城市高層建筑智能火災(zāi)多感監(jiān)測系統(tǒng)研究

廖小鳳 雷旭

摘? 要： 針對城市高層建筑火災(zāi)的監(jiān)測困難與預(yù)警準(zhǔn)確度低的現(xiàn)狀，以ZigBee?WiFi為基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)，給出了多感監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計。構(gòu)建基于PSO?ELM的高層建筑智能火災(zāi)多感監(jiān)測模型，完成了實(shí)驗(yàn)室條件下的PSO?ELM仿真驗(yàn)證，采用多傳感器的100次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本的訓(xùn)練對該模型進(jìn)行分析與測試驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，使用PSO?ELM優(yōu)化算法時能夠提高監(jiān)測計算的速度和準(zhǔn)確度，而且降低了訓(xùn)練樣本數(shù)和隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)變化對訓(xùn)練結(jié)果的影響，通過實(shí)驗(yàn)仿真得到PSO?ELM的預(yù)測結(jié)果更接近實(shí)際值，而且最大相對誤差只有0.6%，其預(yù)測效果優(yōu)于SVR算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 極限學(xué)習(xí)機(jī); 高層建筑; 多感監(jiān)測; 監(jiān)測模型; 仿真驗(yàn)證

中圖分類號： TN915?34; TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）16?0067?04

0? 引? 言

城市高層建筑不僅是城市進(jìn)步的標(biāo)志，也是解決城市日益增多人口居住生活與工作的重要建筑環(huán)境，其安全受到了廣泛關(guān)注。高層建筑設(shè)計復(fù)雜、建筑面積大、居住或者工作人員較多、可燃物多，存在多種安全隱患，一旦發(fā)生火災(zāi)將會造成巨大的損失[1]。同時隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)也不斷進(jìn)行優(yōu)化，對系統(tǒng)整體的靈敏度、準(zhǔn)確率有了更高的要求。

高層建筑發(fā)生火災(zāi)具有不確定性、事故的連鎖性、環(huán)境的特殊性等特點(diǎn)[2]，使得火災(zāi)救援與撲滅存在一定的難度。傳統(tǒng)高層建筑火災(zāi)報警系統(tǒng)或報警器多分布在建筑物內(nèi)，布設(shè)與后期維護(hù)的成本高，升級以及改造線路較難，且存在靈敏度低或通信中斷造成誤報和漏報;在信號處理方面，采取單一傳感器火災(zāi)監(jiān)測容易受外界電磁干擾火災(zāi)其他影響因素的干擾產(chǎn)生誤報。因此，針對傳統(tǒng)火災(zāi)探測報警系統(tǒng)存在的以上缺點(diǎn)，提出了采用多傳感器進(jìn)行火災(zāi)數(shù)據(jù)信息采集，以ZigBee?WiFi技術(shù)構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用PSO?ELM建模算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。此系統(tǒng)不僅解決火災(zāi)監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)困難、生命周期短以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}，也將提高高層建筑火情的預(yù)報準(zhǔn)確率，有效地降低經(jīng)濟(jì)損失和減少人員傷亡。

1? 無線多傳感器信息采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

1.1? 多感監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)布設(shè)，設(shè)計了基于ZigBee?WiFi的火災(zāi)多感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由多傳感器節(jié)點(diǎn)、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心構(gòu)成。多傳感器節(jié)點(diǎn)是多種不同類型的傳感器集合，實(shí)現(xiàn)采集高層建筑內(nèi)的溫度、煙霧濃度、O2濃度與燃燒中間產(chǎn)物濃度等。構(gòu)建ZigBee?WiFi結(jié)合的高層建筑內(nèi)的數(shù)據(jù)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)[3]。數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主要對WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和存儲，通過給定算法模型計算，依據(jù)設(shè)定的報警數(shù)值進(jìn)行火情預(yù)警。火災(zāi)多感監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

1.2? 多傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

在ZigBee?WiFi構(gòu)成的高層建筑火災(zāi)多感監(jiān)測系統(tǒng)中，多傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在墻壁或室內(nèi)天花板上，既能作為ZigBee路由節(jié)點(diǎn)也能作為終端WiFi傳輸節(jié)點(diǎn)。其高層建筑火災(zāi)多感監(jiān)測系統(tǒng)的多傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、電源模塊、微控制器控制模塊及無線通信模塊等構(gòu)成，具體的節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

高層建筑火災(zāi)多感監(jiān)測系統(tǒng)中選擇STM32F103RBT6為系統(tǒng)的控制核心芯片，控制數(shù)據(jù)采集、傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)等[4]。使用5 V/1 A電源、內(nèi)置可充電鋰電池（3.7 V）與太陽能供電模塊結(jié)合的供電模式。同時，火災(zāi)發(fā)生早期主要以釋放煙霧和一些氣體為主，因此本文的設(shè)計由溫度傳感器、燃燒中間產(chǎn)物傳感器以及氧氣濃度傳感器等構(gòu)成采集單元。溫度采用紅外非接觸MLX90614ESF傳感器。煙霧濃度測量采用MQ?2傳感器。檢測碳?xì)浠衔锶紵纸猱a(chǎn)生H2和CO，選取了氫氣傳感器（MQ?K8）和一氧化碳傳感器（TGS5141）。同時檢測建筑物內(nèi)氧氣濃度選擇氧氣傳感器（O2?A3）。選擇CC2530芯片為ZigBee節(jié)點(diǎn)的核心硬件芯片，選用ATK?ESP8266?V1.2為WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)對被檢測的高層構(gòu)筑物火災(zāi)多感監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時性數(shù)據(jù)傳輸。

3? 結(jié)? 語

本文通過構(gòu)建高層建筑智能火災(zāi)多感系統(tǒng)，給出ZigBee?WiFi的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和多傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)成，提出基于PSO?ELM的高層建筑智能火災(zāi)多感監(jiān)測模型。仿真結(jié)果表明，PSO?ELM高層建筑智能火災(zāi)多感模型具有較好的預(yù)測準(zhǔn)確率，預(yù)測結(jié)果更接近實(shí)際值，而且最大相對誤差只有0.6%。通過與SVR模型算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對比，該P(yáng)SO?ELM高層建筑智能火災(zāi)多感監(jiān)測模型的訓(xùn)練速度快且預(yù)測精度高，能夠滿足高層建筑智能火災(zāi)預(yù)測的需求。

注：本文通訊作者為雷旭。

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