◎董 萍

（三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000）

隨著時(shí)代的進(jìn)步和高科技水平的迅猛發(fā)展，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平有了較大提高。高層建筑具有兼容性強(qiáng)、容納性高和占地面積小等特點(diǎn)，在一線(xiàn)城市深受青睞?；馂?zāi)隱患是危害高層建筑家庭智能系統(tǒng)安全的重要因素，是目前造成人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失事故的主要來(lái)源之一?！爸悄芗揖印薄爸腔鄢鞘小薄爸腔巯馈钡茸盅垡焉钊氲饺藗?nèi)粘５纳钪小＜彝ブ悄芟李A(yù)警控制技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合能極大地改變?nèi)藗兊纳罘绞?。設(shè)計(jì)合理的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)能有效感知火災(zāi)信息，使消防救援人員及時(shí)做出正確的決策，控制火災(zāi)事故的發(fā)生，盡量減少火災(zāi)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

1 高層建筑火災(zāi)隱患的特點(diǎn)

高層建筑具有火災(zāi)隱患多、火勢(shì)蔓延速度快、人員疏散困難、救援難度大等特點(diǎn)，個(gè)別高層建筑存在消防車(chē)道寬度不足、設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)不到位，安全疏散設(shè)施占用、堵塞、損壞，生命通道不暢通、建筑外墻采用易燃可燃外保溫材料、消防設(shè)施嚴(yán)重缺失、故障、損壞、停用現(xiàn)象嚴(yán)重，多數(shù)高層未設(shè)置雙電源，電纜井、管道井封堵不嚴(yán)、敷設(shè)雜物，火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)較大。同時(shí)，消防車(chē)道未進(jìn)行標(biāo)識(shí)化管理，小區(qū)內(nèi)私家車(chē)占用消防車(chē)道、樓道內(nèi)堆放雜物，尤其是地下室內(nèi)，火災(zāi)荷載較大，隱患較多。絕大多數(shù)高層建筑未設(shè)置消防車(chē)登高作業(yè)場(chǎng)地，一旦發(fā)生險(xiǎn)情，消防登高車(chē)將無(wú)法?？块_(kāi)展救援；小區(qū)私家車(chē)停車(chē)位嚴(yán)重不足，住戶(hù)占用、堵塞消防車(chē)通道等弊端，一旦發(fā)生火災(zāi)，波及范圍大，建筑物的內(nèi)部管道、樓梯、電梯等火勢(shì)蔓延速度極快，人員疏散較為困難，后果非常嚴(yán)重，高層建筑家庭智能的消防安全隱患問(wèn)題不容忽視。

傳統(tǒng)的消防預(yù)警系統(tǒng)存在安裝與檢修困難，不支持基于物聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一管理與監(jiān)控等弊端。加強(qiáng)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)施建設(shè)是目前防范火災(zāi)事故的重點(diǎn)，將火災(zāi)事故的發(fā)生控制在火災(zāi)的萌芽階段是擺在每一名消防工作人員亟待解決的問(wèn)題。具備安全可靠的消防預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于保障城市的正常運(yùn)行極為重要。

2 基本概念

2.1 ZigBee 技術(shù)

ZigBee 技術(shù)適用于距離范圍短的數(shù)據(jù)之間的傳輸，能夠支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)靈活多樣，其協(xié)議棧總體架構(gòu)分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分[1]。ZigBee 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ZigBee 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)圖

2.2 WiFi 技術(shù)

WiFi 技術(shù)具有價(jià)位低、傳輸速率高、抗干擾能 力 強(qiáng) 的 特 點(diǎn)， 具 有 Ad -hoc WiFi 和Infrastructure 兩種工作模式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的工作、生活等各個(gè)領(lǐng)域。

2.3 NFC 技術(shù)

NFC 是一種應(yīng)用于短距離通信的技術(shù)，具有有源和無(wú)源兩種設(shè)備[2]。前者主要應(yīng)用于公交車(chē)的讀卡器、智能手機(jī)的支付和各類(lèi)公司、企事業(yè)單位的打卡器。后者主要指NFC 標(biāo)簽與其他微發(fā)射器。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，具有全面感知、可靠傳送和智能處理三大特性，用來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，具有泛在感知、可靠傳輸、智慧處理的智能服務(wù)系統(tǒng)[3][5]。

在日常生活中，設(shè)備和系統(tǒng)被安裝上低成本的傳感器和調(diào)節(jié)器，收集和分析各類(lèi)獲取的數(shù)據(jù)信息，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控、傳輸和檢索。物聯(lián)網(wǎng)包括連接設(shè)備、電源管理、安全系統(tǒng)、分析系統(tǒng)五大領(lǐng)域的核心技術(shù)，傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集外部溫濕度數(shù)據(jù)。中瑞思創(chuàng)、九安醫(yī)療、東軟集團(tuán)、天澤信息、順網(wǎng)科技、美的集團(tuán)、格力電器等都是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的上市公司[5-6]。

3 預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度環(huán)境，依據(jù)終端節(jié)點(diǎn)傳感器對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給終端控制器進(jìn)行預(yù)警處理，促使消防火災(zāi)預(yù)防的智能化和系統(tǒng)化。

消防預(yù)警系統(tǒng)分為應(yīng)用、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、感知四層。

其中，感知層主要是通過(guò)具有火災(zāi)報(bào)警功能、自檢功能、消音功能、低電量報(bào)警功能、故障報(bào)警功能，防拆報(bào)警功能的煙感報(bào)警器實(shí)現(xiàn)，獨(dú)立式感煙探測(cè)器具有成本低、易安裝的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)煙霧和遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，能通過(guò)語(yǔ)音電話(huà)、短信、App、平臺(tái)報(bào)警等多重方式通知報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)事故的早發(fā)現(xiàn)、早報(bào)警。數(shù)據(jù)層主要通過(guò)管理監(jiān)控云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，云平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)燃?xì)怆[患上報(bào)和處理，能夠?qū)ο嚓P(guān)的燃?xì)庑孤﹫?bào)警信息的時(shí)間、地點(diǎn)、頻次進(jìn)行多緯度的數(shù)據(jù)展覽，并能夠還原泄漏點(diǎn)的位置、電話(huà)撥打記錄、聯(lián)系人確認(rèn)情況等信息，為燃?xì)馐鹿收{(diào)查提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)依據(jù)。同時(shí)平臺(tái)可以對(duì)網(wǎng)關(guān)，探測(cè)器的安裝地點(diǎn)、轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行查詢(xún)、展示。預(yù)警系統(tǒng)框架如圖2 所示。

圖2 預(yù)警系統(tǒng)框架圖

數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)由感知層獲取的火警數(shù)據(jù)、設(shè)備報(bào)警等各類(lèi)信息分析和處理，平臺(tái)通過(guò)電話(huà)自動(dòng)語(yǔ)音、短信、App 推送及時(shí)將煙霧報(bào)警信息發(fā)送至小區(qū)消防負(fù)責(zé)人員和小區(qū)業(yè)主，設(shè)備維修工作人員通過(guò)手機(jī)App 客戶(hù)端接收設(shè)備的維修信息，消防救援支隊(duì)管理部門(mén)通過(guò)Web 對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析確認(rèn)工作。促使各個(gè)機(jī)構(gòu)和部門(mén)的協(xié)同管理。

3.2 系統(tǒng)模塊功能分析

基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)主要包括ZigBee 節(jié)點(diǎn)模塊、傳感器模塊、電源模塊、微控制中心模塊、網(wǎng)關(guān)模塊的設(shè)計(jì)。以照明系統(tǒng)為例，主要包括驅(qū)動(dòng)電路模塊、終端模塊、協(xié)調(diào)器、控制中心、上位機(jī)部分，其主要功能如表1 所示。

表1 照明系統(tǒng)主要功能表

4 預(yù)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

預(yù)警系統(tǒng)的終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)Lora（Long Range）進(jìn)行通信，并采用多入多出MIMO技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和靈活性。為了降低終端設(shè)備的成本，系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.1 移動(dòng)App 模塊設(shè)計(jì)

本模塊主要包括用于負(fù)責(zé)火災(zāi)提醒的報(bào)警信息處理模塊、終端設(shè)備故障信息以及異常報(bào)告提示的設(shè)備維護(hù)模塊等。App 應(yīng)用模塊的功能，如圖3 所示。

圖3 移動(dòng)App 模塊圖

4.2 云平臺(tái)管理數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

云平臺(tái)管理模塊具有火警預(yù)測(cè)、故障預(yù)報(bào)、設(shè)備維修等功能，能夠?qū)由霞?jí)消防救援支隊(duì)的消防指揮中心部門(mén)，該部門(mén)對(duì)消防報(bào)警的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，制作報(bào)表供各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行決策?；赪eb 云平臺(tái)管理模塊如圖4 所示。

圖4 基于Web 云平臺(tái)管理模塊圖

5 預(yù)警系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)主要包括節(jié)點(diǎn)模塊、傳感器模塊、煙霧傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、電源模塊、控制中心MCU 及網(wǎng)關(guān)模塊的硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)選用性能高、功耗低、體積小、接口豐富的ARM 處理器作為本系統(tǒng)的嵌入式處理器。系統(tǒng)的主控處理器選用三星公司開(kāi)發(fā)的S3C2401A 處理器，該處理器價(jià)格低廉，可靠性高，且具備MMU，可以支持嵌入式Linux 系統(tǒng)，資源較為豐富。家庭智能系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)就是一個(gè)基于ARM 的嵌入式硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，主要包括S3C2401A 處理器、存儲(chǔ)器模塊、電源模塊、串口通信模塊、以太網(wǎng)模塊、GSM 擴(kuò)展模塊。家庭智能系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)圖

在ZigBee 節(jié)點(diǎn)模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用組網(wǎng)功能強(qiáng)、包含不同可編程閃存的由T1 公司生產(chǎn)的具有低功耗的CC2530 芯片。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，具有一個(gè)對(duì)危險(xiǎn)源感知的準(zhǔn)確性和信息反饋的及時(shí)性的多功能傳感器網(wǎng)絡(luò)顯得尤為重要。系統(tǒng)采用MQ-2 氣敏煙霧傳感器檢測(cè)空氣中各種成分的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的監(jiān)測(cè)，電路圖如圖6 所示。

圖6 MQ- 2 煙霧傳感器電路圖

5.2 S3C2401A 處理器

S3C2401A 處理器不僅集成了16KB 指令的高速緩沖存儲(chǔ)器，而且集成了LCD 控制器、網(wǎng)卡控制器、DMA 控制器、多通道定時(shí)器、內(nèi)嵌EMI接口、海量外部中斷，用于用戶(hù)交互設(shè)備和控制系統(tǒng)中，為用戶(hù)提供簡(jiǎn)化的硬軟件設(shè)計(jì)，并提供了非常豐富的開(kāi)發(fā)接口。S3C2401A 處理器支持虛擬存儲(chǔ)管理，支持大端和小端的存儲(chǔ)格式，有1GB 的尋址空間。S3C2401A 的時(shí)鐘與電源管理共有6 個(gè)專(zhuān)用寄存器，并且支持NAND Flash 啟動(dòng)，被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子產(chǎn)品中。

5.3 SDRAM 存儲(chǔ)器電路

SDRAM 存儲(chǔ)器具有較快的存取訪問(wèn)速度，經(jīng)常被應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中。S3C2401A 處理器集成了SDRAM 存儲(chǔ)器。S3C2410A 處理器的Bank6 和Bank7 支持SDRAM 存儲(chǔ)器，其中Bank6能夠作為SDRAM 存儲(chǔ)空間。

6 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)方面，主要是在Windows CE6.0 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的，軟件總體架構(gòu)包括OEM層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用程序?qū)?。OEM 層主要實(shí)現(xiàn)家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)各種硬件設(shè)備的初始化和驅(qū)動(dòng)功能，操作系統(tǒng)層是用來(lái)協(xié)調(diào)OEM 層和應(yīng)用程序?qū)樱瑧?yīng)用程序?qū)又饕鎯?chǔ)用戶(hù)接口的各種程序、家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)控制器的各種應(yīng)用程序等。

6.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用的是交叉編譯器IAR，這是一款基于C 語(yǔ)言、支持多種微處理器開(kāi)發(fā)、使用方便、代碼科學(xué)緊湊、能夠直接使用Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的交叉編譯器。

6.2 Z-Stack 協(xié)議棧

Z-Stack 協(xié)議棧的功能就是以函數(shù)的形式將各層協(xié)議提供給用戶(hù)在應(yīng)用層直接調(diào)用。ZStack 協(xié)議棧本身就是一個(gè)操作系統(tǒng)，隨著定時(shí)器周而復(fù)始地計(jì)時(shí)，任務(wù)也不斷輪詢(xún)。

6.3 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要包括將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和接受來(lái)自協(xié)調(diào)器的指令這兩個(gè)功能。傳感器模塊和CC2530 芯片的終端節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，開(kāi)始對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，然后掃描信道，加入ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，獲取協(xié)調(diào)器的響應(yīng)，并為協(xié)調(diào)器分配一個(gè)地址。終端節(jié)點(diǎn)工作原理如圖7 所示。

圖7 終端節(jié)點(diǎn)工作原理圖

7 預(yù)警系統(tǒng)的測(cè)試與分析

預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試主要包含ZigBee 組網(wǎng)與通信、控制中心MCU 與網(wǎng)關(guān)、終端節(jié)點(diǎn)上傳、系統(tǒng)功能集成四個(gè)方面的測(cè)試。其中，ZigBee 組網(wǎng)測(cè)試是家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。下面以終端節(jié)點(diǎn)上傳測(cè)試為例進(jìn)行介紹。

終端節(jié)點(diǎn)主要指ZigBee 傳感器模塊，包括煙霧、溫濕度、火焰?zhèn)鞲衅魅齻€(gè)模塊。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可以通過(guò)傳感器感受周?chē)沫h(huán)境，對(duì)溫度和濕度進(jìn)行測(cè)試。終端節(jié)點(diǎn)上傳測(cè)試如圖8 所示。

圖8 終端節(jié)點(diǎn)上傳測(cè)試結(jié)果圖

經(jīng)過(guò)測(cè)試，終端節(jié)點(diǎn)可以完成數(shù)據(jù)收集、上傳、警示燈亮滅等功能，串口打印的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，終端節(jié)點(diǎn)符合要求，系統(tǒng)安全可靠、穩(wěn)定性強(qiáng)、功耗低、實(shí)驗(yàn)效果良好，能夠滿(mǎn)足家庭智能消防預(yù)警的需求。同時(shí)，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)均表明各個(gè)模塊設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)符合實(shí)際需求。

8 結(jié)論

住宅智能化是家居環(huán)境的革新和未來(lái)居住模式發(fā)展的必然趨勢(shì)。論文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee 技術(shù)的家庭智能消防預(yù)警系統(tǒng)能夠極大地節(jié)省終端鏈路成本，縮短消防的響應(yīng)時(shí)間和處理速度，降低火災(zāi)經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡，加強(qiáng)消防部門(mén)檢查，加強(qiáng)對(duì)家庭火災(zāi)的智能防控能力，提高家庭消防的安全管理標(biāo)準(zhǔn)。