◆王菁藝 李斌勇 姚 瑤

基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭消防安全監(jiān)控系統(tǒng)

◆王菁藝 李斌勇 姚 瑤

（成都信息工程大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院 四川 610225）

針對居民家庭的消防安全問題，分析了潛在的消防安全隱患。圍繞這些消防隱患，提出了基于家庭無線局域網(wǎng)的家庭消防監(jiān)控與預(yù)警的系統(tǒng)方案。在此基礎(chǔ)上分析了系統(tǒng)的功能需求，并結(jié)合系統(tǒng)需求設(shè)計了相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。為構(gòu)建家庭消防安全監(jiān)控系統(tǒng)，分別對傳感器模塊、ZigBee無線傳感網(wǎng)、終端設(shè)備和數(shù)據(jù)中心等進行了詳細設(shè)計。結(jié)合上述模塊體系，設(shè)計出系統(tǒng)邏輯處理流程。最后按照設(shè)計思路，從物聯(lián)網(wǎng)的角度完成了系統(tǒng)實現(xiàn)。本系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，能為家庭消防安全提供實時監(jiān)控和及時預(yù)警支撐，同時也能有效避免家庭消防事故的發(fā)生。

家庭消防；ZigBee；無線傳感網(wǎng)；安全監(jiān)控

0 引言

消防安全問題歷來是家庭日常生活關(guān)注的焦點之一，其與人民的生命與財產(chǎn)安全息息相關(guān)。近年來，隨著國民生活水平的提高，家庭內(nèi)裝修材料更加多樣化，各種用電設(shè)備急劇增加，各種燃氣設(shè)備的使用更加普遍化，尤其燃氣灶、熱水器等大功率電器的頻繁使用，稍有不慎均可能會導(dǎo)致火災(zāi)、燃氣泄漏等安全問題，甚至還會引發(fā)嚴(yán)重的爆炸事故，使目前許多家庭居住環(huán)境面臨嚴(yán)重的安全隱患。

同時計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳輸技術(shù)蓬勃發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了各種無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，從無線廣域網(wǎng)到基于IEEE 802.11的無線局域網(wǎng)，以及基于藍牙和ZigBee的無線個域網(wǎng)。這些無線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)將安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展帶入了一個新的階段。尤其是各類設(shè)備的互相連接不再局限于有限連接，且具備了良好的移動性能，使得系統(tǒng)對室內(nèi)擁有更全方位的監(jiān)控的同時還能滿足美觀的需求，為解決家庭消防安全監(jiān)控提供了可行的技術(shù)支撐。

家庭消防安全監(jiān)控系統(tǒng)用于加強家庭消防安全，可實時監(jiān)控家中的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、可燃氣體濃度及煙霧濃度等，用戶可實時查看各項環(huán)境數(shù)據(jù)，還可以通過更直觀的查看圖片的方式來了解家中的實時情況，當(dāng)家中發(fā)生火警、燃氣泄漏等消防安全事件時，家庭成員可以受到報警信息并及時核實警情，采取相應(yīng)的措施，避免因發(fā)現(xiàn)不及時而造成更大的生命財產(chǎn)損失。

1 系統(tǒng)功能需求

1.1消防監(jiān)控功能

家庭安全消防監(jiān)控系統(tǒng)是集ZigBee、計算機、通信和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)于一體的智能化的消防安全系統(tǒng)。室內(nèi)的實時環(huán)境數(shù)據(jù)通過家庭內(nèi)部的終端設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心對數(shù)據(jù)進行存儲、整理和分析，實時監(jiān)控家中消防情況，給出用戶相應(yīng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)可在手機或瀏覽器端查看實時的室內(nèi)情況、環(huán)境數(shù)據(jù)，還可發(fā)出指令拍攝室內(nèi)照片，更直觀地了解家中情況。

1.2消防報警功能

數(shù)據(jù)中心接收到用戶家中發(fā)來的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，對其進行存儲、整理，數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定好的閾值比對后，得出目前室內(nèi)的情況，當(dāng)數(shù)據(jù)超過臨界值，啟動報警系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心像用戶發(fā)送報警信息，用戶收到報警信息后，可發(fā)出拍攝照片的命令進行確定，便于及時采取措施，防止造成更嚴(yán)重的人身財產(chǎn)損失。

2 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計（如圖1）

感知識別層：主要通過各種類型的傳感器對室內(nèi)物質(zhì)性質(zhì)、環(huán)境狀態(tài)等信息開展大規(guī)模、長期、實時的獲取。本系統(tǒng)中的傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、可燃氣體傳感器、煙霧傳感器、CO傳感器、攝像頭等。

圖 1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)傳輸層：這層的主要作用是把感知識別層的設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，供上層服務(wù)使用。本系統(tǒng)中該層涉及到的硬件設(shè)備有CC2530、終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、路由器等綜合服務(wù)應(yīng)用層：該層的主要作用是對數(shù)據(jù)進行存儲，并將數(shù)據(jù)高效、可靠地組織起來，在通過各類應(yīng)用軟件為用戶提供服務(wù)。該層的硬件設(shè)備有云服務(wù)器、手機、PC機等。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

3.1傳感器模塊設(shè)計

該系統(tǒng)的傳感器主要包括溫度傳感器、煙霧傳感器及可燃氣體傳感器等，這些傳感器可以實時采集家中環(huán)境數(shù)據(jù)，然后利用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，先將這些傳感器安裝到ZigBee終端模塊，然后ZigBee終端模塊讀取傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送到ZigBee中央?yún)f(xié)調(diào)器模塊，ZigBee中央?yún)f(xié)調(diào)器模塊對數(shù)據(jù)進行讀取及封裝，并發(fā)送到串口。

3.2ZigBee無線傳感網(wǎng)

傳感器節(jié)點散落于被監(jiān)測區(qū)域，以自組織形式形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)。各節(jié)點收集采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過多跳中繼的方式路由至信息收集點（sink），最終借助長距離或臨時建立的sink鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠程中心進行集中處理。

3.3終端設(shè)備

終端設(shè)備可以使用PC機或嵌入式技術(shù)開發(fā)，終端設(shè)備安裝在用戶家中，用來接收無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)信息，即通過串口接收數(shù)據(jù)信息，并把實時數(shù)據(jù)信息存儲在本地數(shù)據(jù)庫中，如果使用的是嵌入式開發(fā)，可使用嵌入式數(shù)據(jù)庫，如果使用的是PC，可使用SQL Server、Oracle、MySQL等數(shù)據(jù)庫。此外，終端設(shè)備還需要將數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，以便對數(shù)據(jù)進行進一步的處理。

3.4數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心包含通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及WEB服務(wù)器三部分。終端設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送給通信服務(wù)器，通信服務(wù)器接收到傳感器數(shù)據(jù)信息、報警信息或照片信息后，將數(shù)據(jù)信息和報警信息存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，將照片信息發(fā)送給用戶。同時，通信服務(wù)器還可以接收用戶發(fā)出的拍攝照片的命令，并將這個命令發(fā)送給終端設(shè)備。用戶可通過WEB服務(wù)器，使用手機端或WEB瀏覽器來查詢家中實時環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)家中發(fā)生火警、燃氣泄漏等消防安全事件時，WEB服務(wù)器接到報警信息，會立即發(fā)送信息給用戶。

3.5終端及WEB頁面模塊

手機終端和WEB頁面是直接面向用戶的，用戶成功注冊后，可以選擇在手機終端或WEB頁面登錄來查看家中實時環(huán)境數(shù)據(jù)和報警信息，也可發(fā)出拍攝照片的命令，通過圖片查看室內(nèi)狀況。

3.6系統(tǒng)流程設(shè)計

如圖2所示為消防安全監(jiān)控系統(tǒng)流程設(shè)計圖。

傳感器信號可以輸入到ZigBee終端模塊的數(shù)據(jù)采集端口，使用C語言編程采集這個端口的數(shù)據(jù)信號及報警信號，以自定義的一種數(shù)據(jù)格式通過ZigBee協(xié)議向位于終端設(shè)備的中央?yún)f(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，中央?yún)f(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后按事先定義的協(xié)議格式進行封裝。程序編譯運行無誤后，將ZigBee終端模塊，ZigBee中央?yún)f(xié)調(diào)器模塊通過USB線連接到PC機上，使用IAR將程序下載到這些硬件模塊上，通電打開開關(guān)后即可進入工作狀態(tài)。終端設(shè)備通過串口從ZigBee中央?yún)f(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)信息和報警信息，對其進行存儲并通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心的通信服務(wù)器接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，手機端開發(fā)微信等內(nèi)置的應(yīng)用小程序或Android及iOS版本的APP，然后再進行前端頁面及web系統(tǒng)開發(fā)，用戶通過手機端和web瀏覽器訪問web服務(wù)器，即可獲取所需信息。

圖2 系統(tǒng)流程設(shè)計

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖3 系統(tǒng)登錄頁面

如圖3所示為系統(tǒng)登錄頁面，只有通過驗證的用戶才有權(quán)限查看和控制家庭消防安全監(jiān)控系統(tǒng)。

如圖4所示為系統(tǒng)的立體監(jiān)控實現(xiàn)模塊，其主要通過紅燈警報、黃燈預(yù)警和綠燈安全三個模塊來支持物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與預(yù)警，用戶可在此頁面全方位地查看室內(nèi)概況，及時掌握家庭室內(nèi)的消防安全狀況。

圖4 首頁

圖5 數(shù)據(jù)頁面

如圖5所示為系統(tǒng)數(shù)據(jù)頁面，用戶可分別查看各房間對應(yīng)傳感器的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并提供各傳感器詳細信息查看，以便進一步掌握家庭消防相關(guān)的歷史狀況。

5 結(jié)束語

本文所研究的家庭安全消防監(jiān)控系統(tǒng)，著重點為消防安全，各種硬件軟件的設(shè)計與安排均是圍繞消防安全而展開，尤其是對室內(nèi)消防環(huán)境進行全方位的監(jiān)控，為解決無人化的家庭消防安全監(jiān)控提供了可行的技術(shù)應(yīng)用支持。

然而家庭安全涉及諸多方面，未來還有更多工作有待進一步研究。由于各硬件設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)基本完備，未來可考慮對系統(tǒng)進行拓展。例如部署室內(nèi)空氣監(jiān)控模塊，尤其是增加測量甲醛、苯等有毒有害氣體濃度的傳感器節(jié)點，用戶便可實時掌握家庭室內(nèi)空氣狀況。此外，防盜也是家庭室內(nèi)安全的另一關(guān)注點，對此可在現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上在門窗附近安裝幾個紅外線傳感器和門磁傳感器節(jié)點，當(dāng)室內(nèi)無人或用戶在室內(nèi)處于睡眠狀態(tài)時將這些節(jié)點開啟，當(dāng)有人進入時便會觸發(fā)紅外線傳感器和門磁傳感器，迅速響起警報并發(fā)送報警信息給用戶，以便用戶及時采取應(yīng)對措施。

[1]陳瑞，王青云.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006.

[2]崔鐵良，盧許，陳援非.基于云服務(wù)的家庭物聯(lián)網(wǎng)智能消防系統(tǒng)[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012.

[3]劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社，2013.

[4]馬洪連.物聯(lián)網(wǎng)感知與控制技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2012.

[5]袁敬坤，謝汪智，王俊偉，王波，李弘洋，王燕杰.基于ZigBee技術(shù)的家庭智能安全監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子世界，2015.

[6]江修波.ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用[J].低壓電器，2005.

四川省教育廳重點項目(17ZA0069)、成都信息工程大學(xué)科研基金資助項目(KYTZ201618)。