崔洺瑀 青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院

1 前言

我國大多數(shù)建筑的消防系統(tǒng)監(jiān)控值班人員存在數(shù)量不足，增添值班人員又存在人員管理以及經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)的問題；現(xiàn)代建筑中采用的火災(zāi)探測器大多以單一參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，誤報(bào)率高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；消防系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)集中監(jiān)控，現(xiàn)代建筑大多具有人流密集的特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)如果無法有效、快速發(fā)揮作用，后果將不堪設(shè)想。所以設(shè)計(jì)一套完善、可靠的消防監(jiān)控系統(tǒng)迫在眉睫。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件需求分析

消防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是為了降低火災(zāi)的誤報(bào)率，盡可能消除安全隱患，為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全提供保障。單一的檢測數(shù)據(jù)往往會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)率較高的情況。本設(shè)計(jì)選擇溫度，CO濃度，煙霧濃度以及人體感應(yīng)等參數(shù)，作為判斷依據(jù)。傳感器模塊以吊頂?shù)姆绞桨惭b，集成各類傳感器模塊的復(fù)合火災(zāi)探測器四周均勻分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境火災(zāi)隱患的檢測。

2.2 系統(tǒng)的控制器

整個(gè)系統(tǒng)最重要的部分就是系統(tǒng)中的消防控制器，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的采集與控制的功能。通過對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)整棟建筑的消防預(yù)警。消防控制器是硬件系統(tǒng)的核心控制器，該系統(tǒng)要求所選擇的控制器可以連接16到32個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器，編寫應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制。

系統(tǒng)采用32bit ARM芯片LPC2214處理器，它能克服8bit CPU速度與容量的缺陷，滿足現(xiàn)代建筑的火災(zāi)報(bào)警需求。綜合火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的復(fù)雜性，采用LPC 2214為系統(tǒng)提供高速運(yùn)算與控制，支持嵌入系μC/OS-Ⅱ，該處理器的主控制芯片有豐富的外圍接口，可滿足消防監(jiān)控報(bào)警的實(shí)時(shí)性處理要求。

2.3 系統(tǒng)的傳感器

建筑的室內(nèi)外消防安全指標(biāo)包括：溫度，CO濃度，煙霧濃度，基于此設(shè)計(jì)了適用于建筑安裝的體積小、功耗低的溫度檢測裝置，煙霧顆粒度與濃度檢測裝置，CO濃度檢測裝置，人體檢測裝置等傳感器設(shè)備。

2.3.1 溫度傳感器

DHT11傳感器的通訊方式是單總線的串口通訊形式，每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間約在4ms左右。其測溫范圍為0~50℃，測量精度為1℃，DHT11收到命令后將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完后，DHT11傳感器會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，降低功耗。完成功能的同時(shí)可以節(jié)能減耗，是消防監(jiān)控系統(tǒng)中溫度傳感器的一種較好的選擇。DHT11是數(shù)字傳感器，所以不需要進(jìn)行模數(shù)的轉(zhuǎn)換， 其中引腳1為供電VDD，提供3到5.5V直流電；引腳2為DATA 串行數(shù)據(jù)，是單總線；引腳3懸空；引腳為GND接地線，接電源負(fù)極。

檢測流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，首先檢測是否接收到無線命令，若接收到無線命令，則向DHT11溫度傳感器發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)，讀取溫度值并進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，最后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到復(fù)合火災(zāi)探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；若沒有接收到無線命令，則返回上一層繼續(xù)檢測是否接收到無線命令。

2.3.2 CO 氣體傳感器

通過查閱大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的情況下，在突發(fā)火災(zāi)的時(shí)候，最開始最大的變化是由于物體的不充分燃燒所產(chǎn)生一氧化碳會(huì)急劇增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一氧化碳含量最高時(shí)候可達(dá)百分之十，從一氧化碳的物理特性來說，其質(zhì)量很輕，相比普通空氣及燃燒所產(chǎn)生的煙霧來說更易傳播，所以通過進(jìn)行一氧化碳的濃度測試也是監(jiān)測火災(zāi)情況的一種手段。

本系統(tǒng)選用市面上最新上市的CO氣體傳感器，該傳感器能夠?qū)諝庵械腃O氣體有較高的靈敏度且功耗低，可靠性高，其符合消防監(jiān)控系統(tǒng)的需求。將CO氣體傳感器安裝于被測氣體容易泄露的室內(nèi)室外危險(xiǎn)場所，探測環(huán)境中的CO氣體濃度。

檢測流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，首先檢測是否接收到無線命令，若接收到無線命令，則向CO氣體傳感器發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)，讀取濃度值并進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，最后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到復(fù)合火災(zāi)探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；若沒有接收到無線命令，則返回上一層繼續(xù)檢測是否接收到無線命令。

2.3.3 煙霧濃度傳感器

煙霧濃度傳感器可以有效的檢測環(huán)境中的煙霧顆粒濃度，對(duì)建筑環(huán)境的消防安全隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，若濃度超出標(biāo)準(zhǔn)，則向消防控制器發(fā)送數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)作出響應(yīng)，從而防止火災(zāi)或者事故的發(fā)生。煙霧濃度傳感器采用光電型感煙傳感器，其主要采用由紅外發(fā)光二極管IR5123C和硅電池PD243B組成的煙霧探測室來實(shí)現(xiàn)煙霧濃度的檢測，具有自診斷功能，漂移補(bǔ)償抗灰塵引起的干擾的能力，成本低且組成結(jié)構(gòu)簡單

檢測流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，首先檢測是否接收到無線命令，若接收到無線命令，則向煙霧濃度傳感器發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)，讀取濃度值并進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，最后將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到復(fù)合火災(zāi)探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；若沒有接收到無線命令，則返回上一層繼續(xù)檢測是否接收到無線命令。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)庫的搭建

在消防監(jiān)控系統(tǒng)中，得到的許多信息都需要保存，如大型建筑中的用戶信息、溫度信息、CO濃度信息等。根據(jù)需求，利用數(shù)據(jù)庫管理工具，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)建立數(shù)據(jù)庫中的表結(jié)構(gòu)及表與表間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)高效地對(duì)已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

（1）用戶信息表

用戶信息表，用來存儲(chǔ)用戶注冊記錄的編號(hào)、用戶登錄名、用戶登錄密碼以及所在環(huán)境網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)。具體如表1所示：

表1 用戶信息表

表1 用戶信息表

字段名稱 數(shù)據(jù)類型 是否可以為空 注釋id nchar 否 用戶編號(hào)nodeid vchar 否 節(jié)點(diǎn)的ID username vchar 否 用戶姓名userpassword vchar 否 登錄密碼

（2）一氧化碳濃度信息表

一氧化碳濃度數(shù)據(jù)表用于存儲(chǔ)各一氧化碳濃度監(jiān)測模塊采集的數(shù)據(jù)，具體如表2所示：

表2 一氧化碳濃度數(shù)據(jù)表

（3）溫度信息表

溫度數(shù)據(jù)表用于存儲(chǔ)各溫度監(jiān)測模塊采集的數(shù)據(jù)，具體如表3所示：

表3 溫度數(shù)據(jù)表

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1）功能性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

消防監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足的基本功能有：火災(zāi)特征參量數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示，系統(tǒng)報(bào)警等。本組試驗(yàn)，搭建完數(shù)據(jù)庫后，取一個(gè)集成好的復(fù)合火災(zāi)探測器通過485總線通信，連接物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，連接云服務(wù)器，進(jìn)行系統(tǒng)的功能性驗(yàn)證試驗(yàn)。在未發(fā)生火災(zāi)情況下，溫度所反映的電壓曲線值在150mV左右，CO氣體所反映的電壓曲線值在300mV左右，煙霧所反映的電壓曲線值在50mV左右。從網(wǎng)頁上所反映的電壓值與經(jīng)驗(yàn)值相差不大，說明底層數(shù)據(jù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了上傳。進(jìn)行后面的試驗(yàn)時(shí)我們模擬幾種常見的火災(zāi)發(fā)生前期的情景，我們的系統(tǒng)實(shí)時(shí)的顯示了數(shù)據(jù)并且各路參數(shù)都出現(xiàn)了較明顯的浮動(dòng)，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)聲光報(bào)警提醒用戶，與設(shè)想相符。說明設(shè)計(jì)的消防監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)火災(zāi)特征參量的數(shù)據(jù)采集和顯示，并且能夠在危險(xiǎn)情境下報(bào)警。

（2）火災(zāi)響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)

選取木材陰燃火、棉繩陰燃火、聚氨酯明火、乙醇明火作為實(shí)驗(yàn)火，將材料分別放在火盆中燃燒，實(shí)驗(yàn)火比真實(shí)的火災(zāi)現(xiàn)場火情輕，故將復(fù)合火災(zāi)探測器安裝于火盆上方1m處。

木材陰燃火主要模擬建筑物中的木材的燃燒，棉繩陰燃火主要模擬的是建筑物當(dāng)中織物的燃燒，聚氨酯塑料火主要模擬建筑物內(nèi)的大量化學(xué)塑料的燃燒，乙醇明火主要模擬建筑物內(nèi)的化學(xué)燃料的燃燒。經(jīng)過試驗(yàn)，木材陰燃火響應(yīng)時(shí)間時(shí)間為 19.7s，棉繩陰燃火響應(yīng)時(shí)間為17.2s，聚氨酯明火響應(yīng)時(shí)間為21.5s，乙醇明火響應(yīng)時(shí)間為20.3s。四組燃燒實(shí)驗(yàn)中CO氣體曲線均出現(xiàn)較大幅度的上升，說明燃燒過程中四種情境均產(chǎn)生了大量的CO氣體。其次，陰燃火產(chǎn)生的熱量少、煙霧多，溫度對(duì)應(yīng)的曲線上升幅度較小，煙霧對(duì)應(yīng)的曲線上升幅度較大；明火產(chǎn)生的熱量多、煙霧少，溫度對(duì)應(yīng)的曲線上升幅度較大，煙霧對(duì)應(yīng)的曲線上升幅度較小。

4 總結(jié)

消防監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)有火災(zāi)探測器的研究基礎(chǔ)上，以無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、搭建數(shù)據(jù)庫、云服務(wù)平臺(tái)、RS-485總線為核心，以火災(zāi)特征參量溫度、CO氣體濃度、煙霧濃度、是否有人員在場為研究對(duì)象，利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)火災(zāi)特征參量進(jìn)行融合設(shè)計(jì)了多參數(shù)火災(zāi)探測器，并以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器節(jié)點(diǎn)以及RS-485總線為載體構(gòu)建分布式火災(zāi)探測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)的火災(zāi)探測。本課題所研究的多參數(shù)火災(zāi)探測器已達(dá)到了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火災(zāi)的及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)警。