基于物聯網的智能火災逃生系統

張凡 肖勤 彭梓齊

摘? 要：在樓宇火災中，報警系統報警方式單一、現場人員疏散緩慢及救援不及時是造成火災人員傷亡的主要原因。傳統火災報警系統雖然能實現火情的監測與報警，但不能根據現場火情對人員疏散與火災救援提供相應輔助。本文針對該問題提供了一個能多方式報警、輔助人員疏散與火災救援的物聯網解決方案。本系統將傳感器采集的室內煙霧、求救信號等數據上傳至云服務器，在失火時根據用戶位置通過云端計算及時為用戶提供最短的安全逃生路線，同時系統自動控制室內應急設備動作以及向救援部門發送求救信號報告失火點具體位置，及時合理處理火情，減少人員傷亡。

關鍵詞：物聯網? 智慧消防? 火災逃生? 救援

中圖分類號：TU892? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）11（c）-0083-04

Intelligent System of Fire Escape Based on Internet of Things

ZHANG Fan1? XIAO Qin2? PENG Ziqi1*

（1.Hunan University of Arts and Science， Changde， Hunan Province， 415000 China;

2.Furong College， Hunan University of Arts and Science， Changde， Hunan Province， 415000 China）

Abstract： In building fires， the main causes of fire casualties are the single alarm mode of the alarm system， the slow personnel evacuating at the scene and the untimely rescue. Although the traditional fire alarm system can monitor the fire condition and alarm， it cannot provide corresponding assistance for personnel evacuation and fire rescue according to the fire situation at the scene. This article provides an Internet of things solution， which can alarm in multiple way and assist in personnel evacuation and fire rescue. This system will upload indoor smoke， distress signal and other data collected by sensors to the cloud server， then it uses cloud computing and provides users with the shortest safe escape route in time according to the user's location in the fire. At the same time， to reduce the casualties， the system will automatically control the actions of indoor emergency equipment and sends distress signal to the rescue department to report the specific location of the fire in order that the fire will be solved timely and suitably.

Key Words： Internet of things; Intelligent fire fighting; Fire escape; Rescue

據有關消防數據統計，2019年共發生火災4.9萬起，死亡642人，高層建筑發生火災6974起，同比上升10.6%。通過分析，火災事故常因疏散緩慢以及救援部門無法確定室內火情狀況和受困人員分布，致使人員傷亡慘重。

針對當前消防報警產品功能的單一性及報警效果的時效性，通過與火災現場的實際情況相結合，本文提出了一款智能火災逃生系統。系統通過傳感器網絡實時監測建筑內部的火情信息，通過智能終端實現火災預警，為用戶規劃逃生路線，為救援、管理人員提供救援路線，以及提供火場人員分布信息等功能，為火災逃生救援工作開展提供極大地幫助，能夠有效地減少人員傷亡。

1? 系統設計原理

本系統采用STM32407VET6為主控制器，整體包括感知層、網絡層、應用層三個部分，通過感知層傳感器網絡進行實時環境信息的采集，在網絡層通過ZigBee模塊無線組網傳輸數據，結合ESP8266模塊與阿里云ECS云服務器進行通信，在應用層的APP終端、PC終端進行狀態顯示和設備操作。

傳感網絡通過zigbee終端節點采集室內煙霧濃度、人體紅外、求救信號以及出口人數，將數據整合后發給zigbee協調器，主控制器通過串口接收zigbee協調器的數據，根據預先設置的模式控制室內的應急設備，同時將數據傳輸給云服務器，進行數據分析和終端設備的數據分配，用戶端接收數據后將室內火情進行圖形化顯示以及為救援人員提供受困者位置等信息，在APP終端為用戶規劃最短的安全路線及失火地點。系統架構如圖1所示。

2? 系統硬件設計

硬件系統通過煙霧傳感器、人體紅外傳感器、openmv攝像頭、求救按鈕采集環境信息，由ZigBee無線組網進行數據傳輸，主控制器負責與云服務器通信及控制語音播報裝置等設備，太陽能供電裝置作為備用電源確保系統正常運行。系統硬件框圖如圖2所示。

2.1 數據采集裝置設計

MQ-2燃氣檢測模塊具有檢測范圍廣、靈敏度高、響應快、穩定性好等特點，適宜于煙霧和可燃性氣體的檢測。當檢測到目標氣體濃度增大時，其輸出的電壓也會增大，主控制器通過對接收的AD信號進行轉換可精確的計算出當前氣體濃度。

人體紅外檢測裝置是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用LH1778探頭設計，具有靈敏度高、可靠性強、超低電壓工作的特點，采用人體紅外感應模塊監測人員分布，確保了人群的安全疏散。

攝像頭使用LBP算法分辨人臉并進行人數監測，LBP算法通過提取局部特征作為判斷依據，原理如式（1）所示。

（1）

（xc，yc）代表3x3鄰域的中心元素，它的像素值為ic，ip代表鄰域內其他像素的值。將一張人臉照片分為若干子區域，在子區域內根據LBP值統計其直方圖，以直方圖作為判別特征，可以避免一定范圍內圖像沒有完全對準的情況，同時也對LBP做了降維處理[2]。

攝像頭主控采用STM32H7，主頻為400MHz，配備了OV7725標配攝像頭模組，為提高圖像識別的準確性，將openmv固定于出口位置調節顏色閾值，進行人臉檢測及人數統計后，通過串口通信將數據傳給STM32微控制器，從而根據各出口人數合理控制門禁裝置及語音廣播，避免了出口堵塞以及提高了疏散速度。

2.2 通信裝置設計

ZigBee的網絡拓撲結構采用簇狀型網絡，配置一個FFD節點作為網絡協調器后將ZigBee終端節點與路由器節點或協調器節點建立連接，完成好網絡組建。數據前4位用于區分不同終端設備，網絡路由器將終端設備讀取的數據轉發至協調器，STM32微處理器將協調器的數據上傳至云服務器后完成數據傳輸。使用ZigBee組網傳遞傳感器信息及控制命令避免了有線傳輸在火災現場的弊端，ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法保證了安全性;網絡容量大，可容納65000個設備;時延短，通常為15～30ms，工作頻段靈活，適用于大型建筑的消防。

系統無線通信采用ESP8266 WIFI模塊與云服務器進行通信，通過AT指令設置模塊的工作模式為station模式，復位后發送指令AT+CIPMUX=0啟動單連接加入移動網絡，通過服務器IP地址連接云服務器，使用TCP協議進行通信。

2.3 處理裝置設計

語音播報裝置采用DC 5V、1A進行供電，內部帶3W功放可滿足大部分應用要求，支持FAT16/FAT32文件系統，具備標準3.5音頻接口且支持音響和功放連接。STM32微控制器檢測到不同區域的火情后加載對應的音頻文件，通過控制語音播報模塊及時通知火災附近人群失火地點，解決了傳統報警系統盲目報警和無效提醒的弊端，本系統即使火災發生在凌晨也能喚醒熟睡人群及時撤離。

系統針對火災受困者跳樓逃生及高樓層用戶疏散緩慢等情況設計了逃生管道裝置，逃生管道由三個不同材料的織物管構成，外層為防火材料，可以保護用戶免受火焰的侵害，中間層是管道的工作層面，疏散者用手撐開管道，可增大身體與管道的摩擦力，延遲降落速度，反之加速，中間層與外層有一定間隙，可以起到隔熱的效果。逃生管道裝置的設計在減少火災跳樓事件的同時，增加了逃生方式以及提高了疏散速度。

3? 系統軟件設計

3.1 桌面端程序設計

桌面端程序使用C#語言進行編寫，在程序中使用Microsoft類庫與服務器進行socket通信實現遠程控制硬件設備，通過添加MySQL數據配置文件使程序能直接對數據庫進行增刪改查操作。PC端將火場信息進行圖形化顯示以及對室內應急設備進行遠程控制，便于救援人員開展救援工作。PC端效果顯示圖如圖3所示。

3.2 APP程序設計

在APP的注冊/登錄界面中，通過TCP協議與服務器建立連接，將用戶輸入的用戶名和密碼上傳至服務器處理，并存儲至數據庫中，接收到注冊/登錄成功的信號后自動跳轉至登錄界面，若信息發生錯誤則提示注冊/登錄失敗。進入用戶界面后，將用戶點擊的自身位置及圖片信息轉化為地圖數據傳送至服務器，經服務器處理后返回地圖路線和起火點等數據，然后將其轉化為圖片信息（canvas）進行圖像化顯示，APP為不同位置的用戶規劃最短安全路線以及發送火災提醒信息有助于及時逃離火災現場，在APP中增加了顯示滅火器按鈕，當用戶點擊后，應用canvas類將滅火器位置顯示在地圖上，便于及時滅火。

3.3 服務器的設計與部署

本系統采用阿里云ECS云服務器，將C#編寫的服務器上傳至云服務器中運行，使得PC終端和APP終端在網絡連接下都能進行數據傳輸。使用socket監聽所有客戶端，在三次握手后，通過TCP協議建立連接，有利于在數據傳輸中降低死鎖發生的可能性，防止數據丟失。

3.4 數據庫設計

本系統使用MySQL數據庫存儲地圖數據、用戶、管理員以及救援人員的身份信息。避免因應用程序發送多個冗長的SQL語句，導致MySQL數據庫存儲過程減少了應用程序和數據庫服務器之間的流量，數據庫接口在存儲過程中暴露給所有應用程序，不必開發存儲過程中已支持的功能且性能卓越服務穩定，便于維護。

4? 結語

本文通過分析影響火災逃生的因素，并結合火災現場的具體情況與傳統設備進行對比，設計了基于物聯網的智能火災逃生系統。本系統利用傳感器實時采集火場信息，通過物聯網技術與云服務器進行通信，結合PC終端和APP終端為受困人員和救援人員提供了有效逃生設備和救援工具。

在火災現場應用本系統，可以準確快速的確定失火地點和求救者位置，為救援人員的營救工作建立了基礎條件。本系統性能好，穩定性高且成本低，適合推廣使用。

參考文獻

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