yīng)電動勢。在繼電器與核心控制芯片之間連接一個指示燈[4]。在控制器下層參考平面上，連接一根傳輸線，將該傳輸線作為微帶線。在控制器的底面設(shè)定一個銅面基面，保持主控器零件穩(wěn)定。無線連接模塊內(nèi)選定50Ω的銅線作為發(fā)射天線，在收發(fā)天線與主控芯片之間連接一個10K的電阻作為硬件電平轉(zhuǎn)換[5]。為了保持電阻連接線正常連接，在連接線上放置一個10K大小的電阻。在控制主控器的外部干擾時，在連接線與電阻之間放置一個下拉電阻?？刂破鏖_關(guān)采用光耦隔離的方案，連接前級導(dǎo)通電壓后，串聯(lián)一個1Ω的電阻。在RS485通訊接口處，連接PT4115的3號管腳，采用PWM調(diào)節(jié)方式，實現(xiàn)對主控器的管控。在設(shè)計主控器結(jié)構(gòu)后，構(gòu)建智慧電路結(jié)構(gòu)。

1.2? 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)電路結(jié)構(gòu)

在主控器結(jié)構(gòu)控制下，采用8路結(jié)構(gòu)的LED電源驅(qū)動電路，控制電路的驅(qū)動功率為8W，采用RA485通訊電路結(jié)構(gòu)連接主控器[6]。

在上述引腳功能下，控制引腳P1.0連接一個物理網(wǎng)型的集控器，連接一個SPI總線后，在總線外部連接4個引腳，并在SCK腳上串聯(lián)一個8位串行移位寄存器。定義引腳P1.1為互聯(lián)型接口后，連接一個型號為LM2596S的集成器，在穩(wěn)定電路的輸出電流數(shù)值后，固定電路的輸出電壓數(shù)值，平衡電路的精度。連接TCP的端口后，連接一個卡接口，串行一個大容量的儲存端口。管控硬件設(shè)計完畢后，搭建智慧消防管控系統(tǒng)軟件。

2? 智慧消防管控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1? 設(shè)計消防數(shù)據(jù)庫

智慧化的消防數(shù)據(jù)庫以SQL數(shù)據(jù)庫作為結(jié)構(gòu)支持，以消防報警信息、用戶信息以及功能操作作為管控對象，對應(yīng)管控字段名稱，定義消防數(shù)據(jù)類型，形成的信息表如下表1所示：

按照上表1所示的數(shù)據(jù)庫信息表處理采集得到的各項管控數(shù)據(jù)，在物聯(lián)網(wǎng)型控制器內(nèi)規(guī)定不同消防數(shù)據(jù)的設(shè)備地址，并將識別得到的數(shù)據(jù)歸納為規(guī)約，以數(shù)值01的數(shù)據(jù)包作為消防設(shè)備的管控功能碼，對應(yīng)不同的字段，形成多個管控數(shù)據(jù)包格式。當管控碼變換為06時，表明數(shù)據(jù)庫中的消防數(shù)據(jù)收集完畢。消防數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計完畢后，實現(xiàn)管控系統(tǒng)的管控功能。

2.2? 管控功能實現(xiàn)

在實現(xiàn)管控功能時，使用物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的體系架構(gòu)作為基礎(chǔ)，采用自動化或半自動化的方式，設(shè)定一個流程執(zhí)行過程。在該過程內(nèi)，使用JAVA編程建立一個責任邏輯關(guān)系，設(shè)定不同的閾值作為等級劃分的節(jié)點，由消防管控單位負責人確認保密管理制度。在管控系統(tǒng)登錄時，根據(jù)不同任務(wù)的閾值大小，設(shè)定管控任務(wù)的優(yōu)先級。在管控內(nèi)網(wǎng)中接入CoAP服務(wù)，利用該服務(wù)連接一個VPN網(wǎng)關(guān)。為了消除單行消息列隊對消防數(shù)據(jù)交互產(chǎn)生的延誤，采用Topic規(guī)范的方式下發(fā)管控命令，將相同管控時間周期內(nèi)的指令規(guī)范為一個管控下發(fā)流程，在每個下發(fā)流程內(nèi)，添加不同的序列號，控制管控指令數(shù)據(jù)傳輸過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失。當設(shè)備端準確接收到數(shù)據(jù)ACK包之后，采用兩次網(wǎng)絡(luò)握手的方式，實現(xiàn)系統(tǒng)的管控功能。綜合上述處理過程，最終完成對基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧消防管控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

3? 仿真實驗

3.1? 實驗準備

準備兩臺服務(wù)器作為系統(tǒng)承載設(shè)備，內(nèi)置WinServer 2014操作系統(tǒng)后，設(shè)定系統(tǒng)的軟件運行環(huán)境。

調(diào)用消防管控的調(diào)光控制策略，調(diào)用管控系統(tǒng)中的燈光模塊，設(shè)定燈光的調(diào)光參數(shù)如表2所示，選定3個LED燈管進行管控，設(shè)定燈光的管控方式以及命令發(fā)送次數(shù)。

在上表所示的燈光參數(shù)下，設(shè)定燈光的管控方式以及命令發(fā)送次數(shù)，設(shè)定的測試管控命令如下表3所示：

根據(jù)設(shè)定的管控命令參數(shù)，組合不同參數(shù)的照明信息進行測量，準備兩種傳統(tǒng)管控系統(tǒng)以及所設(shè)計管控系統(tǒng)進行實驗，調(diào)試三種管控系統(tǒng)的參數(shù)后，對比三種管控系統(tǒng)的性能。

3.2? 結(jié)果及分析

基于上述實驗準備，調(diào)用設(shè)定的管控命令后，根據(jù)數(shù)據(jù)管控類型獲取不同類型的原始數(shù)據(jù)，設(shè)定數(shù)據(jù)上傳周期后，對應(yīng)管控指令名稱，以燈光管控時間周期作為統(tǒng)計周期，向三種管控系統(tǒng)發(fā)送10～150k的數(shù)據(jù)集，以三種管控系統(tǒng)的響應(yīng)時間作為對比指標，最終實驗結(jié)果如下表4所示：

由上表4所示的實驗結(jié)果可知，在三種管控系統(tǒng)的控制下，傳統(tǒng)管控系統(tǒng)1平均響應(yīng)時間在4.4912s左右，管控系統(tǒng)的響應(yīng)時間較長，傳統(tǒng)管控系統(tǒng)2的平均響應(yīng)時間在6.144s左右，實際的管控時間最長。而設(shè)計得到的管控系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間在2.2614s左右，與設(shè)計的管控系統(tǒng)相比，所設(shè)計的管控系統(tǒng)的響應(yīng)時間最短。

保持上述實驗環(huán)境不變，準備500k的數(shù)據(jù)集作為處理對象，重復(fù)上傳15次數(shù)據(jù)集后，以一項數(shù)據(jù)集作為一次上傳方案，統(tǒng)計三種管控系統(tǒng)可接收的數(shù)據(jù)集，定義管控系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)據(jù)集之比為系統(tǒng)的吞吐率，在三種管控系統(tǒng)處理下，三種管控系統(tǒng)最終的吞吐率結(jié)果如下表5所示：

在三種管控系統(tǒng)控制下，重復(fù)向管控系統(tǒng)發(fā)送相同大小的數(shù)據(jù)集，根據(jù)上述定義的吞吐率數(shù)值，計算統(tǒng)計得到的數(shù)值，傳統(tǒng)管控系統(tǒng)1平均吞吐率在25.83%左右，管控系統(tǒng)的吞吐率最小。傳統(tǒng)管控系統(tǒng)2的平均吞吐率數(shù)值在42.42%左右，該種管控系統(tǒng)的吞吐率數(shù)值較大。而設(shè)計得到管控系統(tǒng)的平均吞吐率數(shù)值在63.94%左右，與兩種傳統(tǒng)管控系統(tǒng)相比，所設(shè)計的管控系統(tǒng)的吞吐率數(shù)值最大，管控系統(tǒng)的吞吐率最大。

4? 結(jié)語

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展下，研究構(gòu)建智慧型的管控系統(tǒng)逐漸成為了研究熱點。設(shè)計并實現(xiàn)智慧消防管控系統(tǒng)，能夠改善傳統(tǒng)管控系統(tǒng)吞吐率較小的不足，能夠為今后設(shè)計管控系統(tǒng)提供研究基礎(chǔ)，但所設(shè)計的消防管控系統(tǒng)并未對消防設(shè)備進行改善優(yōu)化，在使用性能上還需不斷研究改進。

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Design and implementation of intelligent fire control system based on internet of things

Zhou Suzhen

Baihe County Fire and Rescue Section of Ankang Municipal

Abstract：In view of a large amount of data loss when the traditional fire control system transmits control transmission instructions， which leads to a larger throughput rate of the control system. The paper designs and implements a smart fire control system based on the internet of things. The hardware part uses the chip STM32F103RC as the core processor， designs the control main controller structure， and uses the 8-channel structure of the LED power drive circuit to construct the internet of things circuit structure. The software part uses SQL database as the structural support， designs the fire control database， uses the internet of things system architecture as the basis， adopts an automated way， sets the control execution process， and finally realizes the control function of the control system. Two traditional control systems and designed control systems are prepared for testing. The results show that the throughput rate of the designed control system is about 63.94%， and the data throughput capacity is the strongest.

Keywords： internet of things; intelligent fire control system; control transmission instructions; flow of execution