趙 哲 陳偉利

（吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長春 130118）

1 概述

在人口密集化和建筑物高層化的時(shí)代背景下，傳統(tǒng)消防措施的低效率，缺乏時(shí)效性，和落后的管理模式越來越不能適應(yīng)需求并且難以提供足夠的安全保障[3]。提高消防技術(shù)、增加消防手段、提高消防控制系統(tǒng)的可靠性是現(xiàn)代化消防領(lǐng)域面臨的重大問題。為了滿足我國城市化的進(jìn)程和新時(shí)代下人們對消防控制系統(tǒng)的智能性和穩(wěn)定性的要求，需要一種新型的智慧消防系統(tǒng)：它需要盡可能少的進(jìn)行非必要的信息交互，在終端感知層將消防信息上傳到云端物聯(lián)網(wǎng)平臺時(shí)避免由信息交互中間環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤[4]。本文提出的智慧消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)做到了終端感知層與消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的信息直接交互，消除了中控端的參與，最大程度避免中間環(huán)節(jié)出錯(cuò)，提高消防控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。并且采用各個(gè)子系統(tǒng)分離運(yùn)行，相互不受影響，即使有一個(gè)控制子系統(tǒng)不能正常動(dòng)作，也不會影響到其他控制子系統(tǒng)。有效的保障了火災(zāi)中的系統(tǒng)能夠穩(wěn)定正常的工作，同時(shí)也把數(shù)據(jù)信息上傳至互聯(lián)網(wǎng)，保證了數(shù)據(jù)的及時(shí)獲取，讓消防隊(duì)員和救援人員對火情、火勢能夠快速進(jìn)行判斷，采取措施。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)工作流程：

根據(jù)控制等級將系統(tǒng)分為四層：感知層、子控制層（傳輸層）、服務(wù)層、云端應(yīng)用層。（1）在感知層：系統(tǒng)上電后，各個(gè)STM32 傳感器模塊向樹莓派發(fā)送存活數(shù)據(jù)包，然后周期性的上傳傳感器的數(shù)據(jù)。（2）在子控制層（傳輸層）：樹莓派通過CAN0 通道接收到數(shù)據(jù)包后，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆分解析。通過數(shù)據(jù)包第一位ID 判斷是否為發(fā)給自己的數(shù)據(jù)，如果不是則不再對以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，如果是，則繼續(xù)解析剩余所有標(biāo)志位數(shù)據(jù)。樹莓派對所有操作位，數(shù)據(jù)位進(jìn)行解析處理后，分析出需要執(zhí)行具體操作的下一個(gè)控制器ID 和具體需要進(jìn)行的操作，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行封包，發(fā)送給指定子控制器[5]。（3）在服務(wù)層：指定子控制器收到后，執(zhí)行相應(yīng)的操作。同時(shí)樹莓派通過以太網(wǎng)接口，TCP 協(xié)議把數(shù)據(jù)上傳給ARM CORTEX A9 服務(wù)器，服務(wù)器中的線程1 通過TCP 收發(fā)數(shù)據(jù)，線程2 對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，線程3 開辟共享內(nèi)存，把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)放入共享內(nèi)存中，線程4 把數(shù)據(jù)存放在sqlite3 數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)Linux 運(yùn)行BOA 服務(wù)器，通過CGI 程序?qū)eb 瀏覽器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)雙向通信，網(wǎng)頁Web 瀏覽器上實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)與控制功能。在完成后，繼續(xù)把數(shù)據(jù)上傳至阿里云服務(wù)器[6]。（4）在云端應(yīng)用層：阿里云服務(wù)器進(jìn)行路徑規(guī)劃和BIM 三維建模，用來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)逃生與救援功能。最后手機(jī)APP 通過阿里云獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)同步顯示[2]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 STM32 傳感器功能設(shè)計(jì)

感知層是使用STM32 作為溫感、煙感、電機(jī)、風(fēng)機(jī)、應(yīng)急照明等模塊的主控制器，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)各模塊之間的數(shù)據(jù)通信[1]。系統(tǒng)上電后STM32 先初始化搭載的其他模塊與時(shí)鐘再循環(huán)讀取各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷ID 正確后，封裝數(shù)據(jù)包并由CAN 總線發(fā)送到樹莓派。

3.2 STM32 CAN 總線設(shè)計(jì)

感知層與子控制層（傳輸層）的通訊是通過CAN總線傳輸?shù)?，系統(tǒng)上電后，初始化STM32 系統(tǒng)各個(gè)外設(shè)模塊和時(shí)鐘頻率后初始化CAN 總線，再配置過濾器、過濾器標(biāo)志位等。然后初始化CAN 數(shù)據(jù)包，初始化標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符、擴(kuò)展標(biāo)識符消息長度字節(jié)DLC 等。最后完成中斷函數(shù)功能，保證CAN 總線接收數(shù)據(jù)正常，再完成CAN 發(fā)送函數(shù)，保證CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù)正常。

3.3 樹莓派python-can 程序設(shè)計(jì)

樹莓派控制子控制器并將數(shù)據(jù)上傳到CORTEX A9 服務(wù)器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。樹莓派系統(tǒng)版本選擇20-20-02-13-raspbian-buster-full，安裝CAN 驅(qū)動(dòng)后安裝python-can 庫創(chuàng)建一個(gè)CAN 設(shè)備，初始化并啟用CAN0，指定其作為發(fā)送/接收接口后使用函數(shù)can.interface.Bus()連接到CAN 總線。然后就可以通過can.Message 與can0.send 進(jìn)行數(shù)據(jù)包的收發(fā)。

3.4 ARM CORTEX A9 綜合控制器設(shè)計(jì)

在主進(jìn)程中創(chuàng)建若干個(gè)線程，為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，每個(gè)線程單獨(dú)執(zhí)行對應(yīng)的功能。其中線程1 創(chuàng)建TCP 服務(wù)端，接收從樹莓派發(fā)來的信息，需要時(shí)也對樹莓派進(jìn)行操作指令發(fā)送。線程2 對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理歸納存儲。線程3 創(chuàng)建一塊共享內(nèi)存，為了和網(wǎng)頁端CGI 程序進(jìn)行通訊，同時(shí)也接收從網(wǎng)頁端發(fā)來的數(shù)據(jù)。線程4 先對串口進(jìn)行初始化，然后每隔80ms 從串口接收從zigbee 發(fā)來的數(shù)據(jù)。線程5 對zigbee 端發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，算出人員的具體定位。

4 云服務(wù)及手機(jī)APP

4.1 BOA 服務(wù)器功能設(shè)計(jì)

為了方便消防控制室內(nèi)人員及時(shí)并且迅速掌握智慧消防控制系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況，在ARM CORTEX A9 上搭建了BOA 服務(wù)器用來對系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行顯示。它的第一個(gè)功能為zigbee定位功能，根據(jù)zigbee 定位系統(tǒng)，定位出人員在大樓內(nèi)的位置，救援人員根據(jù)人員位置進(jìn)行救援，綜合控制屏定位系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 綜合控制屏定位系統(tǒng)頁面

第二個(gè)功能為檢測下面各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。其中又分為四個(gè)系統(tǒng)，第一個(gè)系統(tǒng)為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，第二個(gè)系統(tǒng)為風(fēng)控制系統(tǒng)，第三個(gè)系統(tǒng)為防火門系統(tǒng)，第四個(gè)系統(tǒng)為水控制系統(tǒng)，如圖3 綜合顯示屏顯示數(shù)據(jù)。

圖3 綜合控制屏檢測數(shù)據(jù)頁面

4.2 云服務(wù)器功能設(shè)計(jì)

選擇Apache 作為Web 服務(wù)器是因?yàn)樗_放源代碼，支持跨平臺的特點(diǎn)方便與手機(jī)APP 互聯(lián)，安裝httpd、apr、apr-util、pcre-8.40四個(gè)文件后在瀏覽器輸入公網(wǎng)IP：http://106.13.14.36/，顯示It works！表示正常運(yùn)行?；谠品?wù)器開發(fā)了路徑規(guī)劃系統(tǒng)，云服務(wù)器路徑規(guī)劃系統(tǒng)可以在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為大樓內(nèi)每個(gè)人規(guī)劃最優(yōu)逃生路徑，并且能夠統(tǒng)計(jì)大樓內(nèi)人員總數(shù)信息與人員位置信息，幫助人員逃離大樓。也可以及時(shí)的幫助消防救援人員了解大樓信息，快速準(zhǔn)確的定位并救援到每一個(gè)被困人員。其中第二行為著火點(diǎn)位置輸入框，第三行為人員位置輸入框，輸入格式為#號分隔，例如35#45。

5 結(jié)論

本文基于STM32 單片機(jī)控制的感知層終端將火災(zāi)信息傳輸給樹莓派和CortexA9 進(jìn)行子控制器之間的聯(lián)動(dòng)和云存儲，在BOA 服務(wù)器和web 端進(jìn)行定位和路徑規(guī)劃，對受災(zāi)人員進(jìn)行逃生路徑引導(dǎo)。制作了較為完備的云端智慧消防控制系統(tǒng)的獨(dú)立分類架構(gòu)的子控制器，顯示網(wǎng)頁和路徑規(guī)劃網(wǎng)頁；各子系統(tǒng)分離運(yùn)行保證各子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行互不影響，保障了在火災(zāi)發(fā)生中系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，極大地提升了消防控制系統(tǒng)的可靠性于穩(wěn)定性。在火災(zāi)發(fā)生階段，幫助外部消防人員快速獲得受困人員信息以及各個(gè)消防設(shè)備離/在線信息。在預(yù)防階段，物業(yè)與業(yè)主通過web 端與手機(jī)端實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)情況，做到防“火”于未“燃”。