河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 王亞飛 沈根浩 馮朝霞 史智興

室內(nèi)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測及遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 王亞飛 沈根浩 馮朝霞 史智興

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)因素越來越多，火災(zāi)的發(fā)生越來越頻繁。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套基于GPRS和藍(lán)牙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測及遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)，通過在各個(gè)房間部置多傳感節(jié)點(diǎn)，來達(dá)到探測室內(nèi)溫度、CO濃度等信息的目的，從而實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)災(zāi)情的精確把握。系統(tǒng)安裝容易、維護(hù)簡單、對建筑物破壞性小，能擴(kuò)大火災(zāi)監(jiān)測范圍，并對消防監(jiān)測盲區(qū)進(jìn)行改進(jìn)，能早期發(fā)現(xiàn)并控制火災(zāi)，從而避免生命財(cái)產(chǎn)損失。

多方聯(lián)動(dòng)；GPRS；遠(yuǎn)程報(bào)警；藍(lán)牙傳感網(wǎng)絡(luò)；短信

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國進(jìn)入火災(zāi)和急性CO中毒事故的高發(fā)期[1]。僅從2004年至2010年，全國高層建筑火災(zāi)就發(fā)生10萬多起，死亡4181人，傷4844人，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)144937萬元[2]。室內(nèi)CO主要源自家用燃?xì)獾男孤逗秃嘉镔|(zhì)的不完全燃燒[3]。CO與血紅蛋白結(jié)合力是氧與血紅蛋白結(jié)合力的200～300倍[4－7]，CO進(jìn)入人體后，與血紅蛋白生成碳氧血紅蛋白，造成肌體急性缺氧血癥，導(dǎo)致昏迷及死亡[8]。因此，研究和設(shè)計(jì)CO檢測和火警報(bào)警系統(tǒng)是非常必要的。

針對有線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)抗干擾能力差、無法遠(yuǎn)程訪問、高層建筑的消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備相互獨(dú)立且需人工處理的問題，本文設(shè)計(jì)了一套基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)CO濃度過高或發(fā)生火災(zāi)時(shí)，各房間的傳感器節(jié)點(diǎn)將報(bào)警信息發(fā)送給屋主、物業(yè)和鄰居，災(zāi)情蔓延時(shí)，屋主可遠(yuǎn)程將房門和窗戶打開方便救援，從而避免更大的經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)損失。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在每個(gè)房間中安裝一個(gè)節(jié)點(diǎn)，客廳中放置一臺(tái)中控設(shè)備。每套裝置預(yù)先錄入屋主，物業(yè)和鄰居的手機(jī)號(hào)碼。當(dāng)發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)房間節(jié)點(diǎn)通過藍(lán)牙將信息發(fā)送給中控，再由中控通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警短信發(fā)送至屋主，物業(yè)和鄰居。這時(shí)相關(guān)人員可以盡快完成報(bào)警，疏散和搶救任務(wù)。屋主還可以遠(yuǎn)程將房門和窗戶打開方便救援。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)劃分為傳感器節(jié)點(diǎn)、中控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程終端三部分。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)與中控模塊之間通過藍(lán)牙無線通信形成一個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)集成了傳感器、微處理器和藍(lán)牙三個(gè)模塊，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。?jié)點(diǎn)借助于傳感器測量所在周邊環(huán)境中的溫度、CO濃度信號(hào)，從而獲得溫度數(shù)據(jù)和CO濃度信息，并將所獲得的溫度數(shù)據(jù)和CO濃度信息傳送給中控。

溫度傳感器采用的是DHT11傳感器，該傳感器的測量范圍是0℃到50℃。CO傳感器采用的是MQ-7，該傳感器的測量范圍是10ppm到1000ppm。根據(jù)資料可得人在200ppm的CO中就有可能會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)所以將其報(bào)警點(diǎn)設(shè)置為溫度40℃CO濃度為200ppm.

2.2 中控模塊

中控模塊由GPRS模塊，51單片機(jī)，聲光報(bào)警模塊和藍(lán)牙模塊等組成。GPRS傳輸模塊由西門子的GSM通信模塊TC35，單片機(jī)電路，等構(gòu)成。主控模塊的單片機(jī)電路通過AT指令與GSM通信模塊TC35進(jìn)行短消息的收發(fā)，單片機(jī)電路接收短消息指令并通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)請求發(fā)出，各個(gè)房間收到后依次將傳感器信息發(fā)回。通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)對CO和溫度的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集單元在啟動(dòng)后，通過所連接的傳感器采集監(jiān)控區(qū)域的物理信息，對接收到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分析和處理發(fā)送到總處理器，總處理器判斷是否出現(xiàn)險(xiǎn)情，如果出現(xiàn)險(xiǎn)情則將預(yù)先存儲(chǔ)好的地址信息發(fā)出并啟動(dòng)聲光報(bào)警和利用外圍電路實(shí)現(xiàn)打開門窗等動(dòng)作。

2.3 遠(yuǎn)程終端

遠(yuǎn)程終端對于屋主來說就是手機(jī)。而對于物業(yè)和鄰居來說則是由GPRS模塊，51單片機(jī)和聲光報(bào)警等模塊組成。終端接收到險(xiǎn)情類型和具體位置后將其顯示到顯示屏上為救援提供方便。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 中控的軟件設(shè)計(jì)

中控系統(tǒng)軟件流程如圖2所示，初始化GPRS模塊，包括串口初始化、定時(shí)器中斷初始化等。利用AT指令查看短信看是否有操作需要執(zhí)行，沒有則進(jìn)行輪詢監(jiān)測觸發(fā)信號(hào)，輪詢采用的是最簡單的依次輪詢方式。當(dāng)監(jiān)測到觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)，發(fā)送AT命令到GPRS模塊，并獲取GPRS模塊的輸入。設(shè)置短消息服務(wù)中心號(hào)碼及接收短信手機(jī)的號(hào)碼，并標(biāo)識(shí)用戶信息協(xié)議，設(shè)置用戶信息編碼方式。將編好的短信內(nèi)容發(fā)送至設(shè)定的手機(jī)號(hào)碼。該過程通過函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖2 中控系統(tǒng)軟件流程圖

圖3 流程圖

3.2 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行初始化定時(shí)采集信息等待中控的輪詢信息此時(shí)判斷是否發(fā)生險(xiǎn)情。如果未發(fā)生險(xiǎn)情則查看其他節(jié)點(diǎn)有沒有發(fā)送來報(bào)警信息。如果有著則優(yōu)先發(fā)送其他節(jié)點(diǎn)的信息。如果發(fā)生險(xiǎn)情則嘗試向中控發(fā)送報(bào)警信息。如果發(fā)現(xiàn)中控信道被占，則向即將被輪詢到的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)警信息。以保證報(bào)警信息可以及時(shí)被送達(dá)。具體流程如圖3所示。

3.3 聯(lián)動(dòng)模式的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)中央控制器將帶有不同信息的短信分別發(fā)送至物業(yè)，鄰居和屋主的終端上發(fā)送的信息如表1所示。

表1

當(dāng)物業(yè)終端和鄰居終端接到報(bào)警信息后將發(fā)生危險(xiǎn)的具體位置顯示到顯示屏上并進(jìn)行聲光報(bào)警引起物業(yè)保安和鄰居的注意，保安和鄰居可以立即撥打119進(jìn)行報(bào)警。如果危險(xiǎn)不嚴(yán)重并且屋門打開保安和鄰居可以進(jìn)行前期救援將危險(xiǎn)消滅在萌芽中保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全，如果現(xiàn)場較為危險(xiǎn)則保安和鄰居可以進(jìn)行人員疏散并搶救部分財(cái)產(chǎn)減少屋主的損失同時(shí)也可以進(jìn)行清理道路等工作為將要到來的專業(yè)救援做好鋪墊提供幫助。形成一種鄰里和物業(yè)聯(lián)動(dòng)的機(jī)制，將危險(xiǎn)扼殺在搖籃里。重新喚醒社會(huì)的道德意識(shí)，減少火災(zāi)和CO中毒事件的發(fā)生。

當(dāng)屋主的手機(jī)接收到報(bào)警信息時(shí)，屋主可以發(fā)短信遠(yuǎn)程將家中的排風(fēng)扇和門窗等設(shè)施打開，為大家的救援提供便利。同時(shí)為了避免該系統(tǒng)被不法分子利用，保證對家中設(shè)施的操作只能由屋主終端來控制，中控中預(yù)留了有權(quán)限的電話號(hào)碼并對這些操作設(shè)置了密碼。每一個(gè)操作都有固定的代碼例如表2，屋主在進(jìn)行操作時(shí)必須采用正確的格式并輸對密碼才能操作成功。例如KM（操作代碼）2345678（密碼）：

表2

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)室的多次試驗(yàn)和在住戶家中的實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)合理、信息傳送迅速可靠、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。但是本系統(tǒng)的控制功能的實(shí)施，需要對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行改造，比如門窗的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。

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河北農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：校級(jí)20161701、國家級(jí)201610086025）。

王亞飛（1997—），男，河北邯鄲人，大學(xué)本科。

史智興（1954—），男，河北新樂人，教授，博士生導(dǎo)師。