張凡 肖勤 彭梓齊

摘? 要：在樓宇火災(zāi)中，報警系統(tǒng)報警方式單一、現(xiàn)場人員疏散緩慢及救援不及時是造成火災(zāi)人員傷亡的主要原因。傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)雖然能實現(xiàn)火情的監(jiān)測與報警，但不能根據(jù)現(xiàn)場火情對人員疏散與火災(zāi)救援提供相應(yīng)輔助。本文針對該問題提供了一個能多方式報警、輔助人員疏散與火災(zāi)救援的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。本系統(tǒng)將傳感器采集的室內(nèi)煙霧、求救信號等數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，在失火時根據(jù)用戶位置通過云端計算及時為用戶提供最短的安全逃生路線，同時系統(tǒng)自動控制室內(nèi)應(yīng)急設(shè)備動作以及向救援部門發(fā)送求救信號報告失火點具體位置，及時合理處理火情，減少人員傷亡。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)? 智慧消防? 火災(zāi)逃生? 救援

中圖分類號：TU892? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）11（c）-0083-04

Intelligent System of Fire Escape Based on Internet of Things

ZHANG Fan1? XIAO Qin2? PENG Ziqi1*

（1.Hunan University of Arts and Science， Changde， Hunan Province， 415000 China;

2.Furong College， Hunan University of Arts and Science， Changde， Hunan Province， 415000 China）

Abstract： In building fires， the main causes of fire casualties are the single alarm mode of the alarm system， the slow personnel evacuating at the scene and the untimely rescue. Although the traditional fire alarm system can monitor the fire condition and alarm， it cannot provide corresponding assistance for personnel evacuation and fire rescue according to the fire situation at the scene. This article provides an Internet of things solution， which can alarm in multiple way and assist in personnel evacuation and fire rescue. This system will upload indoor smoke， distress signal and other data collected by sensors to the cloud server， then it uses cloud computing and provides users with the shortest safe escape route in time according to the user's location in the fire. At the same time， to reduce the casualties， the system will automatically control the actions of indoor emergency equipment and sends distress signal to the rescue department to report the specific location of the fire in order that the fire will be solved timely and suitably.

Key Words： Internet of things; Intelligent fire fighting; Fire escape; Rescue

據(jù)有關(guān)消防數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2019年共發(fā)生火災(zāi)4.9萬起，死亡642人，高層建筑發(fā)生火災(zāi)6974起，同比上升10.6%。通過分析，火災(zāi)事故常因疏散緩慢以及救援部門無法確定室內(nèi)火情狀況和受困人員分布，致使人員傷亡慘重。

針對當前消防報警產(chǎn)品功能的單一性及報警效果的時效性，通過與火災(zāi)現(xiàn)場的實際情況相結(jié)合，本文提出了一款智能火災(zāi)逃生系統(tǒng)。系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測建筑內(nèi)部的火情信息，通過智能終端實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警，為用戶規(guī)劃逃生路線，為救援、管理人員提供救援路線，以及提供火場人員分布信息等功能，為火災(zāi)逃生救援工作開展提供極大地幫助，能夠有效地減少人員傷亡。

1? 系統(tǒng)設(shè)計原理

本系統(tǒng)采用STM32407VET6為主控制器，整體包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個部分，通過感知層傳感器網(wǎng)絡(luò)進行實時環(huán)境信息的采集，在網(wǎng)絡(luò)層通過ZigBee模塊無線組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，結(jié)合ESP8266模塊與阿里云ECS云服務(wù)器進行通信，在應(yīng)用層的APP終端、PC終端進行狀態(tài)顯示和設(shè)備操作。

傳感網(wǎng)絡(luò)通過zigbee終端節(jié)點采集室內(nèi)煙霧濃度、人體紅外、求救信號以及出口人數(shù)，將數(shù)據(jù)整合后發(fā)給zigbee協(xié)調(diào)器，主控制器通過串口接收zigbee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的模式控制室內(nèi)的應(yīng)急設(shè)備，同時將數(shù)據(jù)傳輸給云服務(wù)器，進行數(shù)據(jù)分析和終端設(shè)備的數(shù)據(jù)分配，用戶端接收數(shù)據(jù)后將室內(nèi)火情進行圖形化顯示以及為救援人員提供受困者位置等信息，在APP終端為用戶規(guī)劃最短的安全路線及失火地點。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)通過煙霧傳感器、人體紅外傳感器、openmv攝像頭、求救按鈕采集環(huán)境信息，由ZigBee無線組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，主控制器負責(zé)與云服務(wù)器通信及控制語音播報裝置等設(shè)備，太陽能供電裝置作為備用電源確保系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計

MQ-2燃氣檢測模塊具有檢測范圍廣、靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好等特點，適宜于煙霧和可燃性氣體的檢測。當檢測到目標氣體濃度增大時，其輸出的電壓也會增大，主控制器通過對接收的AD信號進行轉(zhuǎn)換可精確的計算出當前氣體濃度。

人體紅外檢測裝置是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，采用LH1778探頭設(shè)計，具有靈敏度高、可靠性強、超低電壓工作的特點，采用人體紅外感應(yīng)模塊監(jiān)測人員分布，確保了人群的安全疏散。

攝像頭使用LBP算法分辨人臉并進行人數(shù)監(jiān)測，LBP算法通過提取局部特征作為判斷依據(jù)，原理如式（1）所示。

（1）

（xc，yc）代表3x3鄰域的中心元素，它的像素值為ic，ip代表鄰域內(nèi)其他像素的值。將一張人臉照片分為若干子區(qū)域，在子區(qū)域內(nèi)根據(jù)LBP值統(tǒng)計其直方圖，以直方圖作為判別特征，可以避免一定范圍內(nèi)圖像沒有完全對準的情況，同時也對LBP做了降維處理[2]。

攝像頭主控采用STM32H7，主頻為400MHz，配備了OV7725標配攝像頭模組，為提高圖像識別的準確性，將openmv固定于出口位置調(diào)節(jié)顏色閾值，進行人臉檢測及人數(shù)統(tǒng)計后，通過串口通信將數(shù)據(jù)傳給STM32微控制器，從而根據(jù)各出口人數(shù)合理控制門禁裝置及語音廣播，避免了出口堵塞以及提高了疏散速度。

2.2 通信裝置設(shè)計

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)采用簇狀型網(wǎng)絡(luò)，配置一個FFD節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器后將ZigBee終端節(jié)點與路由器節(jié)點或協(xié)調(diào)器節(jié)點建立連接，完成好網(wǎng)絡(luò)組建。數(shù)據(jù)前4位用于區(qū)分不同終端設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)路由器將終端設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器，STM32微處理器將協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器后完成數(shù)據(jù)傳輸。使用ZigBee組網(wǎng)傳遞傳感器信息及控制命令避免了有線傳輸在火災(zāi)現(xiàn)場的弊端，ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法保證了安全性;網(wǎng)絡(luò)容量大，可容納65000個設(shè)備;時延短，通常為15～30ms，工作頻段靈活，適用于大型建筑的消防。

系統(tǒng)無線通信采用ESP8266 WIFI模塊與云服務(wù)器進行通信，通過AT指令設(shè)置模塊的工作模式為station模式，復(fù)位后發(fā)送指令A(yù)T+CIPMUX=0啟動單連接加入移動網(wǎng)絡(luò)，通過服務(wù)器IP地址連接云服務(wù)器，使用TCP協(xié)議進行通信。

2.3 處理裝置設(shè)計

語音播報裝置采用DC 5V、1A進行供電，內(nèi)部帶3W功放可滿足大部分應(yīng)用要求，支持FAT16/FAT32文件系統(tǒng)，具備標準3.5音頻接口且支持音響和功放連接。STM32微控制器檢測到不同區(qū)域的火情后加載對應(yīng)的音頻文件，通過控制語音播報模塊及時通知火災(zāi)附近人群失火地點，解決了傳統(tǒng)報警系統(tǒng)盲目報警和無效提醒的弊端，本系統(tǒng)即使火災(zāi)發(fā)生在凌晨也能喚醒熟睡人群及時撤離。

系統(tǒng)針對火災(zāi)受困者跳樓逃生及高樓層用戶疏散緩慢等情況設(shè)計了逃生管道裝置，逃生管道由三個不同材料的織物管構(gòu)成，外層為防火材料，可以保護用戶免受火焰的侵害，中間層是管道的工作層面，疏散者用手撐開管道，可增大身體與管道的摩擦力，延遲降落速度，反之加速，中間層與外層有一定間隙，可以起到隔熱的效果。逃生管道裝置的設(shè)計在減少火災(zāi)跳樓事件的同時，增加了逃生方式以及提高了疏散速度。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 桌面端程序設(shè)計

桌面端程序使用C#語言進行編寫，在程序中使用Microsoft類庫與服務(wù)器進行socket通信實現(xiàn)遠程控制硬件設(shè)備，通過添加MySQL數(shù)據(jù)配置文件使程序能直接對數(shù)據(jù)庫進行增刪改查操作。PC端將火場信息進行圖形化顯示以及對室內(nèi)應(yīng)急設(shè)備進行遠程控制，便于救援人員開展救援工作。PC端效果顯示圖如圖3所示。

3.2 APP程序設(shè)計

在APP的注冊/登錄界面中，通過TCP協(xié)議與服務(wù)器建立連接，將用戶輸入的用戶名和密碼上傳至服務(wù)器處理，并存儲至數(shù)據(jù)庫中，接收到注冊/登錄成功的信號后自動跳轉(zhuǎn)至登錄界面，若信息發(fā)生錯誤則提示注冊/登錄失敗。進入用戶界面后，將用戶點擊的自身位置及圖片信息轉(zhuǎn)化為地圖數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，經(jīng)服務(wù)器處理后返回地圖路線和起火點等數(shù)據(jù)，然后將其轉(zhuǎn)化為圖片信息（canvas）進行圖像化顯示，APP為不同位置的用戶規(guī)劃最短安全路線以及發(fā)送火災(zāi)提醒信息有助于及時逃離火災(zāi)現(xiàn)場，在APP中增加了顯示滅火器按鈕，當用戶點擊后，應(yīng)用canvas類將滅火器位置顯示在地圖上，便于及時滅火。

3.3 服務(wù)器的設(shè)計與部署

本系統(tǒng)采用阿里云ECS云服務(wù)器，將C#編寫的服務(wù)器上傳至云服務(wù)器中運行，使得PC終端和APP終端在網(wǎng)絡(luò)連接下都能進行數(shù)據(jù)傳輸。使用socket監(jiān)聽所有客戶端，在三次握手后，通過TCP協(xié)議建立連接，有利于在數(shù)據(jù)傳輸中降低死鎖發(fā)生的可能性，防止數(shù)據(jù)丟失。

3.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)使用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲地圖數(shù)據(jù)、用戶、管理員以及救援人員的身份信息。避免因應(yīng)用程序發(fā)送多個冗長的SQL語句，導(dǎo)致MySQL數(shù)據(jù)庫存儲過程減少了應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間的流量，數(shù)據(jù)庫接口在存儲過程中暴露給所有應(yīng)用程序，不必開發(fā)存儲過程中已支持的功能且性能卓越服務(wù)穩(wěn)定，便于維護。

4? 結(jié)語

本文通過分析影響火災(zāi)逃生的因素，并結(jié)合火災(zāi)現(xiàn)場的具體情況與傳統(tǒng)設(shè)備進行對比，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能火災(zāi)逃生系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用傳感器實時采集火場信息，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云服務(wù)器進行通信，結(jié)合PC終端和APP終端為受困人員和救援人員提供了有效逃生設(shè)備和救援工具。

在火災(zāi)現(xiàn)場應(yīng)用本系統(tǒng)，可以準確快速的確定失火地點和求救者位置，為救援人員的營救工作建立了基礎(chǔ)條件。本系統(tǒng)性能好，穩(wěn)定性高且成本低，適合推廣使用。

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