基于物聯網的火災報警系統

胡冰冰 邱月友 崔月圓

（安徽工程大學，安徽 蕪湖 241000）

0 前言

目前主要的火災自動報警系統大多采用有線方式構建火災傳感器網絡，這類方式耗材多、施工與維護復雜，擴展能力差，線路容易老化或腐蝕、磨損，故障發生率高，并且不易排查修理[3]。在實際的火災消防工程中，傳統的區域報警和集中報警系統多采用多線制和總線制連接，即探測器、報警器、控制器之間是采用兩條或多條的銅芯電纜相連，其安裝成本約占設備成本的33%～70%，且施工復雜，系統擴展性差，自成體系。在這些火災自動報警系統中，主要以集中智能系統為主，巡檢速度低，穩定性和可靠性差，大多數以溫感、煙感探測器為主，存在比較突出的遲報、誤報、漏報等現象，這些都制約著火災自動報警系統的發展[1]。

本文提出的基于物聯網的火災自動預警系統（FAS）是樓宇自控系統（BAS）的分系統，服務于樓宇自控系統，它可以及時發現和通過3G 移動網絡、無線網絡等通報火情，實現對現場準確、實時監控，有效地預防火災的發生，減小經濟損失，并采取有效措施控制，提高建筑物的防災自救能力。

1 物聯網

“物聯網概念”是在“互聯網概念”的基礎上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網絡概念。其定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備、按約定的協議，把任何物品與物聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡概念。

物聯網在體系結構上主要包括三層：感知層、網絡層和應用層。其中感知層主要包括組成無線傳感網絡的普通傳感節點，用于連接無線傳感網絡、移動通信網絡和Internet 等；網絡層主要是網絡通信基礎設施，包括移動通信網絡和Internet 等；應用層主要涉及各種物聯網應用，如環境監測、智能交通、遠程醫療、智能城市管理和工業監控等，如圖1 所示。

其中感知層由物理(PHY)層、媒體接入控制(MAC)層構成，兩者之間通信采用通用的IEEE802.15.4 協議。感知層獲得信息后上傳至網絡層和應用層，它們之間通信必須滿足網絡協議（如ZigBee 協議）。

目前物聯網技術在移動通信技術方面可以使用GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線服務技術)、CDMA(Code Division Multiple Access，碼分多址)、3G(3rd-Generation，第三代移動通信技術)等，在感知層中可以使用ZigBee，超低功耗藍牙等技術，甚至是獨立開發專用的網絡協議，其基本的技術體系結構，都是通過泛化的感知層節點獲取相關數據通過網絡層傳輸至應用層來進行處理。

圖1 物聯網體系結構

2 運用物聯網實現火災報警

物聯網是十二五規劃的一項戰略型產業，然而如今物聯網因其巨大的應用而引起廣泛的關注，它在消防安全方面的應用也越來越引起大家的關注。隨著社會經濟的發展，人們的生活水平的提高，我們居住的房子，我們辦公的地方也越來越高。在這些建筑興起的同時，火災隱患也大大增加。于是，人們研究了各種各樣的火災探測器，并且結合已開發的火災探測器針對高層建筑推出了多種聯動設備，在一棟建筑中可以實現多點監測，在一定程度上實現了火災預警。但是由于獨立的聯動設備需要使用市電和有線通信設施，當火災發生時，電力供應的通信設施可能會損壞而無法工作，火情無法正確及時上報，導致火災蔓延，造成重大的損失。

物聯網火災報警系統主要由無線終端設備、無線集中器和嵌入式服務器、3G 無線通訊單元、供電單元組成。其中包含煙霧和溫度傳感器，將無線傳感器網絡與傳統計算機網絡監測有機結合，并借助3G移動網絡、無線網絡，實現對現場準確、實時監控[3]。

圖2 系統硬件框圖

2.1 系統硬件

本系統主要對感知層的硬件進行設計。硬件框圖如圖2，主要是對感煙、感溫傳感器檢測信號進行A/D 轉換，對火災點進行GPRS 定位，以及其他硬件的通信等。控制器MSP430F449 通過對傳感器檢測信號進行處理、火災判斷、聲光報警，并建立與無線網關的通信。

AD 采集模塊將煙感、溫感等傳感器檢測的信號進行模數轉換，由MSP430F449 單片機進行處理、判斷、分析。當判斷有火災信息時，將信息傳輸到網絡層，同時通過GPRS 模塊將火災點定位。當然，MSP430F449 單片機自帶模數轉換模塊，但是為了檢測更多的點，多路AD 還是應該通過擴展AD 轉換模塊來實現。其他模塊的功能是，串行口模塊主要完成電平轉換；通信接口完成與網絡層的通信；I/O 口模塊完成報警、顯示等；電源模塊完成對最小控制系統的供電。

也就是說，本硬件電路主要是完成火災點的檢測、篩選和定位，并完成與網絡層的通信，網絡層再完成與應用層聯絡。

2.2 系統軟件

系統軟件主要是完成對各層的通信協議的編程。感知層的協議應用比較成熟的IEEE802.15.4 協議。感知層和網絡層需要編寫TCP/IP協議來實現，但是TCP/IP 協議過于復雜。然而并不是所有的TCP/IP協議都需要在網絡服務器中實現，注意到TCP/IP 協議族中的許多協議在實際應用中完全可以不采用。因此需根據具體應用進行適當裁剪，幾個必要的網絡協議包括：APP 協議，它提供IP 地址和MAC 地址的轉換，是TCP/IP 協議中不可缺少的部分：IP 協議，它用于網絡層的數據傳輸，ICMP 協議，用于報告數據傳送過程中的差錯情況。

另外就是工作在網絡層的TCP 協議，它是整個TCP/IP 協議的核心也最為復雜。TCP 協議分為4 層：鏈路層、網頁層、傳輸層、應用層。鏈路層主要是由網關控制器來實現，其數據通信協議采用IEEE802.3 標準。網絡層實現IP、APP 和ICMP 協議。IP 數據包的首部保留20 字節的基本控制信息，每個IP 數據包包含一個分片；實現完整的APP 協議，對于ICMP 協議，只實現ICMP 中類型號為0，代碼為0 的PING 應答協議。傳輸層實現TCP 協議。在系統中，TCP 協議只用于支持HTTP 協議，由于在連接是一直處于被動服務的狀態，因此在設計中讓它一開始就處于LISTEN 狀態，來監聽客戶端得連接請求，避免了主動打開的操作，可更高效的服務于客戶機。應用層實現HTTP 協議。現場監測設備與用戶的交互式數據交換通過HTTP 協議來實現。HTTP 在端口80 上使用TCP 的服務。系統需要監聽網絡狀態，對以太網數據幀進行解包分析，根據結果分別進入處理程序，完成嵌入式TCP/IP 協議處理，將現場的監測數據發送到以太網，網內所有采用TCP/IP 協議的計算機都能收到此數據幀。

應用層服務器模塊：嵌入式Web 服務器的實現是以TCP/IP 協議來傳輸數據，以HTTP 協議來進行客戶端與服務器之間的請求和相應。Web 服務系統采用B/S 模式，由位于服務器的Web 服務器和位于客戶端的Web 服務器的任務是等待客戶機得連接。系統主要用HTTP協議，并使用URL，HTML 和CGL 等方法進行信息的定位，存儲和顯示。HTTP 協議是實現客戶端到服務器之間的靜態文件傳輸協議，采用請求/相應的握手方式，客戶端向服務器

請求文件對象，服務器把文件對象發往客戶端作為響應。HTTP采用TCP 連接，該連接狀態僅在此次連接中保持，無論瀏覽器或服務器都不會記憶上次連接的狀態。

本系統的實現需要硬件和軟件共同完成，優化的軟件設計方案可以很大程度的減輕硬件成本負擔，只有軟硬件同時達到優化才能使整個系統達到最高優化。整個系統的軟件部分采用自上而下的模塊化程序設計，各分支部分分別實現，其主要子程序如圖3 所示。

圖3 系統流程圖

3 結束語

采用物聯網技術，可以使火災自動報警系統更加快速、準確地探測火災的發生，提高火災報警的準確性，降低誤報率；采用物聯網技術傳遞火警信息，可以極大地縮短報警時間，提高系統的穩定性，而且可以大幅度提高系統的兼容性和擴展性，便于系統維護升級和互聯互通。

但是，物聯網在火災預防和報警中應用還沒達到大規模的程度，當然在應用中還需要解決一些問題，如傳感器的地址編碼問題、與應急救援平臺的聯網問題、與已經在使用的火災自動報警系統的兼容問題等等。隨著研究人員不斷探索和深入，相信這些問題都會得到解決，使得物聯網在火災報警系統的應用更加成熟。所以，當成熟的物聯網火災自動報警系統的應用，必然會在社會經濟上產生巨大的效益[5]。

［1］張翔.基于物聯網技術的火災自動報警系統研究[J].防災科技學院學報，2011，3.

［2］李振雷.物聯網技術在火災預警中的應用[D].青島理工大學，2010，12.

［3］汪洋文杰，王楠，司軼芳.基于ZigBee 技術的火災自動報警系統[J].電子技術，2010，5.

［4］王慧琚.基于物聯網的火災監測系統[D].蘭州大學，2012，5.

［5］王忠敏.EPC 與物聯網[M].北京：中國標準出版社，2004.