基于物聯(lián)網技術的消防監(jiān)測系統(tǒng)研究

崔洺瑀 青島科技大學自動化與電子工程學院

1 前言

我國大多數(shù)建筑的消防系統(tǒng)監(jiān)控值班人員存在數(shù)量不足，增添值班人員又存在人員管理以及經濟浪費的問題；現(xiàn)代建筑中采用的火災探測器大多以單一參數(shù)指標進行預測，誤報率高，費時費力；消防系統(tǒng)沒有實現(xiàn)物聯(lián)網集中監(jiān)控，現(xiàn)代建筑大多具有人流密集的特點，一旦發(fā)生火災，消防聯(lián)動系統(tǒng)如果無法有效、快速發(fā)揮作用，后果將不堪設想。所以設計一套完善、可靠的消防監(jiān)控系統(tǒng)迫在眉睫。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 硬件需求分析

消防監(jiān)控系統(tǒng)的設計，是為了降低火災的誤報率，盡可能消除安全隱患，為人們的生命財產安全提供保障。單一的檢測數(shù)據(jù)往往會出現(xiàn)誤報率較高的情況。本設計選擇溫度，CO濃度，煙霧濃度以及人體感應等參數(shù)，作為判斷依據(jù)。傳感器模塊以吊頂?shù)姆绞桨惭b，集成各類傳感器模塊的復合火災探測器四周均勻分布，從而實現(xiàn)對周邊環(huán)境火災隱患的檢測。

2.2 系統(tǒng)的控制器

整個系統(tǒng)最重要的部分就是系統(tǒng)中的消防控制器，它負責整個系統(tǒng)的采集與控制的功能。通過對傳感器采集數(shù)據(jù)的實時更新，實現(xiàn)對整棟建筑的消防預警。消防控制器是硬件系統(tǒng)的核心控制器，該系統(tǒng)要求所選擇的控制器可以連接16到32個節(jié)點控制器，編寫應用程序實現(xiàn)網絡設備的控制。

系統(tǒng)采用32bit ARM芯片LPC2214處理器，它能克服8bit CPU速度與容量的缺陷，滿足現(xiàn)代建筑的火災報警需求。綜合火災報警系統(tǒng)的復雜性，采用LPC 2214為系統(tǒng)提供高速運算與控制，支持嵌入系μC/OS-Ⅱ，該處理器的主控制芯片有豐富的外圍接口，可滿足消防監(jiān)控報警的實時性處理要求。

2.3 系統(tǒng)的傳感器

建筑的室內外消防安全指標包括：溫度，CO濃度，煙霧濃度，基于此設計了適用于建筑安裝的體積小、功耗低的溫度檢測裝置，煙霧顆粒度與濃度檢測裝置，CO濃度檢測裝置，人體檢測裝置等傳感器設備。

2.3.1 溫度傳感器

DHT11傳感器的通訊方式是單總線的串口通訊形式，每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間約在4ms左右。其測溫范圍為0~50℃，測量精度為1℃，DHT11收到命令后將溫度數(shù)據(jù)進行傳輸，當數(shù)據(jù)傳輸完后，DHT11傳感器會自動進入休眠模式，降低功耗。完成功能的同時可以節(jié)能減耗，是消防監(jiān)控系統(tǒng)中溫度傳感器的一種較好的選擇。DHT11是數(shù)字傳感器，所以不需要進行模數(shù)的轉換， 其中引腳1為供電VDD，提供3到5.5V直流電；引腳2為DATA 串行數(shù)據(jù)，是單總線；引腳3懸空；引腳為GND接地線，接電源負極。

檢測流程設計

系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，首先檢測是否接收到無線命令，若接收到無線命令，則向DHT11溫度傳感器發(fā)送相應的信號，讀取溫度值并進行數(shù)值轉換，最后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到復合火災探測器進行數(shù)據(jù)融合；若沒有接收到無線命令，則返回上一層繼續(xù)檢測是否接收到無線命令。

2.3.2 CO 氣體傳感器

通過查閱大量相關實驗研究的情況下，在突發(fā)火災的時候，最開始最大的變化是由于物體的不充分燃燒所產生一氧化碳會急劇增加，實驗結果表明，一氧化碳含量最高時候可達百分之十，從一氧化碳的物理特性來說，其質量很輕，相比普通空氣及燃燒所產生的煙霧來說更易傳播，所以通過進行一氧化碳的濃度測試也是監(jiān)測火災情況的一種手段。

本系統(tǒng)選用市面上最新上市的CO氣體傳感器，該傳感器能夠對空氣中的CO氣體有較高的靈敏度且功耗低，可靠性高，其符合消防監(jiān)控系統(tǒng)的需求。將CO氣體傳感器安裝于被測氣體容易泄露的室內室外危險場所，探測環(huán)境中的CO氣體濃度。

檢測流程設計

系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，首先檢測是否接收到無線命令，若接收到無線命令，則向CO氣體傳感器發(fā)送相應的信號，讀取濃度值并進行數(shù)值轉換，最后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到復合火災探測器進行數(shù)據(jù)融合；若沒有接收到無線命令，則返回上一層繼續(xù)檢測是否接收到無線命令。

2.3.3 煙霧濃度傳感器

煙霧濃度傳感器可以有效的檢測環(huán)境中的煙霧顆粒濃度，對建筑環(huán)境的消防安全隱患進行實時檢測，若濃度超出標準，則向消防控制器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)作出響應，從而防止火災或者事故的發(fā)生。煙霧濃度傳感器采用光電型感煙傳感器，其主要采用由紅外發(fā)光二極管IR5123C和硅電池PD243B組成的煙霧探測室來實現(xiàn)煙霧濃度的檢測，具有自診斷功能，漂移補償抗灰塵引起的干擾的能力，成本低且組成結構簡單

檢測流程設計

系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，首先檢測是否接收到無線命令，若接收到無線命令，則向煙霧濃度傳感器發(fā)送相應的信號，讀取濃度值并進行數(shù)值轉換，最后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到復合火災探測器進行數(shù)據(jù)融合；若沒有接收到無線命令，則返回上一層繼續(xù)檢測是否接收到無線命令。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)庫的搭建

在消防監(jiān)控系統(tǒng)中，得到的許多信息都需要保存，如大型建筑中的用戶信息、溫度信息、CO濃度信息等。根據(jù)需求，利用數(shù)據(jù)庫管理工具，構造最優(yōu)的數(shù)據(jù)存儲模型，設計過程中應建立數(shù)據(jù)庫中的表結構及表與表間的關聯(lián)關系，實現(xiàn)高效地對已存儲的數(shù)據(jù)進行訪問。系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構設計如下：

（1）用戶信息表

用戶信息表，用來存儲用戶注冊記錄的編號、用戶登錄名、用戶登錄密碼以及所在環(huán)境網絡節(jié)點的編號。具體如表1所示：

表1 用戶信息表

表1 用戶信息表

字段名稱 數(shù)據(jù)類型 是否可以為空 注釋id nchar 否 用戶編號nodeid vchar 否 節(jié)點的ID username vchar 否 用戶姓名userpassword vchar 否 登錄密碼

（2）一氧化碳濃度信息表

一氧化碳濃度數(shù)據(jù)表用于存儲各一氧化碳濃度監(jiān)測模塊采集的數(shù)據(jù)，具體如表2所示：

表2 一氧化碳濃度數(shù)據(jù)表

（3）溫度信息表

溫度數(shù)據(jù)表用于存儲各溫度監(jiān)測模塊采集的數(shù)據(jù)，具體如表3所示：

表3 溫度數(shù)據(jù)表

3.2 實驗驗證

（1）功能性驗證實驗

消防監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足的基本功能有：火災特征參量數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)的存儲與顯示，系統(tǒng)報警等。本組試驗，搭建完數(shù)據(jù)庫后，取一個集成好的復合火災探測器通過485總線通信，連接物聯(lián)網網關，連接云服務器，進行系統(tǒng)的功能性驗證試驗。在未發(fā)生火災情況下，溫度所反映的電壓曲線值在150mV左右，CO氣體所反映的電壓曲線值在300mV左右，煙霧所反映的電壓曲線值在50mV左右。從網頁上所反映的電壓值與經驗值相差不大，說明底層數(shù)據(jù)已經實現(xiàn)了上傳。進行后面的試驗時我們模擬幾種常見的火災發(fā)生前期的情景，我們的系統(tǒng)實時的顯示了數(shù)據(jù)并且各路參數(shù)都出現(xiàn)了較明顯的浮動，當達到預設報警值時，系統(tǒng)聲光報警提醒用戶，與設想相符。說明設計的消防監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對火災特征參量的數(shù)據(jù)采集和顯示，并且能夠在危險情境下報警。

（2）火災響應時間實驗

選取木材陰燃火、棉繩陰燃火、聚氨酯明火、乙醇明火作為實驗火，將材料分別放在火盆中燃燒，實驗火比真實的火災現(xiàn)場火情輕，故將復合火災探測器安裝于火盆上方1m處。

木材陰燃火主要模擬建筑物中的木材的燃燒，棉繩陰燃火主要模擬的是建筑物當中織物的燃燒，聚氨酯塑料火主要模擬建筑物內的大量化學塑料的燃燒，乙醇明火主要模擬建筑物內的化學燃料的燃燒。經過試驗，木材陰燃火響應時間時間為 19.7s，棉繩陰燃火響應時間為17.2s，聚氨酯明火響應時間為21.5s，乙醇明火響應時間為20.3s。四組燃燒實驗中CO氣體曲線均出現(xiàn)較大幅度的上升，說明燃燒過程中四種情境均產生了大量的CO氣體。其次，陰燃火產生的熱量少、煙霧多，溫度對應的曲線上升幅度較小，煙霧對應的曲線上升幅度較大；明火產生的熱量多、煙霧少，溫度對應的曲線上升幅度較大，煙霧對應的曲線上升幅度較小。

4 總結

消防監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)有火災探測器的研究基礎上，以無線傳感網絡、智能網關、數(shù)據(jù)融合技術、搭建數(shù)據(jù)庫、云服務平臺、RS-485總線為核心，以火災特征參量溫度、CO氣體濃度、煙霧濃度、是否有人員在場為研究對象，利用數(shù)據(jù)融合技術對火災特征參量進行融合設計了多參數(shù)火災探測器，并以物聯(lián)網技術、傳感器節(jié)點以及RS-485總線為載體構建分布式火災探測網絡，實現(xiàn)對多點的火災探測。本課題所研究的多參數(shù)火災探測器已達到了預期效果，實現(xiàn)了對火災的及時準確報警。