李思宇，張竣淞，2，劉冬梅，王子琪，丘旭，宋毅偉

(1. 華北科技學(xué)院,北京 東燕郊 065201；2. 中國傳媒大學(xué)，北京 朝陽 100024)

0 引言

近年來，由于城市人口突增，城市人口對于工作、住宅場所的需求急速增加，大批的高層建筑也如雨后春筍般冒出來。大量的高層建筑在建的同時(shí)也帶來了相當(dāng)多的安全隱患。其中消防安全最為基礎(chǔ)。世界上各個(gè)發(fā)達(dá)國家都針對高層建筑物制定了極其嚴(yán)格的規(guī)章制度。美國針對所有的高層民用建筑頒發(fā)了相應(yīng)的防火法規(guī)規(guī)定，房屋中配備火情自動(dòng)警報(bào)、自動(dòng)滅火系統(tǒng)和應(yīng)急安全疏散通道[1]。在德國設(shè)置有專業(yè)的防火專員崗位來應(yīng)對消防安全[2]。在法國高層建筑物的每一層都要求設(shè)置對應(yīng)的防火隔離帶，并且對建筑物的各項(xiàng)防火參數(shù)也都制定嚴(yán)格的限制[3-6]。根據(jù)專家調(diào)研，每個(gè)人平均每天在室內(nèi)的時(shí)間占到90%，室內(nèi)消防安全工作更顯得尤為重要。在這一背景下，本文展開了基于ZigBee的高層建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的研究。

該系統(tǒng)是一款智能化設(shè)備，把ZigBee無線傳輸終端節(jié)點(diǎn)部署到室內(nèi)，通過傳感器實(shí)時(shí)采集溫濕度、煙霧濃度等火災(zāi)特征信號(hào)環(huán)境信息，在后臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，最后可以根據(jù)分析的數(shù)據(jù)結(jié)果來實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)是否發(fā)生了著火事件，若火情監(jiān)控系統(tǒng)檢測到有火情產(chǎn)生，系統(tǒng)上位機(jī)會(huì)將報(bào)警信息實(shí)時(shí)反饋給安全監(jiān)管人員。經(jīng)過對本研究進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的準(zhǔn)確率和較快的反應(yīng)速率，能夠滿足高層建筑物的日常消防的使用條件，可以相當(dāng)大程度保證居民生活環(huán)境的安全。因此，本課題的開展研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)框架與原理

1.1 系統(tǒng)總體框圖

基于ZigBee的高層建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。本系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)主要包括三部分[7-9]：第一，無線終端傳感器節(jié)點(diǎn)；第二，路由器及協(xié)調(diào)器部分；第三，上位機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的通信方式為ZigBee無線通信技術(shù)，環(huán)境中各類數(shù)據(jù)被終端傳感器采集后通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送至協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器匯集數(shù)據(jù)后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析后，在電腦上顯示得到對火情的實(shí)時(shí)監(jiān)控的情況。

圖1 ZigBee的高層建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架圖系統(tǒng)整體框架

1.2 幾種無線通信技術(shù)比較

目前，市面上主流的短距離無線通信技術(shù)有藍(lán)牙短距離傳輸技術(shù)、利用紅外線進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)和ZigBee短距離通信技術(shù)等[10]。

分別將ZigBee與紅外、藍(lán)牙等幾種常用短距離無線通信技術(shù)進(jìn)行比較，具體的參數(shù)比較如表1所示。為了滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和高可靠性，同時(shí)考慮到將在建筑物中布置大量的終端節(jié)點(diǎn)，以及系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行的工作特性，必須要考慮到成本和續(xù)航問題，綜合幾種無線通信方式，最終本系統(tǒng)選擇的技術(shù)手段為ZigBee技術(shù)。

表1 幾種無線傳輸方式的比較

1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee技術(shù)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示[11-17]。其中包括：物理層、媒體訪問控制層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。各個(gè)層級(jí)分別為上一級(jí)提供指定的服務(wù)。物理層是最底層結(jié)構(gòu)，之后層級(jí)逐級(jí)遞增。

物理層與媒體訪問控制層組成了IEEE802.15.4通信層。終端節(jié)點(diǎn)控制模塊和射頻信號(hào)收發(fā)模塊一起組成了物理層(PHY)；媒體訪問控制層(MAC)的作用是搭建與高層的信道接口，使高層可以向下訪問物理層。

圖2 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別是星型結(jié)構(gòu)、樹(簇)狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。星型結(jié)構(gòu)信息傳輸最為簡單，只是終端和協(xié)調(diào)器兩部分之間的互動(dòng)；樹(簇)狀結(jié)構(gòu)是由多個(gè)星型結(jié)構(gòu)連接在一起，再與一個(gè)協(xié)調(diào)器相連；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，擁有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的同時(shí)意味著網(wǎng)絡(luò)有很多的通路，所以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也是三者中靈活性最高和抗干擾能力最強(qiáng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于高層建筑等大范圍的監(jiān)測，故本系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)器是ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的核心部件，如果把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)比作一個(gè)機(jī)械臂來看，終端設(shè)備相當(dāng)于機(jī)械臂的抓取裝置，協(xié)調(diào)器就相當(dāng)于機(jī)械臂的電腦，協(xié)調(diào)器處理機(jī)械手傳回來采集的信息后，再下達(dá)接下來的指令。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的芯片是CC2530為主控芯片。這款芯片有很多優(yōu)點(diǎn)，擁有多種運(yùn)行方式，這使得這款芯片在不同環(huán)境之間轉(zhuǎn)換有非常強(qiáng)的適應(yīng)能力[18]。

高層建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)檢測傳感器是監(jiān)測系統(tǒng)的底層傳感器，主要包括煙霧濃度、CO濃度、溫濕度變化等傳感器。傳感器將環(huán)境中變化參數(shù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有量化優(yōu)勢的數(shù)字電信號(hào)。

本系統(tǒng)煙霧傳感器采用MQ-2型號(hào)傳感器[19]，目的用來實(shí)時(shí)監(jiān)控建筑內(nèi)部可燃性氣體濃度信號(hào)與實(shí)時(shí)煙霧濃度信號(hào)，電路圖如圖4。若傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)煙霧的濃度升高，該傳感器內(nèi)部的電位器阻值增大，P0-6電平會(huì)變化，P2-0輸出高電平，D1導(dǎo)通變亮，反之D1保持暗。

圖4 MQ-2煙霧傳感器電路

本系統(tǒng)溫濕度傳感器型號(hào)使用的是DHT11型號(hào)[20]。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于輸出數(shù)字信號(hào)之前內(nèi)部已經(jīng)對采集的信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，使得該模塊具有極強(qiáng)的可靠性和長期穩(wěn)定性。其中DHT11型號(hào)的溫濕度傳感器內(nèi)部信息互通采用單線制串行接口，這種接口針對于短距離無線通信網(wǎng)有很大優(yōu)勢，會(huì)使系統(tǒng)處理信息簡易快捷。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于ZigBee的高層建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。本系統(tǒng)引入數(shù)值概率算法，結(jié)合環(huán)境參數(shù)來保證系統(tǒng)的可靠性和即時(shí)性。

圖5 火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

擬定了高層建筑火災(zāi)數(shù)學(xué)模型和火災(zāi)發(fā)生概率的判決規(guī)則，具體內(nèi)容如下：

在高層建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的概率由可燃?xì)怏w的標(biāo)準(zhǔn)差和均值共同影響。故對高層建筑內(nèi)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行控制，假設(shè)t0表示火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析時(shí)間；s建筑內(nèi)可燃性氣體濃度的標(biāo)準(zhǔn)差；fs表示對可燃性氣體信息采集的頻率；E表示可燃性氣體濃度的均值；p表示高層建筑火災(zāi)發(fā)生的概率。式(1)代表高層建筑火災(zāi)發(fā)生概率p與可燃性氣體濃度標(biāo)準(zhǔn)差s的關(guān)系，式(2)代表高層建筑火災(zāi)發(fā)生概率p與高層建筑可燃性氣體濃度均值E的關(guān)系。

ps=f1(s)

(1)

pE=f2(E)

(2)

式(1)能夠簡化為以下數(shù)學(xué)線性模型：

(3)

其中：sF代表高層建筑可燃性氣體標(biāo)準(zhǔn)差閾值；sM代表可燃性氣體的標(biāo)準(zhǔn)差飽和值；σ代表可燃性氣體標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)σ=1/(sM-sF)。

通過分析式(3)可得，高層建筑內(nèi)可燃性氣體濃度的變化與標(biāo)準(zhǔn)差s值的變化有很大關(guān)系。當(dāng)可燃性氣體標(biāo)準(zhǔn)差s值變化并逐漸變大時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)建筑內(nèi)可燃性氣體濃度的變化量逐漸明顯。當(dāng)高層建筑內(nèi)可燃性氣體濃度標(biāo)準(zhǔn)差s漸漸達(dá)到可燃性氣體標(biāo)準(zhǔn)差閾值sF的時(shí)候，環(huán)境中出現(xiàn)火災(zāi)產(chǎn)生的概率p。這時(shí)候火災(zāi)發(fā)生概率p與s之間的關(guān)系為正比例關(guān)系?；馂?zāi)發(fā)生概率p會(huì)隨著可燃性氣體濃度標(biāo)準(zhǔn)差s的增大而增大。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差s增大到標(biāo)準(zhǔn)差飽和值sM的時(shí)候，系統(tǒng)可以判定通過高層建筑內(nèi)可燃性氣體濃度可以誘導(dǎo)火災(zāi)發(fā)生。

通過分析，可將式(2)簡化得到

(4)

式中：EF表示高層建筑內(nèi)可燃性氣體濃度均值飽和值；EM表示高層建筑內(nèi)可燃性氣體濃度均值飽和值；pel表示高層建筑可燃性氣體濃度均值影響概率下限；η表示高層建筑內(nèi)可燃性氣體濃度均值的系數(shù)，η=(1-pel)/(EM-EF)。

由高層建筑內(nèi)可燃性氣體濃度標(biāo)準(zhǔn)差和均值得到可燃性氣體濃度影響高層建筑內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的概率p1影響函數(shù)：

p1=ps·pE

(5)

同理，針對高層建筑受濕度、溫度和煙霧濃度等三種物理因素的影響，分析可得火災(zāi)發(fā)生概率為：

(6)

式中，pi(i=2,3,4)表示由溫度信號(hào)、濕度信號(hào)或者煙霧濃度信號(hào)等三種環(huán)境參數(shù)分別誘導(dǎo)高層建筑產(chǎn)生火災(zāi)的概率值；aF表示溫度信號(hào)、濕度信號(hào)或煙霧濃度信號(hào)等三種信號(hào)的相應(yīng)閾值；aM代表溫度信號(hào)、濕度信號(hào)或者煙霧信號(hào)等三種信號(hào)的相應(yīng)的飽和值；l代表溫度信號(hào)、濕度信號(hào)或煙霧濃度信號(hào)等三種信號(hào)的相應(yīng)的影響系數(shù)l=1/(aM-aF)。

假定p2=f2(β),p3=f3(γ)，p4=f4(α)其中α代表高層建筑內(nèi)煙霧濃度信號(hào)，β代表高層建筑內(nèi)濕度信號(hào)，γ代表高層建筑內(nèi)溫度信號(hào)。通過分析上述高層建筑內(nèi)可燃性氣體濃度、煙霧濃度、溫度以及濕度各物理信息參數(shù)，分別得到各個(gè)信號(hào)誘導(dǎo)火災(zāi)發(fā)生的影響系數(shù)。之后對上述參數(shù)各自進(jìn)行概率加權(quán)和計(jì)算，可得到高層建筑內(nèi)由四種環(huán)境參數(shù)引發(fā)火災(zāi)的總體概率：

+f2(β)λ2+f3(γ)λ3+f4(α)λ4

(7)

式中，pi代表針對一類物理參數(shù)影響時(shí)得到的高層建筑火災(zāi)發(fā)生概率；λi(i=2,3,4)代表相對應(yīng)的火災(zāi)發(fā)生影響系數(shù)。

假定φ代表火災(zāi)發(fā)生危險(xiǎn)系數(shù)，則能夠得到一個(gè)與火災(zāi)發(fā)生概率p之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。該模型可以用以下表示：

(8)

式中，φ(p)表示火災(zāi)發(fā)生等級(jí)；pτ火災(zāi)發(fā)生預(yù)警概率閾；pM代表高層建筑內(nèi)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)警告的概率飽和值；km代表高層建筑內(nèi)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行火情級(jí)別劃分的最高等級(jí)；t代表火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)對火情級(jí)別的折算系數(shù)t=km/(pM-pτ)。

經(jīng)以上數(shù)學(xué)模型分析可得，當(dāng)建筑物火災(zāi)發(fā)生概率低于警告概率閾值pτ時(shí)，則系統(tǒng)判定，該高層建筑是安全的，不會(huì)發(fā)出警告；若建筑物火災(zāi)發(fā)生概率超于警告概率閾值pτ時(shí)，則系統(tǒng)判定該高層建筑可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)，馬上發(fā)出警告。經(jīng)計(jì)算可得，火情產(chǎn)生的危險(xiǎn)系數(shù)φ(p)與火情產(chǎn)生概率p之間存在的關(guān)系為正反饋關(guān)系。建筑內(nèi)火災(zāi)產(chǎn)生的危險(xiǎn)系數(shù)φ(p)越高，火災(zāi)的產(chǎn)生概率p越大。若建筑物火災(zāi)發(fā)生概率超于警告概率飽和值pM時(shí)，則系統(tǒng)判定該高層建筑正在發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)控制程序發(fā)出警報(bào)。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本文提出的高層建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)通過概率判決算法對火災(zāi)監(jiān)控的流程和準(zhǔn)確性進(jìn)行優(yōu)化，使得此系統(tǒng)有更高的準(zhǔn)確率和更短的反應(yīng)時(shí)間。傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)判決流程時(shí)判決參數(shù)單一，有一定的誤判風(fēng)險(xiǎn)。為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，通過模擬建筑火災(zāi)發(fā)生狀況，與普遍應(yīng)用于建筑中的傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對比測試，分析比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為簡述實(shí)驗(yàn)過程，本文提出的高層建筑火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)定義為實(shí)驗(yàn)組；傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)定義為對照組。

基于高層建筑體積大、人流量大、功能繁雜、撲救和疏散人群困難等特點(diǎn)下，為了保證火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用后的可靠性，在MATLAB仿真中模擬高層建筑環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)設(shè)置10層，每層環(huán)境大小為5 m×5 m，布設(shè)4個(gè)節(jié)點(diǎn)，包1個(gè)終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、1個(gè)參考節(jié)點(diǎn)和2個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，底層布設(shè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)。

利用實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行火災(zāi)實(shí)驗(yàn)測試：在24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行每層4組共計(jì)40組實(shí)驗(yàn)，20組實(shí)時(shí)監(jiān)控，20組火災(zāi)模擬。系統(tǒng)采集實(shí)驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)，因?qū)嶒?yàn)環(huán)境設(shè)置在室內(nèi)，周圍環(huán)境參數(shù)無突變因素，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

表2 實(shí)驗(yàn)組40組火災(zāi)監(jiān)控模擬數(shù)據(jù)結(jié)果

在傳感器采集到環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)后，根據(jù)已建好的概率判決數(shù)學(xué)模型分析，在達(dá)到發(fā)生火災(zāi)的參數(shù)閾值后進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警。同時(shí)得到每次的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間，具體如圖6所示。

圖6 20組火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警響應(yīng)時(shí)間

利用對照組進(jìn)行火災(zāi)實(shí)驗(yàn)測試：設(shè)置與實(shí)驗(yàn)組同樣的環(huán)境參數(shù)，為了避免在實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行火災(zāi)實(shí)驗(yàn)時(shí)對環(huán)境因素產(chǎn)生的影響，屋內(nèi)開窗通風(fēng)24小時(shí)，并再隔24小時(shí)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程。同樣在24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行40組實(shí)驗(yàn)，20組實(shí)時(shí)監(jiān)控，20組火災(zāi)模擬。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測如圖7所示。

圖7 對照組火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)火情模擬

將對照組發(fā)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警用時(shí)與實(shí)驗(yàn)組結(jié)果進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 火災(zāi)發(fā)生反應(yīng)時(shí)間對比實(shí)驗(yàn)

從圖8可以看出，相較對照組，實(shí)驗(yàn)組在反應(yīng)時(shí)間上有很大優(yōu)勢，僅為對照組的四分之一。

同理，與是否進(jìn)行火災(zāi)模擬進(jìn)行聯(lián)系，同時(shí)對以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以清晰的計(jì)算出火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率。分別對實(shí)驗(yàn)組與對照組面對火災(zāi)的報(bào)警準(zhǔn)確率進(jìn)行對比可得，實(shí)驗(yàn)組報(bào)警準(zhǔn)確率也高于對照組，結(jié)果如圖9所示。

圖9 火災(zāi)發(fā)生反應(yīng)時(shí)間對比實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

(1) 本文提出的基于ZigBee短距離無線通信技術(shù)的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，適用于高層建筑室內(nèi)環(huán)境，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警功能。

(2) 引入了數(shù)值概率算法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，該算法的判決方式采用概率加權(quán)和計(jì)算，提高了系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警的可靠性和即時(shí)性。

(3) 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，本系統(tǒng)報(bào)警反應(yīng)時(shí)長僅為傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警反應(yīng)時(shí)長的四分之一，準(zhǔn)確率也有一定提升。

(4) 該系統(tǒng)擁有較快的報(bào)警響應(yīng)速度、較高的準(zhǔn)確率，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)論的可行性與可靠性。該系統(tǒng)安裝簡易，適用環(huán)境廣，對提升高層建筑火災(zāi)探測能力，能夠進(jìn)行合理的風(fēng)險(xiǎn)管控，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。