基于物联网技术的火灾报警控制系统设计.docx

ELECTRONICS WORLD技术交流基于物联网技术的火灾报警控制系统设计【摘要】现有火灾报警控制系统没有联网功能，只针对现场的监控，设计了基于物联网技术的火灾报警控制系统，以物联网的三层体系结构来设计，包括感知层的数据采集、网络层的Internet和GPRS数据传输、应用层的数据存储与处理。使用该系统不但可以在现场以声光报警提示也可以让用户或物业或消防通过Internet在PC机上进行监控，还可以将数据发送到业主手机上，从而实现物业消防业主三方联动。【关键词】物联网技术；火灾；感知层；网络层1 引言2018年3月25日，俄罗斯西一家名为“冬季樱桃”的购物中心发生了重大火灾，此次火灾造成64人死亡，50多名伤者送医1。近几年，我国每年发生火灾约4万起，死亡2000人左右，伤残约3000-4000 人，每年火灾造成的直接财产损失达10多亿元2。从火灾发生的场所分析，住宅和人口密集的场所发生的火灾造成人员的伤亡率最高。我国在消防领域做了大量的技术推进，在大、中型建筑及公共场所安装了用以预防火灾事故发生的火灾探测报警系统，但大多数火灾报警控制器以MCU为核心，处于独立使用阶段，火灾探测器及联动装置很少配合实现火灾自动报警及联动功能。要想发生火灾时，能够迅速地控制火灾，将火灾造成的损失降到最低程度，这需要增加消防现代化设备投入的同时，更重要的是用高科技含量高、反应速度快的联网管理监控系统，本系统利用物联网技术设计的火灾报警控制系统能解决上述问题。物联网（Internet of things简称IoT）是通过将各种信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换、信息通信和信息处理，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络3。物联网是在互联网基础上发展而来，具有全面感知、可靠传递、智能处理三大特征，此三大特征对于火灾的感知、监控具有全面迅速地作用。2 系统总体设计该报警控制系统根据物联网的三层体系结构来设计，主要包括感知层的数据采集、网络层的Internet和移动通信技术数据传输、应用层的数据存储与处理等。整个火灾报警监控系统以火灾报警控制器为中心，该控制系统整体结构见图1。通过在传统火灾报警控制器内嵌入网络或GSM模块，使火灾控制系统得到升级。当火灾发生时，物联网感知层即温度传感器和烟雾传感器等将数据传送到火灾探测器，火灾探测器做出分析在现场以声光形式做出预报警，并把相应数据传递到火灾报警控制器，火灾报警控制器将相关火警信息转发到物联网网络层即因特网或蜂窝移动网上，数据传送到应用层，应用层为业主手机端、物业平台或消防局，即实现物业或消防联动。图1 火灾控制系统结构图从火灾控制系统结构图得出，火灾报警控制器是整个火灾控制系统的核心，起着承上启下的桥梁作用，负责探测器的信号的存储转发、同时执行应用层云端下达的控制命令。无论是火灾报警信号、故障信号还是巡检正常，火灾报警控制器都将通过网络层实现与应用层通信，应用平台则可以实时了解到各个火灾报警器的运行状态，掌握现场情况4。3 系统硬件设计按照图1的火灾控制系统结构图，系统硬件主要由监控主机、移动终端、传输网络、火灾报警控制器、探测器和执行机构等组成。3.1 应用层硬件设计物联网应用层相当于人的大脑，主要对网络层输送的数据进行处理，提供信息服务，满足用户的需求，关键性技术主要有大数据、云计算等。该系统应用层硬件主要是移动终端设备和监控主机，移动终端设备主要是业主手机；监控主机硬件由PC服务器组成，操作系统采用Windows10，监控主机主要接收网络层传送上来的数据，并实时存储处理分析，当数据出现异常，将进一步查看相应地点的监控数据确认火灾的发生，第一时间下达控制命令，同时将与消防物业联动，向消防部门和物业发出报警信号等。3.2 网络层硬件设计物联网网络层相当于人的神经中枢，通过网络层将感知层获取的项目来源：2017年湖南省普通高等学校教学改革研究项目以创新应用能力培养为核心的物联网项目驱动教学改革研究研究成果；湖南信息学院2017年度大学生研究性学习和创新性实验计划项目基于物联网技术的智慧教室管理系统设计与开发。 120 信息进行传输，信息高速路，是架设在感知层与应用层的信息通道， 关键性技术主要有互联网、移动通信、Wifi、ZigBee等3。本系统网络层硬件分为两种，一种是采用有线传输，借助于光纤到桌面的互联网设备；另一种是无线传输，借助于基站的移动通信设备。3.3 感知层硬件设计物联网感知层相当于人的感官，利用RFID、传感器、GPS定位等技术随时随地识别物体，采集信息，实现对物理世界的感知，关键性技术主要有RFID、传感器、GPS定位、嵌入式系统等3。本系统感知层主要完成火灾现场对环境的感知及现场预报警，向网络层发送采集到的数据，接收来自网络层的控制指令。硬件主要有两大模块组成， 即火灾控制器和探测器及执行机构，感知层硬件结构见图2。两大模块的微控制器都选用的是ATMEL公司的AT89C55WD单片机，自带看门狗功能，带20k的程序存储器，它是整个感知层硬件的核心，一是对传感器发送来的输入数据进行必要的计算和处理工作，二是火灾控制器通过串行口发送数据，并以TCP/IP数据方式传送到应用层5，同时通过GPRS将火灾信号以短信的形式发送到业主手机上。图2 感知层硬件结构图3.3.1 火灾探测器及执行机构火灾探测器及执行机构是感知层负责对现场信号的监测和实时声光报警以及切断电源操作等，主要由信号检测、微控制器和声光报警等模块组成。（1） 信号检测模块22检测模块检测的信号主要有火灾发生时产生的烟雾浓度、CO2 气体和环境温度。烟雾浓度的检测根据火灾发生的不同地点，选用了不同类型的探测器，如小区地下车库、楼梯间和走道选用的是光电感烟火灾探测器，住宅的客厅和卧室采用独立感烟探测器，厨房安装点型可燃气体探测器6；CO 气体的检测采用S-100 CO 传感器；环境温度的检测采用DS18B20数字式温度传感器。（2） 声光报警及执行模块各信号检测模块检测到的数据经过放大滤波、A/D转换等将传送到现场微控制器中，微控制器对这些数据存储处理传送，当超出预定值，在控制现场将进行声光报警和执行控制命令。报警方式主要通过LED指示灯和蜂鸣器进行声光报警，不同故障对应不同的报警指示灯。同时对报警值还进行了延时确定，若它们超出设定的延时时间，微控制器便会输出执行信号来关闭现场总电源开关，即延时断电，同时启动消防水泵， 提供消防用水来灭火。3.3.2 火灾控制器火灾控制器主要负责对火灾探测器传送来的数据进行网络传送，采用微控制器+以太网控制器+GSM的嵌入式服务器模式，功能相对简单。其硬件主要由五个模块构成：微处理器控制模块、串口通信模块、以太网通信模块、GPRS模块、看门狗模块5。其中串口通信模块主要负责火灾探测器与火灾控制器之间的通信；工业中通常以以太网为基础，实现与Internet的互联等。4 软件设计系统软件设计主要包括三部分内容：一是火灾探测器及执行机构的软件设计；二是火灾控制器的软件设计；三是应用层的软件设计。火灾探测器及执行机构的软件设计主要包括信号的A/D转换、报警处理和串行通信等。信号的A/D转换主要对采集到的烟雾浓度模拟信号通过程序转换为数字信号；报警判定是软件设计中的较重要部分，它通过对传感器传送上来的数据进行分析、比较、判断并转入相应的子程序，如果所接收到的数据超出设定值就以声光报警的形式提醒现场；转换后的数据将通过串行口传送到火灾控制器端，主流程图见图34。图3 探测器端信号判定及通信主流程图要执行与连接Internet相关的功能，就要实现TCP/IP协议。由于嵌入式系统资源有限，系统实现了简化的TCP/IP协议。本系统中， 数据链路层上采用RTL8019AS来实现，为了保证通信的正常运行， 系统还采用了ARP应答协议。网络层上采用IP协议，还采用了能报告数据传输差错等情况的ICMP协议；传输层采用传输控制协议TCP；应用层传递来自以太网和数据终端的数据，并对数据报作打包拆包处理7。火灾控制器软件设计主要包括芯片的初始化、驱动程序、协议栈以及网络配置程序。初始化的主要任务是设置微处理器和外围芯片的工作方式和端口配置等；驱动程序主要针对以太网接口芯片RTL8019AS而编写，用于选择工作方式和缓冲区的分配；网络配置程序主要是给系统分配IP地址和域名4。对于基于物联网的火灾报警控制系统来说，应用层云平台要能接收网络层传送上来的数据，对这些数据进行存储分析处理，并向消防主管部门报警和提供发生火灾的地点具体信息等；各网络用户也可以通过Internet访问应用层服务器查询系统内各单位的火灾实时监控信息或历史火灾信息等功能。5 结束语本文设计的基于物联网技术的智能火灾报警控制系统，从现场信号的检测、现场报警到数据的网络传送，使得原有的单一的火灾报警（下转第125页） 121 行放电，在内部将IC的地端与电池负相连。使用该IC配合外围简单电路实现符合国家关于隔爆锂电池使用规定的电源管理系统。4.3 大容量锂电池矿用特殊要求由于该系统电池箱选用磷酸铁锂电池作为后备电池，故要求应具有完善的保护机制及容错机制，根据安标规定，磷酸铁锂正常充、放电过程中单体电池的最高温度应应不超过60度，当超过环境温度超过55度时实现报警，超过60度时实现充放电回路断电；由于大容量用于煤矿井下属于新技术的应用，故国标对于该锂电池的应用有强制性的明确要求，其外壳静压可以承受1.5MPa，并且应电池和电气部件应电气分腔，防止由于电池的爆炸引起衍生危险。该锂电池箱具有全面的、准确的、预防式保护机制，不仅具有单体电池过充电压保护功能，还具有预防式的单体电池过充电压保护失效检测功能，不仅具有单体电池过放电压保护功能，还具有预防式单体电池过放电压保护失效检测功能，整机具有充电过流保护功能，具有放电过流保护功能等安全性保护功能。变量、函数初始化，当前运行状态监测，保护控制操作及循环。程序流程图如图6所示。5.总结与展望基于智能一体化后备电源的供电模式实现了煤矿井下区域数字化矿山安全、可靠、经济的供电，解决了目前分散式供电模式的诸多问题，无论是系统级、设备级均具有冗余设计，提高了被供电设备的稳定性、可靠性；系统和设备具有全面的自诊断、报警机制， 通过电源故障专家诊断系统，方便现场故障定点排查，快速检修， 有效减少了维护人员；系统支持对电池箱后备电池、隔爆兼本安电源后备电池远程、科学的充放电管理操作，有效延长了后备电池的使用寿命，减少了电池更换的次数，有效节约了成本。参考文献1 国家标准化管理委员会.GB3836.4-2010.北京:北京标准出版社,2010.2 周书伟.UPS集中供电在深圳地铁中的应用J.2013年轨道交通电气与信息技术国际学术会议(EITRT2013)论文集,2013(11):28-30.3李飞.浅析井下供电监控技术J.机械管理开发,2014(2):29-31. 4孔庆宇,陈凯利.井下供电标准化管理创新研究J.煤炭科学技术,2013(7):52-57.5吴秀文.煤矿井下供电系统安全问题解决措施J.科技与企业,2013(3):51-53.4.4 程序控制图6 主程序流程图作者简介：郭孝园（1982），男，江苏徐州人，硕士研究生，现供职于天地（常州）自动化股份有限公司，中级工程师，主要研究方向为智能一体化后备电源系统相关主程序初始化、各外设子模块和煤矿辅助运输自动化控制、煤矿风险预警与隐患管控。（上接第121页）控制器提升为网络火灾报警控制系统，实现了火灾探测器、火灾现场的网络化；使得火灾报警控制系统更加快速地探测，多角度多层次的火灾监控，提高了报警的准确性，增强了智能化处理能力。参考文献1 新浪新闻中心.俄罗斯购物中心大火64人死亡DB/OL.http:/ 2戚斑.近10年亡人火灾统计数据分析及防范对策J.中国消防,2017(11):18-23.3薛燕红.物联网技术与应用M.北京:清华大学出版社,2012.4陶曾杰.基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远程监控系统设计D.湖南大学,2007.5陶曾杰.基于嵌入式技术的剩余电流火灾报警远程监控系统设计J.低压电器,2008(14):39-42.6王志勇,李光,高波.基于物联网的智能消防系统设计J.河北工程技术高等专科学校学报,2017(03):9-12.7谢希仁.计算机网络(第6版)M.北京:电子工业出版社,2013.作者简介：陶曾杰，女，自动化专业，硕士，湖南信息学院电子信息学院讲师，研究方向：现代网络与通信技术、物联网技术。（上接第122页）息变化的战场局势。其次，要立足于我国的实际情况，研制符合军事需求的特种光纤，提高军用光纤对高温、高压、噪音等环境的适应能力。再次，要开发适合战场应用的光器件，强化对1.3m波长中继器的研究，解决战场光纤断裂后的临时修复以及保障较短时间内通信顺畅的问题，开发低速率系统使用的相对稳定可靠的LD，以保障其具备大功率输出的特性和较长的使用周期。另外，军用光纤通信系统的光发射机和光接收机在恶劣条件的抗核辐射和抗电磁干扰问题也是亟待解决的。最后，要研制野外光缆接续技术，充分重视对光纤的非融接法连接技术的研发和应用，以促进野外光缆连接器的耐碰撞、耐腐蚀、耐高温等性能的提升3。3 结 论综上所述，面对现代战争复杂多变的战场环境，立足本土的军事情况，强化对军用光纤通信系统的研发和应用，将有效提升军队军事作战的生存能力和防御能力，增强我国的军事实力和国防实力。参考文献1柏圣荣.浅谈光纤通信技术的发展现状及应用J.中国高新区,2018(03):201.2 刘奇.军事有线通信技术的发展现状和发展趋势J.中国新通信,2018,20(06):12-13.3 李涛元.光纤通讯在军事通信领域中的应用研究J.中国新通信,2018,20(08):8.作者简介：夏新瑞（1995-），男，满族，天津人，在校本科生，研究方向：光纤通信。 125