江 濤，陳 進(jìn)，徐慧鵬，董功云

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫214122）

基于GPRS的智能消防信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江 濤，陳 進(jìn)，徐慧鵬，董功云

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫214122）

為了盡量避免盲目報(bào)送火警信息以及因?yàn)樽陨砉收隙﹫?bào)火警信息的情況，以及快速準(zhǔn)確的處理火災(zāi)隱患，提高消防系統(tǒng)可靠性，開發(fā)了基于GPRS的智能消防信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)24小時(shí)無縫隙監(jiān)控、短信提示、值班查崗功能來確保工作人員收到報(bào)警信息，及時(shí)處理火災(zāi)隱患。此外，系統(tǒng)綜合考慮溫度、煙霧、氣體濃度以及工作環(huán)境等因數(shù)，提出了智能分析方案，能夠在一定程度上能夠減少因火災(zāi)給人們帶來的危害。實(shí)際測(cè)試表明，系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

GPRS；短信提示；消防管理系統(tǒng)；火災(zāi)隱患；智能分析

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展，消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)普遍應(yīng)用到社會(huì)生活中。然而不幸的是，從一些火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查分析情況來看，很多是由于室內(nèi)的探測(cè)器不能工作、火災(zāi)報(bào)警控制器沒有正常運(yùn)轉(zhuǎn)、聯(lián)動(dòng)設(shè)備沒有啟動(dòng)等因素造成了火災(zāi)延報(bào)、漏報(bào)，而錯(cuò)過了最佳的救助和滅火時(shí)機(jī)，這將給受災(zāi)人們帶來的是致命的災(zāi)難[1]。通常情況下常常在小區(qū)或大型建筑會(huì)配有消防相關(guān)專業(yè)人員上班，來保證火災(zāi)報(bào)警設(shè)備正常運(yùn)行。但現(xiàn)實(shí)生活中很多值班人員的上崗率非常低，并且經(jīng)常存在脫崗的情況，這將帶來很大的消防隱患[2]。文中主要探討一種基于GPRS的智能消防信息管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，解決由于管理人員視覺疲勞或工作人員脫崗等人為因數(shù)造成的隱患，并且能自主提醒工作人員火災(zāi)應(yīng)急處理方案，從而減少人力物力，準(zhǔn)確快速處理火災(zāi)隱患，提高火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成：傳感器與聯(lián)動(dòng)設(shè)備參數(shù)采集模塊、參數(shù)信息傳輸模塊以及后臺(tái)數(shù)據(jù)分析處理模塊。主要工作原理如下：設(shè)計(jì)一塊單片機(jī)微處理器與所購(gòu)消防主機(jī)相連，用來采集與消防主機(jī)連接的各單位數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)通過GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸給終端系統(tǒng)，通過終端系統(tǒng)的后臺(tái)處理模塊分析數(shù)據(jù)，提取所需信息并存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，最后在管理軟件上顯示出來。終端服務(wù)系統(tǒng)提供參數(shù)報(bào)警，智能分析以及短信提示功能?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 參數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)

參數(shù)采集模塊數(shù)據(jù)采集主要通過各單位消防主機(jī)采集其下各傳感器、聯(lián)動(dòng)設(shè)備傳來的溫度、煙霧、氣體濃度信息以及各聯(lián)動(dòng)設(shè)備開關(guān)量等等。其中溫度、煙霧及氣體濃度作為火災(zāi)發(fā)生可能性的判斷依據(jù)，各聯(lián)動(dòng)設(shè)備開關(guān)狀態(tài)作為事發(fā)地點(diǎn)安全保障功能可靠性大小的判斷依據(jù)。微處理器與主機(jī)相連，截取主機(jī)獲得信息，所有數(shù)據(jù)通過微處理器存儲(chǔ)提取，由終端后臺(tái)服務(wù)軟件分析。

考慮到國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要存在兩類消防主機(jī)，一類是出現(xiàn)較早，技術(shù)相當(dāng)成熟，經(jīng)過時(shí)間考驗(yàn)的RS485總線技術(shù)的消防主機(jī)[3]（代表產(chǎn)品：海灣消防主機(jī)）；另一類是新興發(fā)展并盛行起來的CAN總線技術(shù)的消防主機(jī)，這類消防主機(jī)性能好，總線利用率高[3]（代表產(chǎn)品：北大青鳥消防主機(jī)）。微處理器設(shè)計(jì)必須兼容這兩類主機(jī)，通過RS485和CAN總線，讀取前端傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

微處理器選取 STM32F103RCT6為主 MCU，STM32F103RCT6使用高性能的ARMRCortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置256K字節(jié)的閃存和48 K字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，可工作于-40° C至+105°C的溫度范圍。火災(zāi)檢測(cè)控制板詳細(xì)框圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 火災(zāi)檢測(cè)控制板框圖

控制系統(tǒng)由+5 V外部電源供電，通過DC-DC電源芯片轉(zhuǎn)換成+3.3 V給STM32F103 MCU，系統(tǒng)也可以通過外置的3.3 V鋰電池供電，雙電源供電系統(tǒng)保證了在外部+5 V電源意外掉電的情況下，系統(tǒng)仍然能繼續(xù)工作。

采集數(shù)據(jù)過程中由于溫度，氣體濃度數(shù)皆非整數(shù)，不符合要求，需進(jìn)行調(diào)整。對(duì)溫度數(shù)據(jù)取整，誤差±1°。同理對(duì)氣體濃度數(shù)據(jù)處理（如果有必要，乘以一定基數(shù)）。

3 通信方式選擇

系統(tǒng)具備短信提示功能，在短信發(fā)送模塊，考慮到功能需求較低，2G網(wǎng)絡(luò)完全夠用，采用全球移動(dòng)通信系統(tǒng) （Global System for Mobile Communication，GSM）。短信提示功能流程如圖3所示，終端軟件接收到報(bào)警或故障，離線信息，從數(shù)據(jù)庫(kù)未處理信息表提取報(bào)警類容，報(bào)警等級(jí)，發(fā)送對(duì)象，通過TC35機(jī)器發(fā)出短信提示。短信格式大致為：樓層地址+報(bào)警設(shè)備+設(shè)備狀態(tài)+報(bào)警等級(jí)。設(shè)定報(bào)警延時(shí)T，如果當(dāng)前時(shí)間減去報(bào)警時(shí)間之值大于T，則火警級(jí)別自動(dòng)加1級(jí)，根據(jù)報(bào)警級(jí)別不同，短信發(fā)送內(nèi)容不同，最高等級(jí)設(shè)為3級(jí)，若報(bào)警級(jí)別達(dá)到3級(jí)，則發(fā)送對(duì)象指定為該單位全部注冊(cè)人員或消防單位。接受對(duì)象可以根據(jù)設(shè)備狀態(tài)，報(bào)警等級(jí)決定優(yōu)先處理順序，以及選擇誰來處理。從而避免所有信息雜亂盲目處理，導(dǎo)致報(bào)警、故障信息未能及時(shí)處理，與此同時(shí)也影響企業(yè)工作效率。

系統(tǒng)選擇通信方式時(shí)，考慮到客戶所在地點(diǎn)以及工作環(huán)境不確定性，分布范圍可能較廣等因數(shù)，建立無線基站的可行性近乎為零。此外無線基站耗資巨大，建設(shè)周期長(zhǎng)、維護(hù)困難，且使用時(shí)需申請(qǐng)頻道[4]。相對(duì)來說低功耗、低成本的GPRS技術(shù)則成了大家廣泛選擇的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，GPRS技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)（按流量計(jì)費(fèi)）、安全、可靠、24小時(shí)在線、覆蓋面廣等優(yōu)點(diǎn)[5]。系統(tǒng)采用GPRS DTU模塊與單片機(jī)相連（后期可以考慮將微處理器和GPRS DTU整合成一個(gè)單片機(jī)模塊）。通過GPRS DTU可實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，將單片機(jī)獲得的數(shù)據(jù)傳輸給終端服務(wù)器，終端服務(wù)器配備有comway無線串口軟件，設(shè)定好虛擬串口用來接受數(shù)據(jù)。

圖3 短信發(fā)送原理圖

表1 主機(jī)信息表

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，往往利用PC機(jī)作為上位機(jī)，單片機(jī)作為下位機(jī)，形成一個(gè)主從系統(tǒng)[6-8]，基于GPRS的智能消防信息管理系統(tǒng)采用這種主從系統(tǒng)，PC機(jī)與單片機(jī)之間通過串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令信息傳遞。在遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)中，由于Delphi具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)應(yīng)用能力，可視化的工作環(huán)境等等優(yōu)點(diǎn)備受開發(fā)人員青睞[9-10]。另選擇相對(duì)簡(jiǎn)單并且適用性較強(qiáng)的spcomm控件進(jìn)行串口通信。

數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)各個(gè)微處理器傳來的報(bào)警故障信息，考慮到消防主機(jī)型號(hào)可能不同，探測(cè)器對(duì)應(yīng)消防主機(jī)也可能不同，應(yīng)加以區(qū)分，保證接收到的報(bào)警數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的消防主機(jī)，客戶單位一致，以便確定采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確以及方便其他操作。系統(tǒng)通過讀不同串口數(shù)據(jù)區(qū)分具體哪臺(tái)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警數(shù)據(jù)，其中相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)表設(shè)計(jì)大致如下：

利用串口區(qū)分報(bào)警信息，主要代碼如下：

4 終端軟件設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用方面，SQL Server具有價(jià)格低，功能全面，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，易操作等優(yōu)點(diǎn)[11-12]，廣泛被中小型企業(yè)所接受。終端軟件開發(fā)環(huán)境選擇的是Delphi7.0編程軟件，采用SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，終端軟件需要實(shí)現(xiàn)對(duì)所有注冊(cè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。數(shù)據(jù)庫(kù)初始設(shè)定默認(rèn)所有注冊(cè)設(shè)備狀態(tài)為在線狀態(tài)，通過實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備現(xiàn)狀的即時(shí)監(jiān)控，如圖4（圖中狀態(tài)通過模擬數(shù)據(jù)獲得）。設(shè)備狀態(tài)一般有4種：報(bào)警、故障、離線以及在線，對(duì)應(yīng)單片機(jī)采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)一般為16進(jìn)制數(shù)據(jù)。單片機(jī)最終存儲(chǔ)數(shù)據(jù)形式為：02 01 00 04 00 00 00 81 86 03；總共10個(gè)字節(jié)，分別代表意義如下：

圖4 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)示意圖

終端軟件采用智能分析方案，工作原理如圖5所示，對(duì)于出現(xiàn)的報(bào)警信息，先判斷是否屬于溫度（煙霧）報(bào)警，應(yīng)公司要求對(duì)于同一地點(diǎn)指定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)溫度、煙霧兩種報(bào)警，即視為該地發(fā)生火警。

對(duì)于單一的溫度 （煙霧）報(bào)警或其他傳感器報(bào)警，則在檢測(cè)工作環(huán)境后，檢測(cè)相關(guān)因數(shù)信息，綜合判斷火災(zāi)可能性，主要參考因數(shù)為現(xiàn)場(chǎng)溫度、煙霧及氣體濃度。

圖5 智能分析方案原理圖

楊宗凱，王殊等前輩對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋算法做過深入研究，認(rèn)為這種模型能夠輸出我們需要的火災(zāi)概率[13]。Nohmi Bosai公司的Y.Okayama曾提出一種BP網(wǎng)絡(luò)的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，分別對(duì)光電煙霧、溫度、CO等火災(zāi)信號(hào)進(jìn)行了研究[14-15]，火災(zāi)概率、危險(xiǎn)性判斷規(guī)則可由此得出。其原理是通過分析單位時(shí)間內(nèi)溫度，氣體濃度，CO濃度變化量（歸一處理），將其做為輸入值，同時(shí)定義適當(dāng)值對(duì)應(yīng)的火災(zāi)可能性，危險(xiǎn)性，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能推出其他值所對(duì)應(yīng)的可能性，危險(xiǎn)性。當(dāng)檢測(cè)到報(bào)警信息時(shí)，系統(tǒng)采取報(bào)警前三分鐘內(nèi)的測(cè)量值作為分析對(duì)象，最后將火災(zāi)可能性，危險(xiǎn)性歸一處理。

智能分析方案需要綜合統(tǒng)計(jì)分析報(bào)警設(shè)備，火災(zāi)可能性，火災(zāi)危險(xiǎn)性，火災(zāi)類型，火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)工作環(huán)境等因數(shù)，最后建立知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)不同類別，不同探測(cè)器報(bào)警，不同概率，危險(xiǎn)性所對(duì)應(yīng)火災(zāi)處理方案。通過Y.Okayama的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法獲得火災(zāi)概率，危險(xiǎn)性，如果將火災(zāi)發(fā)生概率，火災(zāi)危險(xiǎn)性各分三級(jí)，則共有九種方案。火災(zāi)類型主要與設(shè)備工作環(huán)境儲(chǔ)存物質(zhì)相關(guān)，常見類型有A、B、C、D、E、F 6種。加入火災(zāi)類型則有54種處理方案，再根據(jù)火警主要判斷依據(jù)：溫度、煙霧及CO探測(cè)器，共有162種處理方案，手動(dòng)報(bào)警方案另立，對(duì)于手動(dòng)報(bào)警可自動(dòng)加重一級(jí)處理，最終制定規(guī)則類型大致如下：

If（Category=溫度探測(cè)器）and（P＞0.8）and（S＞0.8）and Style=B then輸出：火災(zāi)，危險(xiǎn)等級(jí)高，立即聯(lián)系消防員做好B類火警處理措施。

If（Category=溫度探測(cè)器）and（P＜0.2）and（S＜0.2）and Style=A then輸出：非火災(zāi)，危險(xiǎn)等級(jí)低，溫度探測(cè)器可能發(fā)生故障，請(qǐng)查看。

If（Category=CO探測(cè)器）and （0.2＜P＜0.5）and（0.5＜S＜0.8）and Style=E then輸出：有可能發(fā)生火災(zāi)，危險(xiǎn)等級(jí)較高，做好E類火警處理措施，檢測(cè)CO氣體異常，做好防備。

If（Category=手動(dòng)報(bào)警）and （0.5＜P＜0.8）and（0.5＜S＜0.8）and Style=E then輸出：手動(dòng)報(bào)警，危險(xiǎn)等級(jí)提高一級(jí)處理，視為火災(zāi)，立即聯(lián)系消防員做好E類火警處理措施。

If （Category=煙霧探測(cè)器）and （P＜0.2）and（S＜0.2）and Style=A then輸出：非火災(zāi)，有工作人員在此吸煙或煙霧探測(cè)器發(fā)生故障，請(qǐng)查看。

其中 P代表火災(zāi)可能性，S代表火災(zāi)危險(xiǎn)性，Style代表火災(zāi)類型，對(duì)于上述制定的規(guī)則，可根據(jù)實(shí)際報(bào)警誤報(bào)概率再次整合，修改知識(shí)庫(kù)，最終可以得到一套相對(duì)正確的火警判別處理方案。

對(duì)于工作人員脫崗這一現(xiàn)象，系統(tǒng)增加了巡更查詢功能，管理人員不定時(shí)發(fā)送查詢?nèi)蝿?wù)，工作人員需要就此及時(shí)回復(fù)，防止工作人員脫崗。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初針對(duì)設(shè)備故障，人為因數(shù)造成火災(zāi)隱患未及時(shí)處理這類情況，從短信提示、設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控以及巡更查崗3個(gè)方面提出解決方案。此后根據(jù)實(shí)際情況需要，系統(tǒng)還提出智能分析方案，有助于正確處理火災(zāi)，整個(gè)系統(tǒng)采用工業(yè)工程思想，能準(zhǔn)確快速處理火災(zāi)隱患，系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初考略到適用性（兼容RS485和CAN總線兩種模式主機(jī)），能適用絕大部分工作環(huán)境。新的系統(tǒng)依然存在自己的不足之處，比如智能分析方面需要的探測(cè)器性能要求較高，應(yīng)繼續(xù)修改方案提高實(shí)用性。

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Design of intelligent fire management system based on GPRS

JIANG Tao，CHEN Jin，XU Hui-peng，DONG Gong-yun
（School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

To avoid blindly submitted to the fire due to itself failure and omission fire information，get rid of the fire hazards rapidly and exactly，improve the stability and reliability of fire monitoring system，this intelligent fire management system based on the GPRS network is introduced in the paper.The system can provide SMS notification and routine check functions to make sure the person who is on duty could receive alarm information and mitigate the fire hazard in time.In addition， considering temperature，smoke，gas concentration，work environment and other factors，the system provides dynamical 7*24 hours analysis solutions，to some extent reduce the hazards due to fire.Practical tests show that the system can meet the design requirements.

GPRS；SMS notification；fire management system；fire hazards；intelligent analysis

TN948.11

：A

：1674-6236（2017）02-0040-05

2016-01-14稿件編號(hào)：201601100

江 濤（1991—），男，江蘇東臺(tái)人，碩士研究生。研究方向：管理信息系統(tǒng)及企業(yè)信息化。