胡智喜

(常州工學(xué)院,計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院,江蘇,常州 213032)

0 引言

隨著無線傳輸技術(shù)、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,消防產(chǎn)業(yè)也經(jīng)歷了幾次變革,目前國(guó)內(nèi)很多小區(qū)正逐漸走上智能化的道路[1-2]。

如何通過物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)建立合理的架構(gòu)有效地管理城市小區(qū)的安全是我國(guó)工業(yè)界、學(xué)術(shù)界研究的重要課題。我國(guó)每年發(fā)生的火災(zāi)次數(shù)仍很多,很多火災(zāi)造成的損失都是觸目驚心的。究其原因是消防設(shè)備的多樣化不能及時(shí)采集到問題報(bào)警信息的發(fā)生并做出快速響應(yīng)和處理[3]。消防監(jiān)控和管理仍依賴于特定的場(chǎng)景、安全員、消防設(shè)備以及其監(jiān)管部門,面對(duì)小區(qū)環(huán)境復(fù)雜、用戶眾多、消防設(shè)備多樣性、物業(yè)事務(wù)多的環(huán)境,傳統(tǒng)概念的消防管理無法實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景、多系統(tǒng)的信息共享,火警信息難以快速傳達(dá)和響應(yīng)[4]。

基于以上現(xiàn)狀,本文以IoT技術(shù)為載體,建立小區(qū)智慧消防系統(tǒng)用于監(jiān)控、管理整個(gè)小區(qū)的消防設(shè)施,對(duì)消防險(xiǎn)情做出智慧預(yù)警和自動(dòng)上報(bào)。它能夠連接現(xiàn)場(chǎng)消防設(shè)施、小區(qū)監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程城市消防管理中心,在消防險(xiǎn)情狀況出現(xiàn)時(shí)快速響應(yīng),更好地預(yù)防和杜絕火災(zāi)險(xiǎn)情的發(fā)生。

1 通用IoT消防系統(tǒng)架構(gòu)

目前,通用IoT消防系統(tǒng)架構(gòu)采用終端采集模塊和執(zhí)行器+數(shù)據(jù)傳輸模塊+IoT云平臺(tái)+用戶層App客戶端的整體框架,由微控制器為主控智能終端,外接溫濕度傳感器、煙霧傳感器、電壓傳感器、管壓傳感器、蜂鳴報(bào)警器和繼電器控制噴水裝置。采用無線傳輸技術(shù),使用IoT云平臺(tái),結(jié)合手機(jī)用戶App組成。通常情況下,整個(gè)IoT消防系統(tǒng)分為終端層、傳輸層、平臺(tái)層以及用戶層[5]。圖1為通用IoT消防系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1 通用系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1) 終端層。終端層是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)載體,系統(tǒng)終端主要由主控芯片、感知采集模塊和終端執(zhí)模塊組成,根據(jù)需求可以選用高端Arm-Cortex芯片或者低端8位單片機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)模塊通常包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、電壓傳感器、管壓傳感器、蜂鳴報(bào)警器、繼電器、報(bào)警燈、攝像頭等,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和命令的執(zhí)行,使得終端可控、可管、可互通[6]。

(2) 傳輸層。傳輸層是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信的基礎(chǔ),是設(shè)備可以穩(wěn)定互通的前提。系統(tǒng)可采用NB-IoT、Bluetooth、LoRa、ZigBee等無線傳輸技術(shù)。這些無線技術(shù)有不同的功耗、成本、連接節(jié)點(diǎn)數(shù)、覆蓋范圍,可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集需求進(jìn)行選擇。合適的無線組網(wǎng)技術(shù)的選用可以保證在復(fù)雜的外界環(huán)境下維持?jǐn)?shù)據(jù)的高穩(wěn)定性和高可靠性[7]。

(3) 平臺(tái)層。平臺(tái)層是實(shí)現(xiàn)通信管理、數(shù)據(jù)分析和設(shè)備運(yùn)作的基礎(chǔ),當(dāng)前可選擇的IoT云平臺(tái)有很多,比如阿里云平臺(tái)、騰訊云平臺(tái)、微軟云平臺(tái)等。云平臺(tái)的特點(diǎn)是平臺(tái)可以提供靈活高效的數(shù)據(jù)管理,包括數(shù)據(jù)采集、分類、結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、調(diào)用和數(shù)據(jù)分析。通過靈活編排的UI界面實(shí)現(xiàn)監(jiān)督管理,同時(shí)連接網(wǎng)絡(luò)模塊和用戶App協(xié)同實(shí)現(xiàn)命令下發(fā)和數(shù)據(jù)的傳輸[8]。

(4) 用戶層。為了滿足系統(tǒng)更智能、更高效、更便捷的目標(biāo),一般提供移動(dòng)終端App接口,用戶可以通過App隨時(shí)隨地獲取設(shè)備信息和報(bào)警信息,及時(shí)了解目標(biāo)區(qū)域周邊消防設(shè)備的狀態(tài)和隱患。

2 小區(qū)智慧消防系統(tǒng)硬件搭建

基于IoT的小區(qū)智慧系統(tǒng)硬件部分由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、主控制器、無線傳輸模塊組成?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包含溫濕度傳感器、煙感傳感器、管壓傳感器、電壓傳感器、繼電器(噴水)、蜂鳴器、揚(yáng)聲器、顯示屏、攝像頭等終端硬件設(shè)備。主控制器采用2種處理器?；贏rduino平臺(tái)的ATmega328,這是8位CPU,主要用于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集、IO狀態(tài)讀取、溫度壓力等模擬量的讀取。因?yàn)椴杉瘮?shù)據(jù)量占用比較大的帶寬等資源,如聲音、圖像和視頻數(shù)據(jù),所以同時(shí)選擇了另一款基于Rasp-Berry Pi的ARM Cortex-A72的Broadcom BCM2711的CPU,這是采用64位1.5 GHz四核的處理器,可以滿足高端需求。這2種開發(fā)平臺(tái)是很多創(chuàng)客首選的IoT設(shè)備開發(fā)平臺(tái)[9]。

對(duì)于無線傳輸模塊的選取,基于表1給出的各種IoT無線組網(wǎng)方式、傳輸距離、傳輸速度等項(xiàng)目的比較,最終選擇了NB-IoT、ZigBee、Wi-Fi的混合組網(wǎng)方式。使用Wi-Fi主要為了傳輸視頻、聲音、圖像等大容量信息,因?yàn)閃i-Fi在速度上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),在小區(qū)布置無線路由器的區(qū)域可以使用Wi-Fi組網(wǎng)進(jìn)行通信,用來實(shí)時(shí)監(jiān)控目標(biāo)小區(qū)的一些消防重點(diǎn)區(qū)域,比如配電室、大堂、安全門等區(qū)域的狀態(tài)。

表1 常用IoT無線組網(wǎng)方式比較

基于以上分析,采用的系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)臏貪穸葌鞲衅?、煙感傳感器、管壓傳感器、電壓傳感器、繼電器(噴水)、蜂鳴器和高數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膿P(yáng)聲器、顯示屏、攝像頭等。對(duì)于低數(shù)據(jù)量采集的信息通過Arduino平臺(tái)選用基礎(chǔ)的ATmega328芯片,而高數(shù)據(jù)量的信息采集通過基于ARM Cortex-A72架構(gòu)的RaspBerry Pi 4B,其CPU采用博通的BCM2711。這款高性能處理芯片可以輕松地處理視頻和聲音信息,同時(shí)通過其自帶的嵌入式Linux系統(tǒng)也可以完成Wi-Fi組網(wǎng)。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

3 基于Docker的云平臺(tái)搭建

云平臺(tái)是整個(gè)智慧消防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的基石,它負(fù)責(zé)管理服務(wù)器集群資源,分配、調(diào)度邏輯和物理資源以提供便于移植的跨平臺(tái)的應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境。云端底層物理設(shè)備即服務(wù)器集群,它由現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)平臺(tái)提供,在技術(shù)上選用基于Docker的容器技術(shù)來搭建云平臺(tái)[10]。

3.1 云平臺(tái)搭建

基于Docker的容器技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的虛擬機(jī)技術(shù),具有啟動(dòng)速度更快、占用空間更小、系統(tǒng)性能更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于單個(gè)服務(wù)器單機(jī)可以運(yùn)行上千個(gè)容器,而傳統(tǒng)的虛擬機(jī)一般單機(jī)只能運(yùn)行幾十個(gè)。所以,在項(xiàng)目中選用基于Docker的容器技術(shù)搭建小區(qū)智慧消防系統(tǒng)的云平臺(tái)。

Docker的先進(jìn)性在于其像集裝箱一樣的組織軟件,可以使資源得到更好的合理利用,更加細(xì)致化,運(yùn)行效率也得到了提升?；贒ocker的技術(shù)和開源的Kubernetes技術(shù)使集群資源虛擬化,通過對(duì)容器的編排、調(diào)度等服務(wù)管理服務(wù)器集群資源。在硬件資源的基礎(chǔ)上,通過持續(xù)集成(CI)、持續(xù)交付(CD)等開源技術(shù)工具部署鏡像倉(cāng)庫,代碼倉(cāng)庫在云端構(gòu)建整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施層,提供應(yīng)用運(yùn)行支撐環(huán)境。圖3為基于Docker的云平臺(tái)搭建框架結(jié)構(gòu)圖。

圖3 基于Docker的云平臺(tái)搭建

3.2 應(yīng)用構(gòu)建

圖4為基于Docker的小區(qū)智慧消防系統(tǒng)應(yīng)用構(gòu)建,類似于圖1的通用型架構(gòu)。終端層主要完成消防設(shè)備數(shù)據(jù)的采集,為了便于數(shù)據(jù)收集,其中使用了二維碼標(biāo)簽進(jìn)行設(shè)備識(shí)別。云端平臺(tái)層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備終端層之間通過傳輸層進(jìn)行傳輸,智能嵌入式IoT節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)通信基于MQTT協(xié)議開發(fā),通過整個(gè)智能感知網(wǎng)絡(luò)在建筑消防設(shè)施上部署節(jié)點(diǎn)采集信息[11]。消防設(shè)備相關(guān)的狀態(tài)和信息,比如開關(guān)狀態(tài)、水壓、液位、電量等都會(huì)被采集,然后封裝成MQTT協(xié)議格式傳到云端。消防設(shè)施信息的識(shí)別通過二維碼標(biāo)識(shí)可以由用戶通過手機(jī)App進(jìn)行識(shí)別完成設(shè)備的認(rèn)證、保養(yǎng)、盤點(diǎn)、巡檢、維修等信息的采集?；贛QTT協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸模式使應(yīng)用層構(gòu)建模塊化更加方便靈活。云端和現(xiàn)場(chǎng)終端的數(shù)據(jù)傳輸主要基于NB-IoT和Wi-Fi傳輸,而ZigBee用于內(nèi)部節(jié)點(diǎn)傳輸。

圖4 基于Docker的小區(qū)智慧消防系統(tǒng)應(yīng)用構(gòu)建

平臺(tái)層是在云端資源的搭建形式,采用基于Docker的容器形式搭建。

用戶層也稱應(yīng)用層,負(fù)責(zé)用戶界面的交互以及后臺(tái)數(shù)據(jù)的接收、處理和存儲(chǔ),向用戶提供軟件即服務(wù)(SaaS)形式的小區(qū)智慧消防系統(tǒng)的云服務(wù),主要功能有可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、消防設(shè)備監(jiān)控與管理、地理信息系統(tǒng)(GIS)分布信息、輔助決策、智能維保等。整個(gè)應(yīng)用層基于微服務(wù)的架構(gòu)形式開發(fā),這種架構(gòu)具備穩(wěn)定性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、擴(kuò)充靈活的優(yōu)點(diǎn)。用戶接入平臺(tái)可通過Web、App等形式訪問云地址完成服務(wù)。

4 與城市消防管理中心的連接

依據(jù)城市消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范(GB50440-2007),同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)要求,小區(qū)智慧消防系統(tǒng)與城市消防管理中心的連接如圖5所示。

前端聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)應(yīng)圖4中的現(xiàn)場(chǎng)終端層,在與城市消防管理中心的連接圖中它們被劃分為兩類:監(jiān)控裝置和處理裝置。監(jiān)控裝置用于收集消防相關(guān)信息,處理裝置用于對(duì)異常消防狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)處理。

對(duì)于小區(qū)原有的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備和消防安全設(shè)備,如果帶有信息傳輸線路,則連接信號(hào)傳輸?shù)街骶€路與小區(qū)監(jiān)控中心連接。對(duì)于一些沒有網(wǎng)絡(luò)傳輸接口的、老舊的消防設(shè)施、傳感器等,進(jìn)行改造或者更換,使小區(qū)的所有消防設(shè)施都能進(jìn)行物物互聯(lián),把采集到的信息上傳到小區(qū)監(jiān)控中心。

小區(qū)監(jiān)控中心是小區(qū)內(nèi)部的消防信息管理中心,前端聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的信息采集將匯總到小區(qū)監(jiān)控中心。小區(qū)監(jiān)控中心的報(bào)警受理系統(tǒng)可以快速上報(bào)嚴(yán)重警情到城市消防管理中心,同時(shí)通過GIS定位系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送位置信息,使消防管理中心可以快速獲取消防報(bào)警情況。小區(qū)監(jiān)控中心針對(duì)一些重點(diǎn)防控區(qū)域通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控,另外監(jiān)控中心還會(huì)收集小區(qū)內(nèi)部的消防設(shè)備狀況、問題處理情況等數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),用于后期數(shù)據(jù)追溯、查詢和分析。

城市消防管理中心指遠(yuǎn)端消防部門指定的專業(yè)消防救援管理機(jī)構(gòu)或經(jīng)營(yíng)單位,負(fù)責(zé)接受報(bào)警系統(tǒng)的求助信息并及時(shí)做出處理。報(bào)警受理系統(tǒng)與前端聯(lián)網(wǎng)設(shè)備包括消防監(jiān)控裝置和處理裝置相連,接收?qǐng)?bào)警主機(jī)上傳的報(bào)警和故障信息。城市消防管理中心通過專用網(wǎng)連接小區(qū)監(jiān)控中心報(bào)警受理系統(tǒng)獲取小區(qū)火災(zāi)報(bào)警信息并連接到城市消防出警中心安排消防救助。信息查詢系統(tǒng)連接到公安消防管理部門可通過云端進(jìn)行消防設(shè)備狀態(tài)或者出警信息的查詢。信息服務(wù)接口僅提供給特定的管理機(jī)構(gòu),小區(qū)業(yè)主可通過PC或手機(jī)進(jìn)行信息查詢。

5 系統(tǒng)實(shí)施

系統(tǒng)的實(shí)施以常州某小區(qū)的消防設(shè)施和小區(qū)消防管理為研究對(duì)象,建立基于IoT的小區(qū)智慧消防系統(tǒng)。

5.1 Docker云平臺(tái)的選擇

基于項(xiàng)目的穩(wěn)定、速度和安全性考慮,項(xiàng)目制作的Docker鏡像測(cè)試選擇推送到阿里云Docker管理平臺(tái),而不是Docker官方管理平臺(tái)。

5.2 應(yīng)用實(shí)例

圖6是常州某小區(qū)的智慧消防系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例圖。小區(qū)智慧消防系統(tǒng)主界面分為問題反饋、事件處理、定期巡檢、設(shè)備狀態(tài)、移動(dòng)終端數(shù)、事件分析和消防安全團(tuán)隊(duì)等七大塊。

圖6 小區(qū)智慧消防系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例圖

問題反饋用于記錄小區(qū)出現(xiàn)消防問題的門洞號(hào),需要對(duì)比進(jìn)行消防預(yù)防和整改。事件處理遠(yuǎn)程連接城市消防管理中心,用于記錄城市和區(qū)域內(nèi)的消防事件處理數(shù)。定期巡檢用于記錄小區(qū)內(nèi)的消防設(shè)備定期巡檢的狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)記錄了小區(qū)內(nèi)所有消防相關(guān)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài),如果有狀態(tài)異常會(huì)自動(dòng)向小區(qū)監(jiān)控中心發(fā)出警報(bào)并標(biāo)紅顯示。移動(dòng)終端數(shù)為小區(qū)用戶的App連接情況,可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程觀察到小區(qū)的消防信息狀況。事件分析是對(duì)小區(qū)告警事件按月和按年進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出小區(qū)的消防狀況及其趨勢(shì)線。消防安全團(tuán)隊(duì)是負(fù)責(zé)消防安全和巡檢的物業(yè)責(zé)任人安排。另外,還提供了小區(qū)近一年的事件量分析趨勢(shì)折線圖。該小區(qū)從2020年1月試用小區(qū)智慧消防系統(tǒng)以來累計(jì)收到告警信息1231條,當(dāng)月發(fā)生37條,均得到有效處置。

6 總結(jié)

小區(qū)智慧消防系統(tǒng)主要依賴于不同類型的消防傳感器,將消防傳感器置于現(xiàn)場(chǎng)感知火災(zāi)預(yù)警狀態(tài)和信息,通過IoT接入專網(wǎng)或Internet,通過GIS進(jìn)行定位以及實(shí)時(shí)地圖預(yù)覽和觀察,對(duì)采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,盡可能利用現(xiàn)場(chǎng)消防設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行有效的預(yù)防、報(bào)警和控制。同時(shí),警情信息及時(shí)上傳到小區(qū)安全管理中心和相關(guān)職能部門處理。整個(gè)小區(qū)的消防狀態(tài)和信息能及時(shí)、可靠、安全地呈現(xiàn)在小區(qū)安全管理中心,突發(fā)警情和消防狀況能快速上報(bào)遠(yuǎn)程城市消防管理中心,險(xiǎn)情災(zāi)情能夠自動(dòng)預(yù)警、快速響應(yīng),整體上與傳統(tǒng)消防處理過程相比能夠更迅捷、更有效、更智能地預(yù)防和處理火災(zāi)事件和火警情況。

本文研究的以IoT技術(shù)為載體的新型小區(qū)智慧消防系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)和處理多樣的小區(qū)數(shù)據(jù)狀況,實(shí)現(xiàn)小區(qū)監(jiān)控中心與城市消防管理中心的信息共享,使小區(qū)的消防問題能夠快速得到處理和管控,成為國(guó)家消防建設(shè)事業(yè)的有益補(bǔ)充。