智慧城市感知消防系統的整體方案設計

鄭春芳，鐘君柳，張永亮，米志紅

（1.廣州航海學院，廣東廣州 510515；2.廣東機電職業技術學院，廣東廣州 510515）

智慧城市感知消防系統的整體方案設計

鄭春芳1，鐘君柳2，張永亮2，米志紅1

（1.廣州航海學院，廣東廣州 510515；2.廣東機電職業技術學院，廣東廣州 510515）

主要介紹一種基于智慧城市感知消防系統的整體方案設計過程。針對現有消防系統的技術限制，嚴格參照國標GB16806-2006《消防聯動控制系統》要求，充分利用物聯網以及其他通訊網絡等新技術，提出了增加消防探測點數量、降低組網難度、擴大系統的組網覆蓋范圍和探測器自動組網的技術方案，突破消防系統探測點通信距離短、通信線路不可靠等技術難點。最后采用實驗并搭建仿真模型的方法，驗證所提出的技術方案的可行性，為未來智能的感知消防系統設計提供了一個技術參考。

智慧城市；感知消防系統；組網技術；系統模型

0 引言

隨著社會的不斷發展，人們生活水平的提高，家庭中的電器用品越來越多；裝修檔次越來越高；氣體能源的使用越來越普及；從而使發生火災的可能性，危險性也越來越大。據統計，我國70年代火災年平均損失不到2.5億元，80年代火災年平均損失不到3.2億元。進入90年代，火災造成的直接財產損失上升到年均十幾億元，年均死亡2 000多人。特別是在城市，城市樓房密集，人口眾多，一旦發生火災，將會造成巨大的損失。因此，研究智慧城市消防感知控制系統具有重要的實際意義。

消防控制系統不但可以監控整個樓宇、小區、工廠或者其他的一些場所的消防安全，及早發現隱患，而且能夠在發生火情的時候第一時間報警和通過各種聲光信號警示人群進行疏散，并可以自動聯動設備來進行滅火等功能，該系統產品性能的好壞直接影響著對火情的監控、預判、警示和滅火，因此現有市面上出售的消防控制系統都有嚴格的質量控制要求，所有產品都是遵循GB16806-2006《國家消防聯動控制系統》標準、GB4715-2005《點型感煙火災 探 測器》、GB4716-2005《點型感溫火災 探 測器》、GB4717-2005《 火 災 報 警 控 制 器 》、GB19880-2005《手 動 火 災 報 警 按 鈕》、GB14003-2005《線型光束感煙火災探測器》、GB16280-2005《線型感溫火災探測器》、GB14287-2005《電氣火災監控系統》等，而且都是要經過國家的3C強制認證，即必須經過沈陽消防研究所送檢和北京3C強制認證的抽檢，滿足上述要求并達標之后才能在市面上進行銷售。

縱觀市面現有的消防報警系統技術及市面上銷售的消防系統產品，不管是國內或者國外的產品，普遍存在聯網探測點數偏少（一個大型控制系統也是12 700點數，如果采用撥碼電路的方式，探測點數更少），增加探測點數困難（只能在火災報警控制器內增加回路板），一般使用的232串口通信，CAN總線，或者是自己獨有的總線技術（使用距離有限，最大傳輸距離為1 200 m），部分兼使用485總線，組網都比較困難，不易維護，自動識別故障困難等缺點，而且現有系統不具備無線通訊的能力。

因此，本文針對現有消防系統技術存在的缺點，提出智慧城市感知消防系統的模型，主要研究一種智慧城市的易增加探測點數、擴展探測范圍，具有雙向通訊能力、穩定可靠、實時性強的感知型消防報警控制系統。

1 智慧城市感知消防系統模型的方案設計

本系統系統模型主要由火災報警控制器（主控制臺）、點型感溫探測器（從機）、點型感煙探測器（從機）、手動報警按鈕（從機）、消火栓按鈕（手動報警）、輸出模塊、輸入輸出模塊、警鈴（蜂鳴器）、揚聲器（語音報警）、噴淋泵、雙向通訊網絡、后備太陽能電源、LED廣告牌以及自動巡檢的消防車等組成。系統模型結構圖如圖1，系統模型實物圖如圖2所示。本智慧城市感知消防控制系統的狀態包括正常監控狀態、故障檢測狀態、響應狀態、運行狀態都是根據國標的要求而設計的，系統模型滿足國標的要求，具有運用于工程上的實際運用。

2 智慧城市感知消防系統模型工作過程

本消防控制系統利用51單片機自身的串行通信口設計，基于RS485的多機通信系統，實現多機通信的功能，除此之外，還研究了一種備用的雙總線通訊的方式，并制作了樣板模型，該雙總線通訊比市面上消防控制系統傳輸的速率更快、能容納更多的探測器和模塊。本系統的主要工作過程如下。

圖1 系統模型結構圖

圖2 系統模型實物圖

（1）本消防控制系統模型采用主機巡檢從機，從機應答主機的方式工作。主機相當于消防控制系統里面的主設備火災報警控制器，如圖1和圖3所示。當主機（主控制臺）巡檢從機（包括各種感溫、感煙探測器和各種輸入輸出模塊），從機接收到來自主機的命令對監控的場所進行溫度數據、煙霧數據等采集，同時讀取手動報警按扭狀態（相當于消防栓按鈕），數據經過處理把打包后發回主機，主機通過對數據的處理與比較，識別出該探測點的各種狀態，包括復位狀態、監控狀態、故障狀態、報警狀態等。從機通過傳感器檢測監控場所的溫度和氣體信號，當從機讀到檢測到火情，把數據傳送給主機，主機根據GB4717-2005《火災報警控制器》[1]，在10秒以內接受報警并做出反應。火災報警控制器的主控板上的液晶屏幕上會顯示發生火災的街道、樓宇和房間號，蜂鳴器會響起，提示燈變為紅色[2]，發生火情的房間的從機紅燈會亮，GSM模塊會發一條信息到已經設定好的手機號，提醒屋主發生火災，并發信息通知消防局發生火災的地點，同時把火警的詳細信息發給計算機或火災報警控制器的主機上，如果該樓宇有戶外的LED廣告牌，還可以連接廣告牌，把火災信息顯示到廣告牌上，再通過無線通訊技術，將火災信息通過無線信號傳輸到巡檢的消防車上，消防車接收到信號后會自動識別是那個房間發生火災，通過紅外對射管原理自動實現尋跡功能（而實際的消防車可以通過手機連接到GPS系統，確認火災發生地點），準確找到火災現場后，消防車會用車上的機械臂自動伸縮消防喉管，調整噴水口方向，利用抽水機抽取車自帶的水源或者抽取消防水源進行噴水滅火，把火澆滅后，小車會自動回到出發點待命。

（2）本系統模型還設有一鍵手動報警按扭（類似于消防栓按鈕），當監控人員發現火情情況，可通過主按制器上的一鍵報警按扭，進行語音報警，當行人在某處發現火情，通過附近從機的一鍵手動報警按扭向監控室報警。

（3）當主機處于正常監控狀態，如圖3所示，主機上的顯示屏顯示當前時間，報警燈長滅，通信指示燈按流水燈的形式閃爍，語音報警模塊處于關閉狀態。GSM模塊處于等待接收信息狀態，上位機接收來自主機定時發送過來的數據；當主機處于報警狀態，主機上的顯示屏顯示詳細的報警地址，如某街道某樓宇某房號，此時報警燈閃爍，蜂鳴器響起，相應的通信燈以紅色的形式閃爍，其它正常狀態的從機依然按照正常狀態下的機制運作，并且上位機、GSM都會接收到相應的報警信息。當從機處于正常監控狀態的時候，如圖4所示，從機上的報警指示燈長滅狀態，同時通信燈按以一定的時間間隔交替閃爍，從機實時監控溫度探測器與感煙探測器的數據，排煙機與消防泵的噴灑系統處于待命狀態；當從機處于報警控狀態的時候，如圖5所示，首先從機會把報警的信息發送給主機，激活主機報警機制，同時打開排煙機與消防泵的噴灑系統，報警紅色燈亮起，同時自動進行消防廣播。

圖3 主機（主控制臺）實物圖

圖4 從機正常監控狀態

圖5 從機報警狀態

（4）根據火災探測報警系統強制性國家標準[1-7]，報警燈應為紅色。本系統模型報警燈設計成流水燈形態，紅色綠色交替閃爍，從機的綠色信號燈每隔2秒種閃一次，表示正常，小車在出發點待命。

（5）當線路發生故障時，比如從機沒有正常運作，線路開路、短路故障，從機系統沒有通電，從機系統IP從總線上掉線，主機識別得到，并且把故障顯示在主機顯示屏上，點亮報警燈，利用上位或GSM報告給用戶或監護人員，提高了系統的安全可靠性。

3 智慧城市感知消防系統主題模塊設計

本系統系統模型主要由火災報警控制器（主控制臺）、從機（點型感溫探測器、點型感煙探測器、手動報警按鈕、消火栓按鈕（手動報警）、輸出模塊、輸入輸出模塊、警鈴（蜂鳴器）、揚聲器（語音報警）、噴淋泵、通訊網絡）、自動巡檢的消防車、后備太陽能電源以及LED廣告牌等模塊等組成。

3.1 火災報警控制器（主控臺）模塊

本系統模型的主控臺，即主機，如圖3所示，相當起火災報警控制器的作用。主機工作原理：由MCU讀取時鐘芯片的當前時間，通過通信芯片MAX485巡檢從機的狀態，等待從機的應答，把得到的數據經過處理后把在LED液晶屏中顯示，如果有報警信號，主機能夠在規定的時間內響應，把信息顯示在液晶屏中，并通過LED燈、蜂鳴器、喇叭等聲光信號指示，并能按照已經設置好的聯動關系，命令從機啟動相關設備進行滅火和疏散工作。如果存在故障信號，例如從機IP掉線，線路開路或者探測器故障，主機能識別，并能通過LED顯示屏指示相應故障的類型和故障地點，并發出相應的聲光信號。主機所有的信號設置、相應時間都是按照國標規定的設計。主機（主控制臺）系統模型包括：MCU控制模塊、液晶顯示模塊、廣播模塊、開關電源模塊。其電路模型部分電路原理圖如圖6所示。

圖6 主機（主控制臺）模型部分電路圖

3.2 從機模塊圖

從機是本系統模型的特色之處，現有的消防系統現有的系統都連到火災報警控制器上，這樣火災報警控制器要處理任務繁重，而且由于總線掛載容量和能力有限、極大限制了消防控制系統探測點數的增加和探測范圍的增大，本系統增加了從機作為協處理機，或者叫作中繼處理，從機可以進行1 200米的長距離的傳輸，從機負責所監控區域的所有數據的采集，當主機只需要巡檢每個從機的，巡檢到的從機只需要應答主機，如果有故障和報警信息，則按照國標規定的時間上報給主機，這樣主機工作量就大大減輕，效率更高，報警更及時可靠，同時也減少了出錯的概率。

從機通過檢測其線上的溫度傳感器和氣體傳感器（相當于感溫探測器和感煙探測器）實時探測一定范圍內[3-4]（探測面積由國標確定）的溫度和空氣的變化。如果有異常，比如檢測到的數據異常，溫度超過異常，從機經過算法的處理，對閾值進行判斷，確認無誤后，以第1優先級通過485傳輸的方式用網線傳送到主機發送報警數據，主機接收到報警信息，確認無誤后，可以命令從機的啟動聲光報警信號報警，如果有聯動編程，在相應的時間內[3-4]，則根據編程關系從機可以啟動相應設備，如啟動抽水系統和排煙機，進行噴灑滅火和排煙。如果氣體傳感器（煙感探測器）檢測到可燃性氣體或二氧化碳等有害氣體濃度超過相應的閾值[3-4]時，從機響應過程類似，會啟動排氣扇排走有害氣體。從機模型的電原理圖如圖7、圖8所示。

圖8是從機模型的模擬響應電路，通過KEY1、KEY2來模擬從機上的溫度傳感器報警和氣體傳感器的報警。這個模擬按鍵的設置，可以方便測試系統響應，同時在實際的工程中，也能方便對從機、主機進行維護、調試、測試和驗收。可以通過可編程器件，如CPLD和FPGA就能很方便對測試點輪流選通，容易對測試點數進行擴展，從而展示論文所研究的系統模型能夠擴展探測點數量多，組網簡單，覆蓋范圍廣等功能。

從機的模型有煙霧傳感器模塊（感煙探測器）、溫度傳感器模塊（感溫探測器）、排煙系統模塊、噴灑模塊、應急燈模塊組成。從機模型的模塊框圖如圖9所示。

圖7 從機模型電路圖原理圖一

4 結論

本文提出的基于智慧城市感知消防系統的整體方案設計主要創新之處：

第一，現有系統探測點數偏少，探測距離近的缺陷，提出使用485總線的方式，并使用從機（中繼器）的概念，擴展探測點數和距離，每個探測點和每個從機都有自己的IP號，一旦線路有問題或者探測點下線，主機能自動識別并報出詳細的故障信息；

第二：針對現有系統使用I2C或者電路板內置焊接FLASH形式，這樣存儲數據量少，一旦存儲器損壞要拆卸整個系統進行更換，費時費力，會危及整個監控區域的安全問題，使用外部擴展的SD卡模式；

圖8 從機模型電路原理圖二

第三：加入消防小車的新概念，一旦有火情，主機（控制臺）能自動發GSM信息或者通過無線模塊方式（電臺）發送信息到待命的消防車或者在城市里巡檢的消防車，第一時間告知出現火情的具體情況，消防車能以最快時間到達火災現場；

第四：充分利用城市里樓宇的LED顯示屏，一旦有火情，主機或從機能把火情信息通過LED顯示屏控制系統，把火情信息顯示到LED廣告屏上。

圖9 從機模型的模塊框圖

［1］GB4717-2005.火災報警控制器［S］.

［2］GB16806-2006.國家消防聯動控制系統［S］.

［3］GB4715-2005.點型感煙火災探測器［S］.

［4］GB4716-2005.點型感溫火災探測器［S］.

［5］GB19880-2005.手動火災報警按鈕［S］.

［6］GB14003-2005.線型光束感煙火災探測器［S］.

［7］GB14287-2005.電氣火災監控系統［S］.

［8］深圳賦安安全系統有限公司.火災產品設計手冊V4［Z］.2008.

［9］孟帥.消防廣播遠程控制系統的研究及消防電話的系統集成［D］.成都：電子科技大學，2003.

Smart City-Based Perception of the Fire Control System Design Applications

ZHENG Chun-fang1，ZHONG Jun-liu2，ZHANG Yong-liang2，MI Zhi-hong1
（1.Guangzhou Maritime Institute，Guangzhou510725，China；2.Guangdong JiDian Polytechnic，Guangzhou510515，China）

This paper studies the perception-based smart city fire control system design applications.Contrary to the technical limitations of the existing fire protection system,strictly refer to national standard GB16806-2006"fire control system"requirements,make full use of the Internet of Things,and other communication networks and new technologies,this paper proposes a technology solution by increasing the number of fire detection points,reducing the difficulty of networking and expanding network coverage and the system automatically networking,which break through the technical difficulties such as short break-point communication distance,unreliable communication lines etc..Finally by the experiment and building a simulation model，verified the feasibility of proposed technical solutions，provides a technical reference for the future intelligent perception fire system design.

smart city；perception of fire protection systems；networking technology；system model

TP23 U467.4

A

：1009－9492(2014)01－0035－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.009

鄭春芳，女，1978年生，江西泰和人，博士研究生，工程師。研究領域：電力電子及電力傳動技術。已發表論文18篇。

(編輯：向 飛)

2013－07－06