陳惠玲，劉佳文，秦子敬，宋天琪，蔣羽田，李萬(wàn)清

(杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018)

0 引 言

近五年來(lái)，國(guó)內(nèi)火災(zāi)每年發(fā)生次數(shù)都在十萬(wàn)次以上，每年家庭火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)占總火災(zāi)發(fā)生次數(shù)的50%以上，其中家庭火災(zāi)死亡的人數(shù)占到了總?cè)藬?shù)的70%[1]以上。以杭州藍(lán)色錢江保姆縱火案為中心展開調(diào)查發(fā)現(xiàn),火災(zāi)亡人主要原因在于火災(zāi)發(fā)生察覺(jué)過(guò)晚,家中沒(méi)有報(bào)警信號(hào)發(fā)出,未能及時(shí)向外界求救等等。雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些消防產(chǎn)品，然而眾多消防產(chǎn)品卻功能單一，尚無(wú)法找到一款能較好解決當(dāng)前困境的系統(tǒng),因此國(guó)內(nèi)家庭物業(yè)在消防逃生報(bào)警系統(tǒng)[2]建設(shè)方面還有很大的提升空間。如何利用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)[3]等先進(jìn)技術(shù)提升家庭消防逃生報(bào)警系統(tǒng)建設(shè)水平是本系統(tǒng)著重要解決的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)是一個(gè)包括手機(jī)APP、火災(zāi)探測(cè)器和具有著火狀態(tài)下自動(dòng)解鎖功能的門鎖,其主要針對(duì)家庭設(shè)計(jì)的消防逃生報(bào)警系統(tǒng)[4]，具有無(wú)線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。如圖1所示，系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件設(shè)備，將用戶的手機(jī)、云服務(wù)器、傳感器、門鎖聯(lián)系在一起，進(jìn)行信息的交換和通訊，實(shí)現(xiàn)智能化的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。根據(jù)傳感器獲取到的煙霧濃度、溫濕度等數(shù)據(jù)，對(duì)室內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)室內(nèi)的火情并將門打開，幫助用戶逃生。如果用戶遠(yuǎn)在外地，也能及時(shí)收到火情并確認(rèn)火情情況，立即報(bào)警以減少財(cái)產(chǎn)損失。通過(guò)云服務(wù)器的篩選管理，將火情及時(shí)傳達(dá)給居住在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的同一區(qū)域用戶，以最大可能地協(xié)助救援、減少人員傷亡。

圖1 業(yè)務(wù)流程

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示,系統(tǒng)使用Arduino作為核心控制器，采取物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)，將ESP8266模塊與相關(guān)的硬件電路進(jìn)行無(wú)線連接，通過(guò)APP獲取室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)、火災(zāi)報(bào)警、遠(yuǎn)程開鎖等。這種系統(tǒng)主要運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足，能在第一時(shí)間聯(lián)系到干系人，實(shí)現(xiàn)預(yù)警和協(xié)助逃生的目的。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集端硬件設(shè)計(jì)

采集端和控制端之間通過(guò)MQTT協(xié)議形成一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。采集端主要由傳感器組成。采集端通過(guò)測(cè)量室內(nèi)的溫濕度和氣體濃度獲得數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)ESP8266[5]無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂贫恕?/p>

如圖3所示，系統(tǒng)采用DTHT11[6-7]作為溫濕度傳感器,其溫度量程范圍分別為0 ℃～50 ℃，誤差為2 ℃，具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，因此能較好地滿足前期預(yù)警需求。通過(guò)將DTHT11的DATA引腳與Arduino相連，人工編寫程序上傳到Arduino并重啟后，DATA引腳可采用單總線數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)DHT11和Arduino的通訊和同步，通訊時(shí)間為4 ms左右，通訊成功后可在Arduino IDE的串口監(jiān)視器中看到測(cè)量數(shù)據(jù)。

主要實(shí)現(xiàn)代碼如下:

int chk=DHT11.read(DHT11PIN);

Serial.print("Humidity(%):");

Serial.println((float)DHT11.humidity,2);

Serial.print("Temperature °C):");

Serial.println((float)DHT11.temperature, 2);

圖3 DTH11電路結(jié)構(gòu)

同時(shí)，系統(tǒng)還采用了MQ2傳感器，MQ2[8]氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其他可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。但是MQ系列傳感器需要預(yù)熱初始化后才可使用，為了提高傳感器準(zhǔn)確率，本系統(tǒng)采用了小波能量頻譜分析[9]的方法，以準(zhǔn)確判斷MQ系列傳感器能否達(dá)到加熱要求，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。正常情況下，傳感器以模擬量輸出時(shí)，OUT端的電壓在1 V左右，當(dāng)傳感器檢測(cè)到被測(cè)氣體時(shí)，電壓每升高0.1 V，實(shí)際被測(cè)氣體的濃度增加200 ppm。因此控制端可根據(jù)收到的電壓信號(hào)判斷氣體濃度是否達(dá)到閾值。

2.2 傳輸模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 基于TCP/IP的串行通訊

本系統(tǒng)的Arduino與傳感器之間采用基于TCP/IP協(xié)議的串行通訊[10]方式，與傳統(tǒng)串行通訊系統(tǒng)相比，其在接受容量、精確程度以及遞送速度上更有效。在火災(zāi)發(fā)生的情況下，信號(hào)干擾的現(xiàn)象較多，而串行通訊的通訊時(shí)鐘頻率較易提高，因此其抗干擾能力較強(qiáng)，能夠較好滿足設(shè)計(jì)需要。

2.2.2 基于ESP8266芯片和MQTT協(xié)議的無(wú)線傳輸

如圖4所示，本系統(tǒng)使用ESP8266芯片作為WIFI[11]模塊，外接DTHT11溫濕度傳感器和MQ2氣體傳感器和Arduino，形成一個(gè)組網(wǎng)。Arduino作為控制器，其他設(shè)備作為客戶端?？蛻舳素?fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)[12]，并將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器進(jìn)行處理。

圖4 WIFI模塊組網(wǎng)

如圖5和圖6所示，Arduino獲取到數(shù)據(jù)后使用ESP8266芯片作為MQTT協(xié)議[13]的Publish，與服務(wù)器建立TCP連接，通過(guò)post請(qǐng)求將室內(nèi)數(shù)據(jù)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)危險(xiǎn)級(jí)別作為Topic和payload通過(guò)Broke使用Find接口傳遞給用戶設(shè)定的Subscribe，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。MQTT可以通過(guò)極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)，這保證了信息傳輸?shù)目煽啃?。Arduino獲取參數(shù)模塊的主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：

OkHttpClient client=new OkHttpClient();

Request request=new Request.Builder().url(requesturl).build();

Response response=client.newCall(request).execute();

String responseData=response.body().string();

userList=(ArrayList)JSON.parseArray(responseData,Environment.class);

圖5 MQTT協(xié)議傳輸示意圖

圖6 MQTT數(shù)據(jù)交換示意圖

2.3 控制端硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 核心控制器

系統(tǒng)采用Arduino UNO Rev3[14]作為核心控制器。與Raspberry Pi相比較，其以ATmega328P作為開源微處理器，不需要設(shè)計(jì)其他電路即可與不同的傳感器進(jìn)行交互，更容易連接外部感應(yīng)器。由于其使用Atmel公司的微處理器嵌入式系統(tǒng)，具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，較好契合系統(tǒng)尺寸小的要求。

Arduino使用onResponse()實(shí)現(xiàn)與采集端進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的交互，再使用5倍dewPoint()快速計(jì)算露點(diǎn)(空氣飽和并產(chǎn)生露珠的溫度)，數(shù)據(jù)獲取時(shí)延較小。在成功獲取數(shù)據(jù)后，其通過(guò)ESP8266將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器以獲取執(zhí)行命令，該模塊主要程序代碼如下：

public void onResponse(org.json.JSONArray jsonArray) {

wendu_length=jsonArray.length();

for(int j=0;j

mAdapter.refresh(ardunio_wendu,ardunio_date,arduino_shidu);

ardunio_wendu.add(jsonArray.getJSONObject(j).getInt("wendu"));

mAdapter.refresh(ardunio_wend);

}

double dewPoint(double celsius, double humidity){

double A0=373.15/(273.15 + celsius);

double SUM=-7.90298*(A0-1);

SUM+=5.02808*log10(A0);

SUM+=-1.3816e-7*(pow(10, (11.344*(1-1/A0)))-1) ;

SUM+=8.1328e-3*(pow(10,(-3.49149*(A0-1)))-1) ;

SUM+=log10(1013.246);

double VP=pow(10, SUM-3)*humidity;

double T=log(VP/0.61078);

return (241.88*T)/(17.558-T);

}

2.3.2 控制端門鎖編程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要利用服務(wù)器端傳送的開關(guān)鎖命令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)門鎖的控制，當(dāng)收到服務(wù)器發(fā)來(lái)的命令cmd為openthedoor時(shí)，Arduino會(huì)控制門鎖打開，以下是鎖的收發(fā)端程序：

data,address=s.recvfrom(2048)

cmd=data.decode('utf-8')

if cmd=='openthedoor':

signalpin=4

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

GPIO.setup(signalpin,GPIO.OUT,initial=GPIO.LOW)

GPIO.output(signalpin,GPIO.HIGH)

time.sleep(0.1)

GPIO.output(signalpin,GPIO.LOW)

else:

logging.critical("Wrong Comman")

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

3.1.1 服務(wù)器端架構(gòu)

為了保證該系統(tǒng)的高并發(fā)性，服務(wù)端采用了nodejs進(jìn)行開發(fā)，由于nodejs的異步I/O以及事物驅(qū)動(dòng)這些特性，使得其本身對(duì)高并發(fā)有著較好的處理，可以使服務(wù)端在處理大量請(qǐng)求的情況下依舊保持正常服務(wù)。系統(tǒng)架構(gòu)包含應(yīng)用層、表現(xiàn)層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層以及基礎(chǔ)設(shè)施層，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)服務(wù)器架構(gòu)

·基礎(chǔ)設(shè)施層。

基礎(chǔ)設(shè)施層是整個(gè)平臺(tái)架構(gòu)的最底層，是平臺(tái)可以正常運(yùn)作的最基本要求，其中包含虛擬服務(wù)器、硬件資源、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。通過(guò)該層的各個(gè)部分協(xié)同工作來(lái)保證平臺(tái)的正常運(yùn)行。

·數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是存放平臺(tái)數(shù)據(jù)的地方，用戶數(shù)據(jù)、平臺(tái)數(shù)據(jù)以及日志信息都存放在該層中，對(duì)于用戶信息以及用戶數(shù)據(jù)等關(guān)系性數(shù)據(jù)是存放在Mysql關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)于系統(tǒng)日志以及用戶上傳的附件等信息是采用非結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)保存在服務(wù)器中的。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層為上層的服務(wù)層提供了數(shù)據(jù)支撐，并且采用數(shù)據(jù)與服務(wù)分離的方式，保證了平臺(tái)數(shù)據(jù)的共享性以及高效性。

·服務(wù)層。

服務(wù)層是整個(gè)平臺(tái)的核心，服務(wù)層通過(guò)對(duì)外提供API接口來(lái)提供功能，其分為業(yè)務(wù)服務(wù)模塊和基礎(chǔ)服務(wù)組件兩個(gè)部分，業(yè)務(wù)服務(wù)模塊中提供了用戶的認(rèn)證授權(quán)、工作流、調(diào)度服務(wù)以及消息推送服務(wù)等業(yè)務(wù)服務(wù)，在基礎(chǔ)服務(wù)組件中包括了系統(tǒng)配置、日志管理、任務(wù)調(diào)度、緩存管理、附件管理和連接池。這兩個(gè)部分組合起來(lái)構(gòu)成了服務(wù)層，提供系統(tǒng)所需功能。

·表現(xiàn)層。

該平臺(tái)是通過(guò)手機(jī)APP的形式來(lái)對(duì)服務(wù)進(jìn)行表現(xiàn)的。

·應(yīng)用層。

應(yīng)用層分為了兩個(gè)部分，分別是信息部分和服務(wù)部分，信息部分主要包括對(duì)火災(zāi)的個(gè)性化預(yù)測(cè)、緊急聯(lián)系人信息錄入以及房屋信息錄入，服務(wù)部分有自動(dòng)報(bào)警、智能聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)開門以及房屋空氣指標(biāo)異常提醒功能。

3.1.2 服務(wù)器端功能設(shè)計(jì)

當(dāng)服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)達(dá)到火災(zāi)報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)接口獲取著火點(diǎn)經(jīng)緯度和用戶預(yù)留信息，進(jìn)行小區(qū)內(nèi)局域網(wǎng)報(bào)警和遠(yuǎn)程通知。同時(shí)，服務(wù)器端通過(guò)相關(guān)接口獲取危險(xiǎn)事項(xiàng)等數(shù)據(jù)，再通過(guò)相關(guān)接口發(fā)送命令報(bào)文到Arduino改變門鎖狀態(tài),實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)或遠(yuǎn)程開門功能。

3.2 客戶端程序設(shè)計(jì)

3.2.1 查看溫濕度

用戶出門在外時(shí)可通過(guò)APP實(shí)時(shí)查看家中環(huán)境情況。當(dāng)服務(wù)器端收到客戶端的request請(qǐng)求后，會(huì)通過(guò)可對(duì)外開放的獲取溫濕度信息的接口來(lái)獲取溫濕度信息，再使用MQTT協(xié)議將包含溫濕度數(shù)據(jù)的報(bào)文發(fā)送到客戶端并顯示出來(lái)。

3.2.2 撥打緊急聯(lián)系人電話

由于Android系統(tǒng)存在應(yīng)用權(quán)限，所以系統(tǒng)初始化時(shí)需要先獲取撥打電話的權(quán)限，當(dāng)獲取到權(quán)限后，可使用intent啟動(dòng)撥打電話。該功能的主要程序如下：

//申請(qǐng)授權(quán)

ActivityCompat.requestPermissions(MainActivity.this,new String[]{Manifest.permission.CALL_PHONE},

MY_PERMISSIONS_REQUEST_CALL_PHONE);

//獲得授權(quán)后通過(guò)intent撥打電話

Intent intent=new Intent(Intent.ACTION_CALL,Uri.parse("tel:"+mobile));

startActivity(intent);}

3.2.3 控制門鎖狀態(tài)

著火情況下，被困者可能因?yàn)闊o(wú)法找到鑰匙等打開門鎖無(wú)法逃生，而緊急聯(lián)系人也無(wú)法協(xié)助逃生。而本系統(tǒng)中用戶及緊急聯(lián)系人可通過(guò)輸入密碼打開門鎖。該操作是由APP獲取用戶行為傳輸數(shù)據(jù)到服務(wù)器，再通過(guò)服務(wù)器傳送命令到Arduino，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)開關(guān)門。主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：

if entered_passcode==correct_passcode:

socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM).sendto("openthedoor".encode(),('127.0.0.1',2048))

print("密碼正確，開鎖成功")

entered_passcode=""

else:

print("密碼錯(cuò)誤，開鎖失敗")

entered_passcode=""

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試環(huán)境

基于Arduino和物聯(lián)網(wǎng)的家庭消防逃生報(bào)警系統(tǒng)使用Intel Xeon Platinum 8163(Skylake)2.5 GHz、雙核CPU 4 GB，40 GB存儲(chǔ)、4 G內(nèi)存的阿里云服務(wù)器，服務(wù)器帶寬100 Mbps，系統(tǒng)版本采用centos6.1操作系統(tǒng)。部署完畢后，對(duì)服務(wù)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試軟件采用loadRunner，通過(guò)模擬用戶來(lái)對(duì)服務(wù)器進(jìn)行大量發(fā)包，以進(jìn)行系統(tǒng)的性能和負(fù)載能力檢測(cè)。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

本測(cè)試?yán)昧薼oadRunner來(lái)對(duì)服務(wù)器進(jìn)行了大量的并發(fā)訪問(wèn)，對(duì)服務(wù)端的不同開發(fā)語(yǔ)言版本進(jìn)行了測(cè)試，分別對(duì)java和nodejs進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，分別模擬了每秒10，50，100，150個(gè)并發(fā)請(qǐng)求訪問(wèn)平臺(tái)，測(cè)試結(jié)果如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，平均響應(yīng)時(shí)間和請(qǐng)求量線性相關(guān)，每秒應(yīng)答處理數(shù)量基本上是恒定的。在并發(fā)請(qǐng)求量不高的時(shí)候，java和nodejs的平均響應(yīng)時(shí)間相差不多，但是當(dāng)并發(fā)請(qǐng)求數(shù)量大于50之后，nodejs就明顯要比java的處理速度要快，系統(tǒng)采用nodejs進(jìn)行開發(fā)，在系統(tǒng)大規(guī)模使用時(shí)，響應(yīng)時(shí)間要優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)。但是nodejs采用的是單線程，所以在應(yīng)答時(shí)間[15]上nodejs的處理時(shí)間要比傳統(tǒng)java服務(wù)器要長(zhǎng)。但此劣勢(shì)可通過(guò)反向代替、負(fù)載均衡來(lái)彌補(bǔ)?；谝陨蠝y(cè)試和對(duì)比，本系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了高性能服務(wù)器的開發(fā)目標(biāo)。

圖8 服務(wù)器測(cè)試對(duì)比

5 應(yīng)用效益

如今市場(chǎng)上的消防報(bào)警系統(tǒng)并不只此一款，但缺少輔助逃生功能。所謂知己知彼，百戰(zhàn)不殆，通過(guò)前期對(duì)同類消防產(chǎn)品的調(diào)查和了解發(fā)現(xiàn)，這些系統(tǒng)主要都是安裝于居民樓樓道、走廊當(dāng)中，鮮有安裝于室內(nèi)的系統(tǒng)，并且存在警報(bào)聲傳入室內(nèi)后聲音很小、門鎖無(wú)法打開等問(wèn)題。與同類系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新性：

·個(gè)性化定制火災(zāi)報(bào)警指標(biāo)。根據(jù)每家每戶環(huán)境的特征進(jìn)行定性分類，設(shè)置不同的火災(zāi)報(bào)警點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)探測(cè)器靈敏度不夠高的缺陷，提高系統(tǒng)開鎖的準(zhǔn)確度。

·災(zāi)情發(fā)現(xiàn)早，報(bào)警更及時(shí)。通過(guò)傳感器探頭主動(dòng)探測(cè)陰燃、煙霧、明火，然后在事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出警笛聲，同時(shí)也通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)，將報(bào)警信息發(fā)送到干系人手機(jī)。

·自動(dòng)開門，提高逃生成功率。家裝火警響起的同時(shí)門鎖可通過(guò)探頭探測(cè)到的情況和控制中心傳來(lái)的信息遠(yuǎn)程控制使房門自動(dòng)打開，便于逃生和救援。

·無(wú)線系統(tǒng)，安裝簡(jiǎn)便。該方案是一套無(wú)線系統(tǒng)，從而安裝時(shí)不需要破拆墻體。所有信息互聯(lián)全部采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，安裝方便。

在人們的家庭火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防范意識(shí)逐漸增強(qiáng)的環(huán)境下，本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)會(huì)逐漸凸顯，因此其擁有較好的使用價(jià)值和前景。

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Arduino和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家庭消防逃生報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫濕度及可燃?xì)怏w濃度的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)的指標(biāo)達(dá)到閾值時(shí)，自動(dòng)開啟門鎖協(xié)助逃生并發(fā)送火災(zāi)信息到干系人終端進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)以Arduino為核心控制器，通過(guò)ESP8266與DTHT11和MQ2傳感器及門鎖進(jìn)行通信和控制，成本低，體積小。組網(wǎng)內(nèi)部使用串行通信方式，提升了系統(tǒng)的抗干擾性。通過(guò)MQTT推送機(jī)制，將內(nèi)外網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，速度快，可靠性高。用戶在日常生活中也可在終端設(shè)備查看室內(nèi)環(huán)境信息和密碼開鎖。該系統(tǒng)在保障家庭安全的同時(shí)也便利了用戶的生活，為類似物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目提供了一種可行的解決方案。