湖南信息學(xué)院電子信息學(xué)院 陶曾杰 宋春雨 唐 培 卜 沉

1 引言

2018年3月25日，俄羅斯西一家名為“冬季櫻桃”的購物中心發(fā)生了重大火災(zāi)，此次火災(zāi)造成64人死亡，50多名傷者送醫(yī)[1]。近幾年，我國每年發(fā)生火災(zāi)約4萬起，死亡2000人左右，傷殘約3000-4000人，每年火災(zāi)造成的直接財產(chǎn)損失達10多億元[2]。從火災(zāi)發(fā)生的場所分析，住宅和人口密集的場所發(fā)生的火災(zāi)造成人員的傷亡率最高。

我國在消防領(lǐng)域做了大量的技術(shù)推進，在大、中型建筑及公共場所安裝了用以預(yù)防火災(zāi)事故發(fā)生的火災(zāi)探測報警系統(tǒng)，但大多數(shù)火災(zāi)報警控制器以MCU為核心，處于獨立使用階段，火災(zāi)探測器及聯(lián)動裝置很少配合實現(xiàn)火災(zāi)自動報警及聯(lián)動功能。要想發(fā)生火災(zāi)時，能夠迅速地控制火災(zāi)，將火災(zāi)造成的損失降到最低程度，這需要增加消防現(xiàn)代化設(shè)備投入的同時，更重要的是用高科技含量高、反應(yīng)速度快的聯(lián)網(wǎng)管理監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計的火災(zāi)報警控制系統(tǒng)能解決上述問題。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things簡稱IoT）是通過將各種信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換、信息通信和信息處理，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[3]。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，具有全面感知、可靠傳遞、智能處理三大特征，此三大特征對于火災(zāi)的感知、監(jiān)控具有全面迅速地作用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

該報警控制系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)來設(shè)計，主要包括感知層的數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)層的Internet和移動通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)用層的數(shù)據(jù)存儲與處理等。整個火災(zāi)報警監(jiān)控系統(tǒng)以火災(zāi)報警控制器為中心，該控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見圖1。通過在傳統(tǒng)火災(zāi)報警控制器內(nèi)嵌入網(wǎng)絡(luò)或GSM模塊，使火災(zāi)控制系統(tǒng)得到升級。當火災(zāi)發(fā)生時，物聯(lián)網(wǎng)感知層即溫度傳感器和煙霧傳感器等將數(shù)據(jù)傳送到火災(zāi)探測器，火災(zāi)探測器做出分析在現(xiàn)場以聲光形式做出預(yù)報警，并把相應(yīng)數(shù)據(jù)傳遞到火災(zāi)報警控制器，火災(zāi)報警控制器將相關(guān)火警信息轉(zhuǎn)發(fā)到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層即因特網(wǎng)或蜂窩移動網(wǎng)上，數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用層，應(yīng)用層為業(yè)主手機端、物業(yè)平臺或消防局，即實現(xiàn)物業(yè)或消防聯(lián)動。

圖1 火災(zāi)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從火災(zāi)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖得出，火災(zāi)報警控制器是整個火災(zāi)控制系統(tǒng)的核心，起著承上啟下的橋梁作用，負責(zé)探測器的信號的存儲轉(zhuǎn)發(fā)、同時執(zhí)行應(yīng)用層云端下達的控制命令。無論是火災(zāi)報警信號、故障信號還是巡檢正常，火災(zāi)報警控制器都將通過網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)與應(yīng)用層通信，應(yīng)用平臺則可以實時了解到各個火災(zāi)報警器的運行狀態(tài)，掌握現(xiàn)場情況[4]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

按照圖1的火災(zāi)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)硬件主要由監(jiān)控主機、移動終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、火災(zāi)報警控制器、探測器和執(zhí)行機構(gòu)等組成。

3.1 應(yīng)用層硬件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層相當于人的大腦，主要對網(wǎng)絡(luò)層輸送的數(shù)據(jù)進行處理，提供信息服務(wù)，滿足用戶的需求，關(guān)鍵性技術(shù)主要有大數(shù)據(jù)、云計算等。該系統(tǒng)應(yīng)用層硬件主要是移動終端設(shè)備和監(jiān)控主機，移動終端設(shè)備主要是業(yè)主手機；監(jiān)控主機硬件由PC服務(wù)器組成，操作系統(tǒng)采用Windows10，監(jiān)控主機主要接收網(wǎng)絡(luò)層傳送上來的數(shù)據(jù)，并實時存儲處理分析，當數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，將進一步查看相應(yīng)地點的監(jiān)控數(shù)據(jù)確認火災(zāi)的發(fā)生，第一時間下達控制命令，同時將與消防物業(yè)聯(lián)動，向消防部門和物業(yè)發(fā)出報警信號等。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層硬件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層相當于人的神經(jīng)中樞，通過網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲取的信息進行傳輸，信息高速路，是架設(shè)在感知層與應(yīng)用層的信息通道，關(guān)鍵性技術(shù)主要有互聯(lián)網(wǎng)、移動通信、Wi fi、ZigBee等[3]。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層硬件分為兩種，一種是采用有線傳輸，借助于光纖到桌面的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；另一種是無線傳輸，借助于基站的移動通信設(shè)備。

3.3 感知層硬件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)感知層相當于人的感官，利用RFID、傳感器、GPS定位等技術(shù)隨時隨地識別物體，采集信息，實現(xiàn)對物理世界的感知，關(guān)鍵性技術(shù)主要有RFID、傳感器、GPS定位、嵌入式系統(tǒng)等[3]。本系統(tǒng)感知層主要完成火災(zāi)現(xiàn)場對環(huán)境的感知及現(xiàn)場預(yù)報警，向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，接收來自網(wǎng)絡(luò)層的控制指令。硬件主要有兩大模塊組成，即火災(zāi)控制器和探測器及執(zhí)行機構(gòu)，感知層硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

兩大模塊的微控制器都選用的是ATMEL公司的AT89C55WD單片機，自帶看門狗功能，帶20k的程序存儲器，它是整個感知層硬件的核心，一是對傳感器發(fā)送來的輸入數(shù)據(jù)進行必要的計算和處理工作，二是火災(zāi)控制器通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)，并以TCP/IP數(shù)據(jù)方式傳送到應(yīng)用層[5]，同時通過GPRS將火災(zāi)信號以短信的形式發(fā)送到業(yè)主手機上。

圖2 感知層硬件結(jié)構(gòu)圖

3.3.1 火災(zāi)探測器及執(zhí)行機構(gòu)

火災(zāi)探測器及執(zhí)行機構(gòu)是感知層負責(zé)對現(xiàn)場信號的監(jiān)測和實時聲光報警以及切斷電源操作等，主要由信號檢測、微控制器和聲光報警等模塊組成。

（1）信號檢測模塊

檢測模塊檢測的信號主要有火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的煙霧濃度、CO2氣體和環(huán)境溫度。煙霧濃度的檢測根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的不同地點，選用了不同類型的探測器，如小區(qū)地下車庫、樓梯間和走道選用的是光電感煙火災(zāi)探測器，住宅的客廳和臥室采用獨立感煙探測器，廚房安裝點型可燃氣體探測器[6]；CO2氣體的檢測采用S-100 CO2傳感器；環(huán)境溫度的檢測采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。

（2）聲光報警及執(zhí)行模塊

各信號檢測模塊檢測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換等將傳送到現(xiàn)場微控制器中，微控制器對這些數(shù)據(jù)存儲處理傳送，當超出預(yù)定值，在控制現(xiàn)場將進行聲光報警和執(zhí)行控制命令。報警方式主要通過LED指示燈和蜂鳴器進行聲光報警，不同故障對應(yīng)不同的報警指示燈。同時對報警值還進行了延時確定，若它們超出設(shè)定的延時時間，微控制器便會輸出執(zhí)行信號來關(guān)閉現(xiàn)場總電源開關(guān)，即延時斷電，同時啟動消防水泵， 提供消防用水來滅火。

3.3.2 火災(zāi)控制器

火災(zāi)控制器主要負責(zé)對火災(zāi)探測器傳送來的數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)傳送，采用微控制器+以太網(wǎng)控制器+GSM的嵌入式服務(wù)器模式，功能相對簡單。其硬件主要由五個模塊構(gòu)成：微處理器控制模塊、串口通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、GPRS模塊、看門狗模塊[5]。其中串口通信模塊主要負責(zé)火災(zāi)探測器與火災(zāi)控制器之間的通信；工業(yè)中通常以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)與Internet的互聯(lián)等。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括三部分內(nèi)容：一是火災(zāi)探測器及執(zhí)行機構(gòu)的軟件設(shè)計；二是火災(zāi)控制器的軟件設(shè)計；三是應(yīng)用層的軟件設(shè)計。

火災(zāi)探測器及執(zhí)行機構(gòu)的軟件設(shè)計主要包括信號的A/D轉(zhuǎn)換、報警處理和串行通信等。信號的A/D轉(zhuǎn)換主要對采集到的煙霧濃度模擬信號通過程序轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；報警判定是軟件設(shè)計中的較重要部分，它通過對傳感器傳送上來的數(shù)據(jù)進行分析、比較、判斷并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，如果所接收到的數(shù)據(jù)超出設(shè)定值就以聲光報警的形式提醒現(xiàn)場；轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)將通過串行口傳送到火災(zāi)控制器端，主流程圖見圖3[4]。

圖3 探測器端信號判定及通信主流程圖

要執(zhí)行與連接Internet相關(guān)的功能，就要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。由于嵌入式系統(tǒng)資源有限，系統(tǒng)實現(xiàn)了簡化的TCP/IP協(xié)議。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)鏈路層上采用RTL8019AS來實現(xiàn)，為了保證通信的正常運行，系統(tǒng)還采用了ARP應(yīng)答協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層上采用IP協(xié)議，還采用了能報告數(shù)據(jù)傳輸差錯等情況的ICMP協(xié)議；傳輸層采用傳輸控制協(xié)議TCP；應(yīng)用層傳遞來自以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)報作打包拆包處理[7]。

火災(zāi)控制器軟件設(shè)計主要包括芯片的初始化、驅(qū)動程序、協(xié)議棧以及網(wǎng)絡(luò)配置程序。初始化的主要任務(wù)是設(shè)置微處理器和外圍芯片的工作方式和端口配置等；驅(qū)動程序主要針對以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS而編寫，用于選擇工作方式和緩沖區(qū)的分配；網(wǎng)絡(luò)配置程序主要是給系統(tǒng)分配IP地址和域名[4]。

對于基于物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)報警控制系統(tǒng)來說，應(yīng)用層云平臺要能接收網(wǎng)絡(luò)層傳送上來的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行存儲分析處理，并向消防主管部門報警和提供發(fā)生火災(zāi)的地點具體信息等；各網(wǎng)絡(luò)用戶也可以通過Internet訪問應(yīng)用層服務(wù)器查詢系統(tǒng)內(nèi)各單位的火災(zāi)實時監(jiān)控信息或歷史火災(zāi)信息等功能。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能火災(zāi)報警控制系統(tǒng)，從現(xiàn)場信號的檢測、現(xiàn)場報警到數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳送，使得原有的單一的火災(zāi)報警控制器提升為網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)報警控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了火災(zāi)探測器、火災(zāi)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)化；使得火災(zāi)報警控制系統(tǒng)更加快速地探測，多角度多層次的火災(zāi)監(jiān)控，提高了報警的準確性，增強了智能化處理能力。