基于物聯(lián)網(wǎng)的消防、安防報警系統(tǒng)研究＊

許海濤，許春香，蔣夢新

（鄭州工程技術學院，河南 鄭州 450044）

1 引言

建筑消防、安防探測報警系統(tǒng)是以維護公共安全為目的，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、智能信息處理、消防和安防等技術，為應對造成人民生命財產(chǎn)安全重大危害的各類突發(fā)性事件，構筑基于現(xiàn)代信息技術層面上的安全防范體系，研究消防、安防系統(tǒng)的險情（消防、安防）評估、實時報警、聯(lián)動控制和應急處理等功能[1]。歐美國家在該領域的研究和應用較為成熟，其造成的損失和人員傷亡遠低于我國。國內(nèi)在無線消防、安防系統(tǒng)方面的研究起步較晚，還未能形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，主要是一些大學（比如浙江大學、華中科技大學等）的重點實驗室對此領域進行研究。

當前，大部分消防、安防探測系統(tǒng)在結構和功能方面存在諸多問題，主要表現(xiàn)為：業(yè)務功能單一，系統(tǒng)內(nèi)部在小范圍內(nèi)實現(xiàn)通信信息的共享；設備安裝需要大量布線，結構復雜，不利于系統(tǒng)的升級維護；系統(tǒng)的魯棒性差，某一部分功能損壞，會造成系統(tǒng)癱瘓等，其靈活性和可靠性亟待提高。因此，研究開發(fā)一種統(tǒng)一標準化接口和基于無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸機制的消防、安防系統(tǒng)尤為重要。

本文在對傳統(tǒng)的智能建筑消防、安防系統(tǒng)研究的基礎上，設計出一種基于無線物聯(lián)網(wǎng)的智能建筑消防、安防探測報警系統(tǒng)。基于ZigBee技術的無線物聯(lián)網(wǎng)有著顯著的優(yōu)點，比如功耗低、結構簡單、易組網(wǎng)、造價低和雙向通信等，廣泛地應用在智能儀器設備、醫(yī)療衛(wèi)生和科學研究等領域。通過組建可靠的物聯(lián)網(wǎng)，來實時采集建筑物內(nèi)的消防、安防相關信息，經(jīng)過控制主機及時作出風險預測、狀態(tài)評估和設備動作[2-4]，可以有效地避免有線傳輸系統(tǒng)的布線困難問題等。用戶隨時都可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠程終端對建筑內(nèi)部消防、安防信息進行監(jiān)控，掌握實時信息。

2 系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的消防、安防報警系統(tǒng)主要由控制主機、以太網(wǎng)模塊（W5500）、無線通信模塊、傳感器設備（消防、安防傳感器等）和光耦繼電器模塊等組成，如圖1所示。

圖1 總體框圖

該系統(tǒng)的工作原理為：設置于房間和走廊內(nèi)的消防、安防傳感器周期性地采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)（比如溫度、煙霧、現(xiàn)場報警按鈕是否閉合，檢測是否有非授權闖入等警情信息），傳輸至ZigBee終端設備，經(jīng)由無線路由設備把采集的現(xiàn)場警情信息經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡轉發(fā)至協(xié)調器，然后將數(shù)據(jù)經(jīng)由協(xié)調器發(fā)送給控制主機；控制主機將數(shù)據(jù)運算處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議傳送至以太網(wǎng)模塊（W5500），最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者3G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送至遠程監(jiān)控中心電腦，監(jiān)控中心實時顯示處理后的數(shù)據(jù)。當管理人員發(fā)出控制命令時，數(shù)據(jù)以同樣的方式逆向發(fā)送至數(shù)據(jù)采集終端，實現(xiàn)遠程控制。建筑物內(nèi)的消防、安防數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡與控制中心雙向通信的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地避免系統(tǒng)布線的煩瑣環(huán)節(jié)，有效地降低了后期的改造、升級和維護成本。

為了便于系統(tǒng)的操作和管理，遠程訪問終端采用以太網(wǎng)通過Web網(wǎng)頁瀏覽器登錄消防、安防監(jiān)控系統(tǒng)主頁，隨時查看現(xiàn)場的消防、安防信息，并且實時存儲相關的信息。

2.2 控制主機

控制主機是系統(tǒng)的控制中樞，承擔資源管理、聯(lián)動控制和數(shù)據(jù)處理等。無線物聯(lián)網(wǎng)（主要設備包括協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點）實現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的傳輸功能，它實時掃描和采集傳感器（消防/安防）信息，進行綜合消防、安防評估，做到遇警情及時報。當遇到危險情況時，打開和控制攝像頭及時采集現(xiàn)場的視頻信息并自動記錄存儲。現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過無線物聯(lián)網(wǎng)傳送至控制主機，經(jīng)由以太網(wǎng)模塊傳送到物聯(lián)網(wǎng)。遠程控制中心通過以太網(wǎng)，能夠實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)和控制設備，實現(xiàn)人機交互功能。

控制主機的CPU選擇的是意法半導體STM32F103芯片，采用了32位的RISC系統(tǒng)，其內(nèi)部構架滿足ARM Cortex-M3內(nèi)核結構優(yōu)化設計需求[6]，被廣泛應用于現(xiàn)代智能設備、生物醫(yī)藥和節(jié)能環(huán)保等領域。

2.3 以太網(wǎng)模塊

W5500是一款WIZnet公司推出的嵌入式以太網(wǎng)模塊，與控制主機之間通過SPI接口連接。該模塊的數(shù)據(jù)鏈路層、物理層均符合IEEE 802.3標準，并且芯片內(nèi)部繼承了TCP/IP硬件協(xié)議棧，因此能夠支持多種網(wǎng)絡通信協(xié)議。物理層內(nèi)部有10BaseT/100BaseTX的以太網(wǎng)結構，數(shù)據(jù)通信時支持自動握手功能，峰值速率可達50 Mbit/s，并且配備具有RJ-45網(wǎng)絡模塊的接口，組網(wǎng)時僅使用超5類雙絞線就可以直接與以太網(wǎng)建立硬件互聯(lián)，便于后期的開發(fā)應用。其通信接口如圖2所示。

圖2STM32與W5500硬件連接

2.4 無線通信模塊

無線物聯(lián)網(wǎng)通信通過ZigBee技術來實現(xiàn)。無線通信模塊主要包括網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點。它們的功能各異，網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點肩負著搭建局域網(wǎng)的重任；而終端節(jié)點和路由器節(jié)點上電之后，以查詢的方式加入已經(jīng)組建好的無線網(wǎng)絡，共同組建完成的通信網(wǎng)絡。協(xié)調器節(jié)點選用的CC2530是TI公司一款經(jīng)典的、功能強大的無線通信芯片，能夠快速組建穩(wěn)定的無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)近距離、低功耗和低速數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)傳輸。

2.4.1 協(xié)調器設計

協(xié)調器是ZigBee網(wǎng)絡的核心，承擔著網(wǎng)絡組建和調度各節(jié)點的工作，與單片機（STM32）通過串口通信，如圖3所示，它利用調試工具設置工作所需的波特率等參數(shù)，通過串行端口與主機（STM32）通信。協(xié)調器的功能包括組建ZigBee網(wǎng)絡、采集傳感器數(shù)據(jù)和轉發(fā)主機的控制命令等，起到數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄鹤饔谩?/p>

圖3 協(xié)調器與STM32通信

2.4.2 數(shù)據(jù)采集終端設計

數(shù)據(jù)采集終端與各種傳感器、現(xiàn)場報警模塊和控制模塊相連接，是智能型消防、安防報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制端。它需要實現(xiàn)的功能包括采集消防傳感器信息，判斷和評估是否存在火災風險；采集安防設備信息，判斷和評估是否有非法入侵現(xiàn)象，是否有報警模塊；通過ZigBee終端節(jié)點傳送傳感器采集的數(shù)據(jù)至協(xié)調器節(jié)點等[7]。

3 軟件設計

智能消防、安防報警系統(tǒng)的軟件設計主要包括主程序設計、網(wǎng)絡節(jié)點（協(xié)處理器、終端節(jié)點）的軟件設計、嵌入式網(wǎng)關軟件設計等幾部分。控制主機主程序設計的功能是實現(xiàn)對消防、安防報警數(shù)據(jù)的處理響應和安全評估，若處于危險狀態(tài)，及時發(fā)出報警信號。協(xié)處理器程序的功能涵蓋創(chuàng)建無線網(wǎng)絡、實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸、與單片機串口通信等；網(wǎng)絡終端節(jié)點程序實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的采集、現(xiàn)場報警和數(shù)據(jù)的傳輸功能。

3.1 控制主機流程圖

控制主機是實現(xiàn)警情數(shù)據(jù)判斷、記錄和上傳功能的核心，其工作流程如圖4所示。

3.2 網(wǎng)絡終端節(jié)點軟件設計

終端節(jié)點采集到的各種警情數(shù)據(jù)（消防、安防）以無線傳輸?shù)男问桨l(fā)送至路由器、協(xié)調器，直至控制主機。協(xié)調器節(jié)點上電時開啟自檢功能，之后實現(xiàn)的功能包括搭建無線網(wǎng)絡、分配動態(tài)地址給新加入的節(jié)點、接收轉發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù)；實時查詢控制主機發(fā)來的控制命令，并按照指令的類型執(zhí)行相應的操作。ZigBee終端節(jié)點開機初始化之后，以查尋的方式探測是否有ZigBee網(wǎng)絡存在，如果有，發(fā)出請求加入；之后將采集的消防、安防傳感器數(shù)據(jù)轉發(fā)給協(xié)調器節(jié)點。采集數(shù)據(jù)的過程是：主程序通過調用延時函數(shù)的方式等待讀取數(shù)據(jù)，完畢后將數(shù)據(jù)轉發(fā)給協(xié)調器，完成消防、安防傳感器某一參數(shù)的采集。

圖4 控制主機流程圖

圖5 以太網(wǎng)模塊的軟件流程圖

3.3 以太網(wǎng)模塊軟件設計

W5500芯片作為以太網(wǎng)模塊的核心部件，集成了TCP/IP協(xié)議棧，其優(yōu)點在于芯片本身已經(jīng)集成了傳輸層和網(wǎng)絡層的相關通信協(xié)議。在軟件設計時，實現(xiàn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，僅需要修改通信協(xié)議的參數(shù)初始化配置[7-8]，這樣大大縮短了開發(fā)周期。以太網(wǎng)模塊參數(shù)初始化配置后，以太網(wǎng)模塊開啟Socket服務，偵聽端口數(shù)據(jù)狀態(tài)是否連接成功。當有數(shù)據(jù)待傳輸時，系統(tǒng)采用條件中斷觸發(fā)的方式完成數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。在完成收據(jù)收發(fā)后，以太網(wǎng)模塊自動重新查詢和開啟Socket服務，進入下個循環(huán)。圖5所示為以太網(wǎng)模塊的軟件流程圖。

4 系統(tǒng)調試

系統(tǒng)調試分為硬件功能測試和軟件功能調試兩部分。硬件調試的目的是測試系統(tǒng)硬件的每一部分是否能正常工作，包括ZigBee通信網(wǎng)絡硬件測試和STM32與嵌入式網(wǎng)關測試。軟件測試是在系統(tǒng)硬件正常工作的基礎上，分步測試軟件的功能能否實現(xiàn)。系統(tǒng)的軟硬件功能滿足正常工作后，再通過以太網(wǎng)對系統(tǒng)進行遠程測試[9]。

5 結論

本設計克服了目前建筑消防、安防系統(tǒng)無法資源共享和聯(lián)動控制的缺點，利用物聯(lián)網(wǎng)技術中的無線傳感網(wǎng)絡技術、計算機網(wǎng)絡技術（遠程監(jiān)控）和嵌入式技術（以STM32為核心的控制器），設計了智能建筑消防、安防探測系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)遠程報警功能。該系統(tǒng)具有結構簡單、成本低、兼容性強、操作維護方便和應用前景廣闊的優(yōu)點。