謝景榮，李寧寧

(1.陜西省消防總隊(duì)，陜西 西安 710018； 2.公安部沈陽消防研究所，遼寧 沈陽 110034)

關(guān)于聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器應(yīng)用的思考

謝景榮1，李寧寧2

(1.陜西省消防總隊(duì)，陜西 西安 710018； 2.公安部沈陽消防研究所，遼寧 沈陽 110034)

聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測報(bào)警器的全面推廣應(yīng)用，是有效防范“九小場所”以及社區(qū)、農(nóng)村居住場所火災(zāi)，尤其是遏制養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)及居家養(yǎng)老、“空巢老人”、分散養(yǎng)老特困人員等弱勢人群居住場所火災(zāi)的一個(gè)有效技術(shù)手段。分析了目前聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器的技術(shù)現(xiàn)狀，并以WiFi型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器為例，提出聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器的總體設(shè)計(jì)方案、硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，將為減少火災(zāi)事故、有效遏制“小火亡人”高發(fā)頻發(fā)的勢頭起到積極的作用。

獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器；聯(lián)網(wǎng)；消防安全

2015年，公安部、民政部、住建部、保監(jiān)會(huì)、老齡辦、殘聯(lián)等國家六部委聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于積極推動(dòng)發(fā)揮獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測報(bào)警器火災(zāi)防控作用的指導(dǎo)意見》(公消〔2015〕289號(hào))，要求各地充分認(rèn)識(shí)獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測報(bào)警器在火災(zāi)防控中的重要作用，鼓勵(lì)加大推廣力度，有效減少火災(zāi)事故發(fā)生。通過在全國各地推廣應(yīng)用獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器，對(duì)穩(wěn)控火災(zāi)形勢起到了一定的作用。但是從近幾年全國火災(zāi)形勢來看，社區(qū)、農(nóng)村居(村)民居住場所以及“九小場所”(小商場、小學(xué)校、小醫(yī)院、小餐飲場所、小旅館、小歌舞娛樂場所、小網(wǎng)吧、小美容洗浴場所、小生產(chǎn)加工企業(yè))火災(zāi)高發(fā)頻發(fā)，尤其是這些場所“小火亡人”事故多。2017年春節(jié)后的1個(gè)月時(shí)間，全國居(村)民居住場所共發(fā)生火災(zāi)1.3萬余起，死亡117人，分別占火災(zāi)總起數(shù)和亡人總數(shù)的45%和66%，“九小場所”的火災(zāi)起數(shù)也一直居高不下。分析具體原因，一方面與這些場所火災(zāi)發(fā)生后報(bào)警晚、居住人員未及早采取滅火自救措施有很大關(guān)系，另一方面是這些場所中有的雖然安裝了獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器，但使用非聯(lián)網(wǎng)型的居多。這種探測器無法向外傳遞報(bào)警信號(hào)，雖然本室人知道，但仍不能避免“樓下著火，樓上亡人，樓上著火，樓下遭殃”的后果。尤其是隨著人口的老齡化，居家養(yǎng)老、“空巢老人”、分散養(yǎng)老特困人員家庭內(nèi)，行動(dòng)不便、反應(yīng)慢的老人即使聽到報(bào)警，仍無法采取及時(shí)有效的滅火措施。聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測報(bào)警器是基于WiFi、Zigbee、GSM、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出的，使獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器的作用發(fā)揮更加完善與可靠，大大提高了此類場所的火災(zāi)早期預(yù)警水平。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，目前無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)為：433 MHz射頻、Zigbee和GSM。其中433 MHz射頻通信技術(shù)采用的波長較長，具有信號(hào)繞射能力強(qiáng)、受障礙物干擾影響小的特點(diǎn)，一般情況下可以做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，室內(nèi)應(yīng)用距離約50 m左右，與Zigbee和WiFi的2.4 GHz通信以及GSM的900 MHz至2.0 GHz通信相比，具有很大的優(yōu)勢，而且433 MHz射頻通信技術(shù)設(shè)備的單個(gè)成本與系統(tǒng)整體成本都較其他方式低廉，架設(shè)簡單。因此，對(duì)于建筑規(guī)模小，具有多個(gè)房間的場所，如“九小場所”，基于433 MHz射頻通信的無線式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以作為應(yīng)用首選，但是要發(fā)揮好系統(tǒng)的優(yōu)勢，仍要借助WiFi或GSM通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)外通信。Zigbee技術(shù)在具有大規(guī)模節(jié)點(diǎn)無線傳輸需求、且對(duì)信號(hào)傳輸及時(shí)性要求不高的場所應(yīng)用比較廣泛，但在建筑規(guī)模小的場所火災(zāi)探測方面，其大規(guī)模的優(yōu)勢特點(diǎn)無法得到發(fā)揮，反之由于其屬于通用Mesh協(xié)議架構(gòu)，協(xié)議復(fù)雜度高，維護(hù)難度大。GSM技術(shù)是手機(jī)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別適宜遠(yuǎn)程通信，在探測器分散距離較大，或者系統(tǒng)內(nèi)點(diǎn)數(shù)較少且需要遠(yuǎn)程傳輸?shù)膱鏊浅＿m宜，缺點(diǎn)是SIM卡運(yùn)營成本較大，每個(gè)探測器都需繳納流量費(fèi)用，而且在建筑內(nèi)手機(jī)信號(hào)無法穿透的地方不能通信。

目前在物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等領(lǐng)域前瞻性研究方面，除比較先進(jìn)的5G無線傳輸技術(shù)外，還有IPv6及 NB-IoT技術(shù)。IPv6除了可以使接入速率更高、傳輸和處理速度更快外，由于地址資源豐富，每個(gè)探測器都可以有一個(gè)唯一的IP地址，這樣就可以實(shí)現(xiàn)地址溯源，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對(duì)象身份識(shí)別和訪問授權(quán)，能夠?qū)崿F(xiàn)安全傳輸，也使網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)聯(lián)網(wǎng)對(duì)象的控制更加精細(xì)，提供有序的管理、有效的運(yùn)營和及時(shí)的維護(hù)。NB-IoT技術(shù)目前還沒有正式商用，在聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立感煙火災(zāi)探測器的使用上，NB-IoT具備三大優(yōu)點(diǎn)：一是覆蓋廣，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20 dB，覆蓋面積擴(kuò)大100倍；二是具備支撐海量連接的能力；三是功耗更低，NB-IoT終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長達(dá)10年。這兩種新技術(shù)的發(fā)展對(duì)于改進(jìn)接入物聯(lián)網(wǎng)的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器也會(huì)起到重要作用。因此，在推廣應(yīng)用聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器時(shí)，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場所、對(duì)象、運(yùn)維方式的不同，選擇適合的無線組網(wǎng)方式。同時(shí)，應(yīng)緊跟5G、IPv6、NB-IoT等技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，使聯(lián)網(wǎng)型的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器更加完善。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

聯(lián)網(wǎng)型獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)主要包括：核心主控芯片STM32，紅外煙霧探測模塊，聲光報(bào)警模塊和無線傳輸模塊。當(dāng)紅外煙霧探測模塊檢測到火災(zāi)煙霧時(shí)，會(huì)將報(bào)警信息發(fā)送給主控芯片，并由主控芯片向報(bào)警模塊發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。同時(shí)，報(bào)警信息通過無線傳輸模塊發(fā)送給用戶或控制中心。無線傳輸模塊可以用目前被廣泛使用的通信協(xié)議，例如WiFi、Zigbee、Bluetooth等。本設(shè)計(jì)以WiFi無線傳輸模塊為例。系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 紅外煙霧檢測電路設(shè)計(jì)。這部分電路主要由紅外傳感器和主控芯片STM32通信連接，通過傳感器接收數(shù)據(jù)，由主控芯片完成煙霧濃度檢測及判斷算法，定時(shí)檢測濃度是否超標(biāo)。電路設(shè)計(jì)框圖，如圖2所示。

圖2 紅外煙霧檢測電路框圖

2.2.2 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)。此部分電路主要用于在檢測到煙霧濃度異?；螂姵氐蛪簳r(shí)，發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，對(duì)附近人群起到提示警告作用。電路設(shè)計(jì)框圖，如圖3所示。

圖3 聲光報(bào)警電路框圖

2.2.3 WiFi無線傳輸模塊設(shè)計(jì)。本無線模塊設(shè)計(jì)基于ESP8266無線模塊，通過串口與主控芯片通信，在發(fā)生報(bào)警時(shí)，主控芯片會(huì)通過WiFi模塊發(fā)送信息給用戶或控制中心。如圖4所示。

圖4 WiFi無線信息傳輸電路框圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 煙霧檢測軟件設(shè)計(jì)。程序開始時(shí)，先進(jìn)行初始化操作，之后進(jìn)入休眠。定時(shí)開啟檢測煙霧，當(dāng)煙霧濃度超標(biāo)時(shí)，發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。具體軟件流程，如圖5(a)、(b)所示。

(a)主流程

(b)煙霧檢測流程

2.3.2 無線通信軟件設(shè)計(jì)。當(dāng)主控芯片檢測到煙霧濃度異常時(shí)，將煙霧報(bào)警通知信號(hào)通過WiFi發(fā)送給用戶或控制中心。具體軟件流程，如圖6所示。

3 應(yīng)用效果

從2016年6月起，在某公司的辦公樓、宿舍以及部分出租屋共安裝基于WiFi的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器531個(gè)，信號(hào)收集器74個(gè)，管理面積共計(jì)9 388 m2。

經(jīng)近1年的運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，如表1所示。表1中存在誤報(bào)率的主要原因是出租屋內(nèi)存在在探測器下做飯的情況，目前已解決。故障率主要是電池問題、設(shè)備自身故障以及信號(hào)收集器由于斷電存在的探測器掉線問題，由于“消防云”系統(tǒng)的存在，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)解決，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。通過小面積的試點(diǎn)證明，安裝基于WiFi的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器，可在火災(zāi)發(fā)生的初期階段發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并通過無線通信的方式聯(lián)動(dòng)響應(yīng)，對(duì)周圍的報(bào)警器進(jìn)行預(yù)警，提示人員進(jìn)行疏散，同時(shí)可以通過移動(dòng)設(shè)備通知管理人員及相關(guān)部門幫助人員進(jìn)行疏散，及時(shí)把火災(zāi)告知該區(qū)域內(nèi)相關(guān)人員。

圖6 WiFi無線通信軟件流程圖

表1 系統(tǒng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表

4 前景與展望

聯(lián)網(wǎng)型的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測報(bào)警器的檢測信號(hào)可傳入?yún)^(qū)域云端服務(wù)器或遠(yuǎn)程云端服務(wù)器的“消防云”，供物業(yè)管理部門、消防技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)或公安機(jī)關(guān)消防機(jī)構(gòu)指揮中心對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)場所的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)把火災(zāi)告知該區(qū)域內(nèi)相關(guān)人員，還可為消防救援人員和火因鑒定人員提供相關(guān)信息支持。此外，通過對(duì)云端大數(shù)據(jù)的處理與挖掘，可為研發(fā)新產(chǎn)品、提升產(chǎn)品性能提供數(shù)據(jù)支持，也為相關(guān)部門制定政策法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提供依據(jù)。由于不需要布線施工，目前的家庭住宅及各類小場所增設(shè)聯(lián)網(wǎng)型的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測器非常方便，便于大面積推廣及使用。推廣實(shí)施后將使全國家庭住宅、各類小場所的火災(zāi)防控工作提升到新高度，產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)不僅可提供“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的高端產(chǎn)品，還將提供可持續(xù)大數(shù)據(jù)時(shí)代的相關(guān)服務(wù)，拉動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)，提高地區(qū)安全等級(jí)和地區(qū)服務(wù)產(chǎn)業(yè)等級(jí)，為城鎮(zhèn)建設(shè)提供安全保障。

[1] 關(guān)于積極推動(dòng)發(fā)揮獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測報(bào)警器火災(zāi)防控作用的指導(dǎo)意見：公消〔2015〕289號(hào)[Z].2015.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測報(bào)警器：GB 20517—2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3] 郭鍵，王汝琳.火災(zāi)探測技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23(2)：208-210.

[4] 疏學(xué)明，袁宏永，趙建華．光電探測器及其在火災(zāi)探測中的應(yīng)用[J]．消防科學(xué)與技術(shù),2002，21(1)：31-33.

[5] 李鵬.光電感煙火災(zāi)探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2008(9):46-47.

[6] 單夫來.智能型光電感煙火災(zāi)探測器的設(shè)計(jì)[J].建筑設(shè)備控制與管理,2008,2(4):73-76.

[7] 孫爽．點(diǎn)型光電感煙火災(zāi)探測器的靈敏度[J]．消防科學(xué)與技術(shù)，2002，21(6)：39-41.

[8] 王殊，竇征.火災(zāi)探測及其信號(hào)處理[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1998.

(責(zé)任編輯 李 蕾)

Thoughts on the Application of Networked Stand-alone Smoke Detectors

XIE Jingrong1, LI Ningning2

(1. Fire Corps of Shanxi Province, Xi’an 710018, China; 2. Shenyang Fire Research Institute of the Ministry of Public Security, Liaoning Province 110034, China)

The wide application of networked stand-alone smoke detectors is an effective means to prevent fires in “nine small places”, communities, and rural residential places. In particular, it is an effective measure to curb fires in the residential areas with vulnerable people, such as pension service institutions, home care, empty nest elderly, and decentralized poor old people. This paper analyzes the technical status quo of the networked stand-alone smoke detectors, with stand-alone smoke detectors with WiFi as an example, and proposes the implementation process of overall design, hardware and software system for networked stand-alone smoke detectors in order to decrease fire incidents and effectively curb the high frequency of small fires causing casualties.

stand-alone smoke detectors; network; fire control safety

2017-04-16

謝景榮(1974— )，男，陜西鳳翔人，高級(jí)工程師； 李寧寧(1979— )，女，山東寧津人，副研究員。

TU892

A

1008-2077(2017)08-0059-04