基于物聯網的大型公共建筑消防火災自動報警系統(tǒng)

摘 要：常規(guī)系統(tǒng)主要使用環(huán)形二總線接線法傳輸消防報警指令，但該方法易受聯動控制作用影響，導致部分節(jié)點報警異常，為解決這一問題，基于物聯網設計了一種全新的大型公共建筑消防火災自動報警系統(tǒng)。硬件部分設計了二總線煙溫復合火災探測器和SCU火災報警控制器，軟件部分首先生成了消防火災自動報警通信協(xié)議，再利用物聯網設計了建筑消防火災自動報警功能模塊，從而實現了大型公共建筑消防火災自動報警。系統(tǒng)測試結果表明，設計的系統(tǒng)在不同節(jié)點ID下均能正確進行報警，證明了設計的系統(tǒng)應用效果較好。

關鍵詞：物聯網；大型公共建筑；消防火災自動報警系統(tǒng)；二總線煙溫復合火災探測器；SCU火災報警控制器；消防火災自動報警通信協(xié)議

中圖分類號：TP311；TU892 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-03

0 引 言

在建筑技術不斷發(fā)展的背景下，我國的大型公共建筑越來越多，功能越來越復雜[1]。與其他類型建筑相比，大型公共建筑對結構設計的要求較高，需要節(jié)約資源，兼顧質量，不能對環(huán)境造成嚴重的負面影響。同時，要根據具體的建筑目的來設計建筑結構[2]，以滿足人們的需要。大型公共建筑內部的人員較多，分布較密集，且樓層較高，一旦發(fā)生火災，無法短時間內完成人員撤離，會造成嚴重的人員傷亡事故，因此需要預先進行火災報警，提前采取撤離行動[3]。研究表明，大型公共建筑產生火災的原因較多，包括電器設備火災、燃氣火災、吸煙引發(fā)的火災、施工不規(guī)范引發(fā)的火災等，因此，為了降低大型建筑的火災風險，最大程度上減少火災造成的損傷，需要設計一種有效的消防火災自動報警系統(tǒng)[4-5]。大多數火災自動報警系統(tǒng)配備有監(jiān)測和記錄功能，能夠記錄火災發(fā)生時的各種參數，如煙霧體積分數、溫度變化等[6-7]。這些數據對于事后的火災調查和分析非常重要，有助于了解火災發(fā)展過程，改進針對大型公共建筑的防火措施。相關研究人員也針對自動報警要點設計了幾種常規(guī)的公共建筑消防火災自動報警系統(tǒng)，但大多數系統(tǒng)易受聯動控制作用的影響，導致部分節(jié)點報警異常。為了解決該問題，本文基于物聯網設計了一種全新的大型公共建筑消防火災自動報警系統(tǒng)。

1 硬件設計

1.1 二總線煙溫復合火災探測器

本文設計的系統(tǒng)選取二總線煙溫復合火災探測器作為重要的探測硬件。該探測器具有多樣化探測周期，可以形成規(guī)律的方波脈沖，用于獲取探測結果。當進入自動報警周期后，該探測器可以立即控制內部通信狀態(tài)，形成有效的探測規(guī)律。二總線煙溫復合火災探測器見表1。

由表1可知，該探測器可以形成穩(wěn)定的數字脈沖信號，最大程度降低外界干擾對自動報警造成的影響，以提高自動報警系統(tǒng)的綜合性能。

1.2 SCU火災報警控制器

報警控制器可以根據反饋信號進行聲光報警，有效進行信號傳遞，因此，本文選取SCU火災報警控制器作為核心控制器。SCU火災報警控制器組成結構如圖1所示。

由圖1可知，該報警控制器可以有效連接電氣接口，防止電源反接，提高了火災自動報警系統(tǒng)的報警靈敏性，符合設計系統(tǒng)的報警控制要求。

2 軟件設計

2.1 消防火災自動報警通信協(xié)議

本文設計的大型公共建筑消防火災自動報警系統(tǒng)使用一對多模式進行通信傳輸。消防火災自動報警通信協(xié)議如圖2所示。

由圖2可知，該通信協(xié)議主要支持3種不同的身份，即指令的發(fā)布者、報警的代理者、處理訂閱者。在通信過程中，需要利用MQTT進行推動處理，調整數據包的格式，控制自動報警報文的結構，使其滿足有效載荷要求。除此之外，該通信協(xié)議主要利用Socket方式入網，與客戶端和服務器完成連接，生成雙向傳輸通道，從而快速發(fā)布Keep Ping報警命令，提高報警一致性[8-9]。

2.2 建筑消防火災自動報警設計

本文基于物聯網設計了建筑消防火災自動報警功能模塊。首先需要對自動報警原始數據進行整合，如式（1）所示：

（1）

式中：wi代表卷積層計算權值；Bi代表整合偏置值。整合完畢后，可以通過特征值進行計算歸納，此時計算的自動報警權值ΔW如式（2）所示：

（2）

式中：λ代表預設報警值；α代表動量因子；ζ代表相對誤差。通過獲取的自動報警參數進行自動報警設計。當火災發(fā)生時，通過體積分數檢測程序、溫度檢測程序等進行數據融合計算，將最終的環(huán)境參數輸入至報警中心。若判斷有火災發(fā)生，立即進行聲光報警；反之，則需要持續(xù)觀察。

3 系統(tǒng)測試

為驗證設計的基于物聯網的大型公共建筑消防火災自動報警系統(tǒng)的綜合性能，本文選取了符合測試需求的測試平臺，將其與文獻[6]、文獻[7]中常規(guī)的消防火災自動報警系統(tǒng)進行了對比實驗。

3.1 測試準備

根據消防火災自動報警系統(tǒng)測試要求，本文選取PAN ID進行組網，構建了符合測試要求的系統(tǒng)測試平臺。在測試開始前，需要檢查系統(tǒng)的連接狀況，避免出現短路與斷路問題，再將設計的系統(tǒng)與仿真實驗平臺有效連接，調整傳感節(jié)點、周期、閾值等參數，生成系統(tǒng)測試數據處理流程。系統(tǒng)測試數據處理流程如圖3所示。

由圖3可知，在正式啟動測試模式前，需要選擇有效的測試信道。若此時相應設備能有效收到測試信息，證明測試網絡建設成功；若無法收到測試信息，證明測試網絡響應失敗，需要重新申請權限，進行二次處理[10]。本文使用Packet Sniffer軟件進行信標幀處理，調整協(xié)調器接收節(jié)點，重新完成測試入網關聯，測試上位模塊采用SQL Sever 2000數據庫。測試操作關系如圖4所示。

由圖4可知，根據上述的測試操作關系可以快速編寫MFC/Qt界面，打開SmartRF Flash Programmer測試軟件，上傳測試命令，從而得到可靠的系統(tǒng)測試結果。

3.2 測試結果與討論

根據上述測試準備，可以進行消防火災自動報警系統(tǒng)測試，即在設置的測試平臺中生成不同的報警測試節(jié)點，記錄各個節(jié)點的擴展信息。此時，分別運行本文設計的基于物聯網的大型公共建筑消防火災自動報警系統(tǒng)、文獻[6]中考慮無線傳感的消防火災自動報警系統(tǒng)，以及文獻[7]中基于LoRa和GPRS的消防火災自動報警系統(tǒng)，記錄3種系統(tǒng)在不同節(jié)點ID下的報警狀態(tài)。消防火災自動報警系統(tǒng)測試結果見表2。

由表2可知，在不同節(jié)點ID下，本文設計的基于物聯網的大型公共建筑消防火災自動報警系統(tǒng)均能正確完成報警，且報警時延偏低；文獻[6]中考慮無線傳感的消防火災自動報警系統(tǒng)，以及文獻[7]中基于LoRa和GPRS的消防火災自動報警系統(tǒng)在部分節(jié)點ID下無法正常報警，或報警時延較高。上述結果證明，本文設計的大型公共建筑消防火災自動報警系統(tǒng)的性能良好，具有較高的可靠性與較廣闊的應用前景。

4 結 語

隨著城市化進程的加速和公共設施的日益完善，我國的大型公共建筑越來越多。然而，這些建筑由于規(guī)模大、人流密集、設備眾多等特點，一旦發(fā)生火災，后果不堪設想。因此，如何有效地預防和應對火災成為了一個亟待解決的問題。大型公共建筑消防火災自動報警系統(tǒng)作為一種重要的火災防控手段，逐漸引起了人們的關注。因此，本文根據大型公共建筑的火災報警特點，基于物聯網設計了一種全新的大型公共建筑消防火災自動報警系統(tǒng)，并進行了系統(tǒng)測試。結果表明，設計的大型公共建筑消防火災自動報警系統(tǒng)性能良好，具有較大的應用價值，為降低事故風險、保障人民生命財產安全、更好地應對城市化進程中面臨的消防安全挑戰(zhàn)做出了一定貢獻。

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作者簡介：傅 玉（1989—），女，江蘇鹽城人，工程師，研究方向為醫(yī)院安全生產及消防安全管理。

收稿日期：2024-01-17 修回日期：2024-02-29