基于Docker的小區(qū)智慧消防系統(tǒng)設計與實施

胡智喜

(常州工學院,計算機信息工程學院,江蘇,常州 213032)

0 引言

隨著無線傳輸技術、傳感器技術、物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展,消防產(chǎn)業(yè)也經(jīng)歷了幾次變革,目前國內(nèi)很多小區(qū)正逐漸走上智能化的道路[1-2]。

如何通過物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術建立合理的架構有效地管理城市小區(qū)的安全是我國工業(yè)界、學術界研究的重要課題。我國每年發(fā)生的火災次數(shù)仍很多,很多火災造成的損失都是觸目驚心的。究其原因是消防設備的多樣化不能及時采集到問題報警信息的發(fā)生并做出快速響應和處理[3]。消防監(jiān)控和管理仍依賴于特定的場景、安全員、消防設備以及其監(jiān)管部門,面對小區(qū)環(huán)境復雜、用戶眾多、消防設備多樣性、物業(yè)事務多的環(huán)境,傳統(tǒng)概念的消防管理無法實現(xiàn)多場景、多系統(tǒng)的信息共享,火警信息難以快速傳達和響應[4]。

基于以上現(xiàn)狀,本文以IoT技術為載體,建立小區(qū)智慧消防系統(tǒng)用于監(jiān)控、管理整個小區(qū)的消防設施,對消防險情做出智慧預警和自動上報。它能夠連接現(xiàn)場消防設施、小區(qū)監(jiān)控中心和遠程城市消防管理中心,在消防險情狀況出現(xiàn)時快速響應,更好地預防和杜絕火災險情的發(fā)生。

1 通用IoT消防系統(tǒng)架構

目前,通用IoT消防系統(tǒng)架構采用終端采集模塊和執(zhí)行器+數(shù)據(jù)傳輸模塊+IoT云平臺+用戶層App客戶端的整體框架,由微控制器為主控智能終端,外接溫濕度傳感器、煙霧傳感器、電壓傳感器、管壓傳感器、蜂鳴報警器和繼電器控制噴水裝置。采用無線傳輸技術,使用IoT云平臺,結合手機用戶App組成。通常情況下,整個IoT消防系統(tǒng)分為終端層、傳輸層、平臺層以及用戶層[5]。圖1為通用IoT消防系統(tǒng)架構圖。

圖1 通用系統(tǒng)架構圖

(1) 終端層。終端層是整個系統(tǒng)的基礎載體,系統(tǒng)終端主要由主控芯片、感知采集模塊和終端執(zhí)模塊組成,根據(jù)需求可以選用高端Arm-Cortex芯片或者低端8位單片機?，F(xiàn)場模塊通常包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、電壓傳感器、管壓傳感器、蜂鳴報警器、繼電器、報警燈、攝像頭等,負責數(shù)據(jù)的采集和命令的執(zhí)行,使得終端可控、可管、可互通[6]。

(2) 傳輸層。傳輸層是整個系統(tǒng)實現(xiàn)通信的基礎,是設備可以穩(wěn)定互通的前提。系統(tǒng)可采用NB-IoT、Bluetooth、LoRa、ZigBee等無線傳輸技術。這些無線技術有不同的功耗、成本、連接節(jié)點數(shù)、覆蓋范圍,可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集需求進行選擇。合適的無線組網(wǎng)技術的選用可以保證在復雜的外界環(huán)境下維持數(shù)據(jù)的高穩(wěn)定性和高可靠性[7]。

(3) 平臺層。平臺層是實現(xiàn)通信管理、數(shù)據(jù)分析和設備運作的基礎,當前可選擇的IoT云平臺有很多,比如阿里云平臺、騰訊云平臺、微軟云平臺等。云平臺的特點是平臺可以提供靈活高效的數(shù)據(jù)管理,包括數(shù)據(jù)采集、分類、結構化存儲、調(diào)用和數(shù)據(jù)分析。通過靈活編排的UI界面實現(xiàn)監(jiān)督管理,同時連接網(wǎng)絡模塊和用戶App協(xié)同實現(xiàn)命令下發(fā)和數(shù)據(jù)的傳輸[8]。

(4) 用戶層。為了滿足系統(tǒng)更智能、更高效、更便捷的目標,一般提供移動終端App接口,用戶可以通過App隨時隨地獲取設備信息和報警信息,及時了解目標區(qū)域周邊消防設備的狀態(tài)和隱患。

2 小區(qū)智慧消防系統(tǒng)硬件搭建

基于IoT的小區(qū)智慧系統(tǒng)硬件部分由現(xiàn)場設備、主控制器、無線傳輸模塊組成?，F(xiàn)場設備主要包含溫濕度傳感器、煙感傳感器、管壓傳感器、電壓傳感器、繼電器(噴水)、蜂鳴器、揚聲器、顯示屏、攝像頭等終端硬件設備。主控制器采用2種處理器?；贏rduino平臺的ATmega328,這是8位CPU,主要用于現(xiàn)場信號采集、IO狀態(tài)讀取、溫度壓力等模擬量的讀取。因為采集數(shù)據(jù)量占用比較大的帶寬等資源,如聲音、圖像和視頻數(shù)據(jù),所以同時選擇了另一款基于Rasp-Berry Pi的ARM Cortex-A72的Broadcom BCM2711的CPU,這是采用64位1.5 GHz四核的處理器,可以滿足高端需求。這2種開發(fā)平臺是很多創(chuàng)客首選的IoT設備開發(fā)平臺[9]。

對于無線傳輸模塊的選取,基于表1給出的各種IoT無線組網(wǎng)方式、傳輸距離、傳輸速度等項目的比較,最終選擇了NB-IoT、ZigBee、Wi-Fi的混合組網(wǎng)方式。使用Wi-Fi主要為了傳輸視頻、聲音、圖像等大容量信息,因為Wi-Fi在速度上具有得天獨厚的優(yōu)勢,在小區(qū)布置無線路由器的區(qū)域可以使用Wi-Fi組網(wǎng)進行通信,用來實時監(jiān)控目標小區(qū)的一些消防重點區(qū)域,比如配電室、大堂、安全門等區(qū)域的狀態(tài)。

表1 常用IoT無線組網(wǎng)方式比較

基于以上分析,采用的系統(tǒng)硬件組成如圖2所示?，F(xiàn)場設備包括低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)臏貪穸葌鞲衅?、煙感傳感器、管壓傳感器、電壓傳感器、繼電器(噴水)、蜂鳴器和高數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膿P聲器、顯示屏、攝像頭等。對于低數(shù)據(jù)量采集的信息通過Arduino平臺選用基礎的ATmega328芯片,而高數(shù)據(jù)量的信息采集通過基于ARM Cortex-A72架構的RaspBerry Pi 4B,其CPU采用博通的BCM2711。這款高性能處理芯片可以輕松地處理視頻和聲音信息,同時通過其自帶的嵌入式Linux系統(tǒng)也可以完成Wi-Fi組網(wǎng)。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

3 基于Docker的云平臺搭建

云平臺是整個智慧消防系統(tǒng)網(wǎng)絡服務的基石,它負責管理服務器集群資源,分配、調(diào)度邏輯和物理資源以提供便于移植的跨平臺的應用運行環(huán)境。云端底層物理設備即服務器集群,它由現(xiàn)有的基礎設施即服務(IaaS)平臺提供,在技術上選用基于Docker的容器技術來搭建云平臺[10]。

3.1 云平臺搭建

基于Docker的容器技術相對于傳統(tǒng)的虛擬機技術,具有啟動速度更快、占用空間更小、系統(tǒng)性能更強等優(yōu)點,對于單個服務器單機可以運行上千個容器,而傳統(tǒng)的虛擬機一般單機只能運行幾十個。所以,在項目中選用基于Docker的容器技術搭建小區(qū)智慧消防系統(tǒng)的云平臺。

Docker的先進性在于其像集裝箱一樣的組織軟件,可以使資源得到更好的合理利用,更加細致化,運行效率也得到了提升。基于Docker的技術和開源的Kubernetes技術使集群資源虛擬化,通過對容器的編排、調(diào)度等服務管理服務器集群資源。在硬件資源的基礎上,通過持續(xù)集成(CI)、持續(xù)交付(CD)等開源技術工具部署鏡像倉庫,代碼倉庫在云端構建整個基礎設施層,提供應用運行支撐環(huán)境。圖3為基于Docker的云平臺搭建框架結構圖。

圖3 基于Docker的云平臺搭建

3.2 應用構建

圖4為基于Docker的小區(qū)智慧消防系統(tǒng)應用構建,類似于圖1的通用型架構。終端層主要完成消防設備數(shù)據(jù)的采集,為了便于數(shù)據(jù)收集,其中使用了二維碼標簽進行設備識別。云端平臺層和現(xiàn)場設備終端層之間通過傳輸層進行傳輸,智能嵌入式IoT節(jié)點和網(wǎng)關通信基于MQTT協(xié)議開發(fā),通過整個智能感知網(wǎng)絡在建筑消防設施上部署節(jié)點采集信息[11]。消防設備相關的狀態(tài)和信息,比如開關狀態(tài)、水壓、液位、電量等都會被采集,然后封裝成MQTT協(xié)議格式傳到云端。消防設施信息的識別通過二維碼標識可以由用戶通過手機App進行識別完成設備的認證、保養(yǎng)、盤點、巡檢、維修等信息的采集?；贛QTT協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸模式使應用層構建模塊化更加方便靈活。云端和現(xiàn)場終端的數(shù)據(jù)傳輸主要基于NB-IoT和Wi-Fi傳輸,而ZigBee用于內(nèi)部節(jié)點傳輸。

圖4 基于Docker的小區(qū)智慧消防系統(tǒng)應用構建

平臺層是在云端資源的搭建形式,采用基于Docker的容器形式搭建。

用戶層也稱應用層,負責用戶界面的交互以及后臺數(shù)據(jù)的接收、處理和存儲,向用戶提供軟件即服務(SaaS)形式的小區(qū)智慧消防系統(tǒng)的云服務,主要功能有可視化實時監(jiān)測、消防設備監(jiān)控與管理、地理信息系統(tǒng)(GIS)分布信息、輔助決策、智能維保等。整個應用層基于微服務的架構形式開發(fā),這種架構具備穩(wěn)定性強、擴展性好、擴充靈活的優(yōu)點。用戶接入平臺可通過Web、App等形式訪問云地址完成服務。

4 與城市消防管理中心的連接

依據(jù)城市消防遠程監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范(GB50440-2007),同時結合現(xiàn)場要求,小區(qū)智慧消防系統(tǒng)與城市消防管理中心的連接如圖5所示。

前端聯(lián)網(wǎng)設備對應圖4中的現(xiàn)場終端層,在與城市消防管理中心的連接圖中它們被劃分為兩類:監(jiān)控裝置和處理裝置。監(jiān)控裝置用于收集消防相關信息,處理裝置用于對異常消防狀態(tài)進行自動處理。

對于小區(qū)原有的火災自動報警設備和消防安全設備,如果帶有信息傳輸線路,則連接信號傳輸?shù)街骶€路與小區(qū)監(jiān)控中心連接。對于一些沒有網(wǎng)絡傳輸接口的、老舊的消防設施、傳感器等,進行改造或者更換,使小區(qū)的所有消防設施都能進行物物互聯(lián),把采集到的信息上傳到小區(qū)監(jiān)控中心。

小區(qū)監(jiān)控中心是小區(qū)內(nèi)部的消防信息管理中心,前端聯(lián)網(wǎng)設備的信息采集將匯總到小區(qū)監(jiān)控中心。小區(qū)監(jiān)控中心的報警受理系統(tǒng)可以快速上報嚴重警情到城市消防管理中心,同時通過GIS定位系統(tǒng)自動發(fā)送位置信息,使消防管理中心可以快速獲取消防報警情況。小區(qū)監(jiān)控中心針對一些重點防控區(qū)域通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)控,另外監(jiān)控中心還會收集小區(qū)內(nèi)部的消防設備狀況、問題處理情況等數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),用于后期數(shù)據(jù)追溯、查詢和分析。

城市消防管理中心指遠端消防部門指定的專業(yè)消防救援管理機構或經(jīng)營單位,負責接受報警系統(tǒng)的求助信息并及時做出處理。報警受理系統(tǒng)與前端聯(lián)網(wǎng)設備包括消防監(jiān)控裝置和處理裝置相連,接收報警主機上傳的報警和故障信息。城市消防管理中心通過專用網(wǎng)連接小區(qū)監(jiān)控中心報警受理系統(tǒng)獲取小區(qū)火災報警信息并連接到城市消防出警中心安排消防救助。信息查詢系統(tǒng)連接到公安消防管理部門可通過云端進行消防設備狀態(tài)或者出警信息的查詢。信息服務接口僅提供給特定的管理機構,小區(qū)業(yè)主可通過PC或手機進行信息查詢。

5 系統(tǒng)實施

系統(tǒng)的實施以常州某小區(qū)的消防設施和小區(qū)消防管理為研究對象,建立基于IoT的小區(qū)智慧消防系統(tǒng)。

5.1 Docker云平臺的選擇

基于項目的穩(wěn)定、速度和安全性考慮,項目制作的Docker鏡像測試選擇推送到阿里云Docker管理平臺,而不是Docker官方管理平臺。

5.2 應用實例

圖6是常州某小區(qū)的智慧消防系統(tǒng)應用實例圖。小區(qū)智慧消防系統(tǒng)主界面分為問題反饋、事件處理、定期巡檢、設備狀態(tài)、移動終端數(shù)、事件分析和消防安全團隊等七大塊。

圖6 小區(qū)智慧消防系統(tǒng)應用實例圖

問題反饋用于記錄小區(qū)出現(xiàn)消防問題的門洞號,需要對比進行消防預防和整改。事件處理遠程連接城市消防管理中心,用于記錄城市和區(qū)域內(nèi)的消防事件處理數(shù)。定期巡檢用于記錄小區(qū)內(nèi)的消防設備定期巡檢的狀態(tài)。設備狀態(tài)記錄了小區(qū)內(nèi)所有消防相關設備的當前狀態(tài),如果有狀態(tài)異常會自動向小區(qū)監(jiān)控中心發(fā)出警報并標紅顯示。移動終端數(shù)為小區(qū)用戶的App連接情況,可以實時遠程觀察到小區(qū)的消防信息狀況。事件分析是對小區(qū)告警事件按月和按年進行統(tǒng)計得出小區(qū)的消防狀況及其趨勢線。消防安全團隊是負責消防安全和巡檢的物業(yè)責任人安排。另外,還提供了小區(qū)近一年的事件量分析趨勢折線圖。該小區(qū)從2020年1月試用小區(qū)智慧消防系統(tǒng)以來累計收到告警信息1231條,當月發(fā)生37條,均得到有效處置。

6 總結

小區(qū)智慧消防系統(tǒng)主要依賴于不同類型的消防傳感器,將消防傳感器置于現(xiàn)場感知火災預警狀態(tài)和信息,通過IoT接入專網(wǎng)或Internet,通過GIS進行定位以及實時地圖預覽和觀察,對采集到的傳感器數(shù)據(jù)進行分析和處理,盡可能利用現(xiàn)場消防設備自動進行有效的預防、報警和控制。同時,警情信息及時上傳到小區(qū)安全管理中心和相關職能部門處理。整個小區(qū)的消防狀態(tài)和信息能及時、可靠、安全地呈現(xiàn)在小區(qū)安全管理中心,突發(fā)警情和消防狀況能快速上報遠程城市消防管理中心,險情災情能夠自動預警、快速響應,整體上與傳統(tǒng)消防處理過程相比能夠更迅捷、更有效、更智能地預防和處理火災事件和火警情況。

本文研究的以IoT技術為載體的新型小區(qū)智慧消防系統(tǒng)可以應對和處理多樣的小區(qū)數(shù)據(jù)狀況,實現(xiàn)小區(qū)監(jiān)控中心與城市消防管理中心的信息共享,使小區(qū)的消防問題能夠快速得到處理和管控,成為國家消防建設事業(yè)的有益補充。