王文強

（山東服裝職業(yè)學(xué)院 信息工程系，山東 泰安 271000）

高校宿舍具有房間多、人員多、固體可燃物多、電器設(shè)備多的特點，同時面臨電氣線路老化、雜物隨意擺放、學(xué)生違規(guī)用電、違規(guī)吸煙等現(xiàn)實問題，具有較高的火災(zāi)安全隱患和管理難度。傳統(tǒng)的高校宿舍消防配置的報警器、滅火裝置等裝備互不關(guān)聯(lián)，需要以“人”作為中間環(huán)節(jié)聯(lián)結(jié)各個信息孤島。“人”的反應(yīng)速度和處理水平對火災(zāi)的預(yù)防和處理至關(guān)重要，也制約了高校宿舍消防水平的進(jìn)一步提升。為解決以上問題，文章設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校宿舍消防安全管理平臺，平臺以LoRa無線通訊技術(shù)為紐帶建立物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，針對高校宿舍消防特點進(jìn)行軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)消防設(shè)備、消防管理主體、消防管理客體間的互聯(lián)互通。

1 多功能火災(zāi)信息探測器

消防工作的開展需遵循“預(yù)防為主、防消結(jié)合”的方針。對火災(zāi)隱患產(chǎn)生環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確的實時監(jiān)測，在日常監(jiān)測中減少火災(zāi)隱患，在災(zāi)害發(fā)生時第一時間發(fā)現(xiàn)，可以最大程度上消除隱患或使得火災(zāi)因素可防可控，也能夠在火災(zāi)發(fā)生初期進(jìn)行滅火，這就需要一個多功能、高效率的火災(zāi)信息探測器，以此探測器作為終端節(jié)點，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連點成線、連線成網(wǎng)，組成具備火災(zāi)隱患監(jiān)測、火災(zāi)報警、防人為觸碰、物聯(lián)網(wǎng)無線通訊等功能的火災(zāi)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。多功能火災(zāi)信息探測器是高校消防安全管理系統(tǒng)的核心功能部件，針對高校消防特點，對多功能火災(zāi)信息探測器進(jìn)行如下模塊設(shè)計。

（1）區(qū)域電流實時監(jiān)測模塊，電氣火災(zāi)是中國高校最常見的火災(zāi)類型之一，對宿舍用電進(jìn)行監(jiān)測是預(yù)防宿舍火災(zāi)的重要途徑。多功能火災(zāi)信息探測器通過專門的計量電路實現(xiàn)區(qū)域電流實時監(jiān)測，該電路以RN8209C單相電量計量芯片為核心，通過串口通信與STM32進(jìn)行連接，通過該電流檢測模塊可以對學(xué)生宿舍等場所進(jìn)行全天候用電監(jiān)測，結(jié)合學(xué)生行為邏輯判斷宿舍是否存在使用大功率電氣、無人時對電池進(jìn)行充電等違規(guī)用電行為。

（2）有毒有害氣體監(jiān)測模塊，該檢測模塊借助高精度有毒有害氣體傳感器進(jìn)行探測，借助信號放大電路對探測信號進(jìn)行放大，將放大后的信號通過串口和STM32進(jìn)行通信連接，再對氣體信號進(jìn)行三點溫濕度補償，最后再借助標(biāo)準(zhǔn)氣體計量值進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)得到監(jiān)測結(jié)果，該模塊可以對高校實驗室以及高校宿舍堆放雜物的場所進(jìn)行監(jiān)測，避免出現(xiàn)危化品泄露或者實驗氣體泄露等情況，及早發(fā)現(xiàn)及早處理。

（3）煙霧監(jiān)測模塊，通過煙霧探測模塊來進(jìn)行煙霧探測，煙霧探測模塊采用MQ-2煙霧傳感器，煙霧探測器可以探測煙霧濃度，煙霧濃度越大，輸出模擬信號就越大。通過其輸出電壓與門限電壓來比較從而輸出結(jié)果，輸出結(jié)果可設(shè)置高低兩種閾值，對于高校宿舍來說，高閾值可以設(shè)置為火災(zāi)報警閾值、低閾值可以設(shè)置為抽煙警告閾值。

（4）防觸碰模塊，針對高校宿舍存在人為破壞煙霧報警器的行為，設(shè)計防觸碰模塊，該模塊通過震動傳感器捕捉探測器震動信號。一旦探測器啟用后，對探測器的人為觸碰將會觸發(fā)警報信號，從而避免人為因素導(dǎo)致探測器失效。

（5）物聯(lián)網(wǎng)無線通訊模塊，該模塊通過串口通信與STM32互聯(lián)，在單片機對前面所述的各模塊反饋的信號進(jìn)行邏輯處理后，通過物聯(lián)網(wǎng)無限通訊模塊將處理的隱患監(jiān)測信號、有毒有害氣體信號、人為觸碰信號、火災(zāi)報警信號等信息準(zhǔn)確、實時的對外傳輸，同時也能夠?qū)⒍喙δ芑馂?zāi)信息探測器本身的狀態(tài)信號向上傳遞，同時借助物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，還能夠遠(yuǎn)程對探測器進(jìn)行主動檢測和實時控制。

（6）警報模塊，通過聲光報警對火災(zāi)進(jìn)行現(xiàn)場警報，并能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程語音播報功能。

2 總體設(shè)計

如圖1所示，以多功能火災(zāi)信息探測器為終端節(jié)點、LoRa星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為構(gòu)架、高性能工控機為核心、結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器建立高校消防安全管理硬件系統(tǒng)。據(jù)校園宿舍分布情況設(shè)置多個LoRa無線網(wǎng)關(guān)，這些無線網(wǎng)關(guān)在有效傳輸距離內(nèi)將多個多功能火災(zāi)信息探測器進(jìn)行互聯(lián)，形成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。中繼網(wǎng)關(guān)再通過標(biāo)準(zhǔn)IP與工控機相連，建立基于LoRa技術(shù)的消防安全硬件網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。采用LoRa技術(shù)建立的火災(zāi)信息傳遞網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)多通道并行信號傳遞和處理，大大增加了信息傳遞效率和網(wǎng)絡(luò)冗余性，使火災(zāi)信息的傳遞更加安全可靠。

圖1 高校消防安全管理系統(tǒng)總體設(shè)計

在硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立消防物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺。軟件平臺安裝在高性能工控機上并與互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器互聯(lián)，平臺包括信息采集端、消防主控端、消防云控端三部分。如圖2所示為高校消防安全管理系統(tǒng)信息處理流程圖，多功能火災(zāi)信息探測器將火災(zāi)異常信息向消防中控室傳遞，平臺的信息采集端對實時采集的消防安全信息進(jìn)行分析，將采集到的信息按照火災(zāi)預(yù)警信息、安全管理信息兩方面進(jìn)行篩選、分類，并將信息向消防主控端進(jìn)行傳遞。消防主控端自動將分類后的信息以可讀化或可視化的語言在主界面上顯示，并對信息進(jìn)行智能處理，包括警報、傳遞、歸檔等處理工作。消防云控端通過云服務(wù)器，將主控端與web客戶端、手機App、緊急聯(lián)絡(luò)電話等遠(yuǎn)程設(shè)備相連，能夠進(jìn)一步地將消防信息向消防管理或校園管理人員進(jìn)行遠(yuǎn)程呈現(xiàn)，并接受遠(yuǎn)程人員的操作指令。

圖2 高校消防安全管理系統(tǒng)信息處理流程圖

3 系統(tǒng)測試和分析

在高校內(nèi)劃定半徑1.5 km作為測試區(qū)域，在測試范圍內(nèi)選取60個分布在不同位置的房間設(shè)置多功能探測器終端，并架設(shè)5個LoRa中繼網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)線與消防中控室的工控機相連，經(jīng)測試60個探測器終端均能與網(wǎng)關(guān)和消防中控室正常通信。在此基礎(chǔ)上對高校消防安全管理系統(tǒng)進(jìn)行功能測試。

（1）消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)測試。在60個探測終端中選取其中10個終端進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)測試，其中包括全鏈路丟包率測試、網(wǎng)絡(luò)延時測試、射頻信號穩(wěn)定性測試三項，經(jīng)測試該系統(tǒng)傳輸速率搞、網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定，詳見表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

（2）模擬火災(zāi)預(yù)警測試。對高校消防安全管理系統(tǒng)進(jìn)行綜合模擬測試，利用液體石蠟氣溶膠發(fā)生器模擬初起火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧，選取6個測試房間，每個房間進(jìn)行連續(xù)6次響應(yīng)試驗，測試試驗現(xiàn)場探測器警報情況、測試消防中控室和手機App警報情況。經(jīng)測試系統(tǒng)運行良好，現(xiàn)場探測器和消防中控室均能在起煙5 s內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)，手機App可以在8 s內(nèi)收到警報信息，詳見表2。

表2 模擬火災(zāi)預(yù)警測試結(jié)果

（3）違規(guī)用電管理測試。防火減災(zāi)離不開“人”的因素，將高校消防管理系統(tǒng)與學(xué)生管理相結(jié)合才能夠更好地從根源上杜絕火災(zāi)的發(fā)生。選取5個高校班級進(jìn)行該項測試，測試時間為兩個月，首先通過高校消防安全管理系統(tǒng)對這5個班級對應(yīng)的宿舍用電情況進(jìn)行監(jiān)測，第一個月只進(jìn)行監(jiān)測和記錄。第二個月在監(jiān)測的同時將宿舍違規(guī)用電信息每天發(fā)送到班級管理人員的手機，并由管理人員進(jìn)行處理。經(jīng)測試，在該系統(tǒng)運行第二個月，5個班級的違規(guī)用電情況均大幅度下降，詳見表3。

表3 違規(guī)用電管理測試結(jié)果

4 結(jié)語

高校消防安全管理系統(tǒng)將傳統(tǒng)消防感知技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)相結(jié)合，打破原有單點或局域網(wǎng)式的消防警報器的區(qū)域和功能局限，形成大范圍、全覆蓋、智能化、多層次響應(yīng)的消防物聯(lián)網(wǎng)平臺。在具體應(yīng)用中該平臺將消防預(yù)警與高校學(xué)生管理相結(jié)合，實現(xiàn)了對火災(zāi)隱患的實時監(jiān)測和提前管控，防火于未然；通過全區(qū)域多層次的消防信息傳遞和處理，實現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早滅火，并能夠進(jìn)行智能化的信息統(tǒng)計和歸檔，有助于在高校中落實預(yù)防為主、防消結(jié)合的消防政策方針，同時更好地為智慧校園和智慧城市的建設(shè)提供助力。