基于SIP協(xié)議的遠(yuǎn)程消防報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

申學(xué)帥，張正華

(1.南京踏實(shí)信息科技有限公司，江蘇 南京 210006；2.揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127 )

0 引言

針對近年來森林火災(zāi)、城市建筑火災(zāi)頻發(fā)的問題，解決好火災(zāi)的預(yù)防和報(bào)警成為了關(guān)鍵因素。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在消防行業(yè)的落地生根將為火災(zāi)的預(yù)防管控發(fā)揮重要作用。我國火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)起步較晚，80年代才開始模仿或者引進(jìn)國外技術(shù)，90年代得到迅猛發(fā)展。現(xiàn)在，國內(nèi)使用的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要由火災(zāi)探測器、聯(lián)動(dòng)單元和控制器組成，其中火災(zāi)探測器主要通過傳感器以及芯片探測環(huán)境中溫度或者濃度的變化，當(dāng)煙霧濃度或者溫度達(dá)到一定范圍時(shí)，現(xiàn)場就會(huì)發(fā)出燈光和聲音的報(bào)警信號[1]。而國外已實(shí)現(xiàn)通過傳感器將報(bào)警信號發(fā)給消防指揮救援中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離火災(zāi)報(bào)警[2]。利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)將現(xiàn)場的溫度以及濃霧狀態(tài)通過數(shù)據(jù)反饋出來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的預(yù)警監(jiān)測機(jī)制，同時(shí)依靠遠(yuǎn)程視頻核查功能進(jìn)行事件的確認(rèn)，能方便快捷的實(shí)現(xiàn)多級平臺上展現(xiàn)現(xiàn)場的各類溫感數(shù)據(jù)以及畫面，為決策消防救援提供有力的保障[3]。

1 系統(tǒng)方案

消防救援的重點(diǎn)在于預(yù)防監(jiān)測，而監(jiān)測就是要對現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)以及畫面的監(jiān)控，如圖1所示。本方案在消防監(jiān)測報(bào)警平臺上部署消防監(jiān)測服務(wù)器、應(yīng)急指揮服務(wù)器和錄音錄像服務(wù)器等，通過互聯(lián)網(wǎng)或者專網(wǎng)連接火災(zāi)監(jiān)測模塊、水源監(jiān)控模塊和應(yīng)急指揮調(diào)度模塊，在應(yīng)急指揮模塊下連接應(yīng)急指揮中心和現(xiàn)場控制室。

圖1 消防報(bào)警系統(tǒng)架構(gòu)

火災(zāi)監(jiān)控檢測模塊：通過前方的物聯(lián)網(wǎng)感知模塊，感知現(xiàn)場的煙霧濃度變化。當(dāng)濃度過高，指揮調(diào)度平臺會(huì)發(fā)出預(yù)警消息，值班人員可以遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場的視頻監(jiān)控，確定著火事件的準(zhǔn)確性，核實(shí)相關(guān)事件后，將現(xiàn)場的音視頻消息上傳給上級平臺或者分發(fā)給決策機(jī)構(gòu)。

水源監(jiān)測探測模塊：可以通過物聯(lián)網(wǎng)感知模塊實(shí)時(shí)給指揮中心傳達(dá)此時(shí)消防車、水源地的水資源儲(chǔ)存情況，了解消防栓設(shè)備是否正常，以及為消防救援提供水資源的支撐。

應(yīng)急指揮調(diào)度模塊：連接監(jiān)控、執(zhí)法記錄儀、單兵等多種終端，通過此模塊基于一張圖實(shí)現(xiàn)音視頻的交互做到可視化指揮調(diào)度。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 平臺架構(gòu)

系統(tǒng)采用SIP協(xié)議技術(shù)，它是在可視化應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)中使用最多的技術(shù)協(xié)議，相比較H.323協(xié)議，SIP協(xié)議可擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活性高[4]。SIP協(xié)議的消息機(jī)制采用C/S架構(gòu)，通過將呼叫的控制封裝到消息的頭域中，實(shí)現(xiàn)消息的傳遞。對于具有智能化的SIP終端，不僅可以提供數(shù)據(jù)，還可以為呼叫提供控制信息，其他多數(shù)服務(wù)器則可以進(jìn)行定位、轉(zhuǎn)發(fā)或接收消息的功能。這樣，SIP將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜性推向了網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，因此更適于構(gòu)建智能型的用戶終端[5]。SIP多媒體應(yīng)用服務(wù)器分為4個(gè)模塊，分別是：用戶與鑒權(quán)模塊、通信模塊、監(jiān)測模塊以及管理模塊。另外，平臺采用B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)登錄[6]。

2.2 火災(zāi)監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的線式火災(zāi)報(bào)警器布線非常復(fù)雜，如果一個(gè)報(bào)警器出現(xiàn)故障，就需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力。本文依靠物聯(lián)網(wǎng)和4G技術(shù)提出新一代報(bào)警器，它是4G監(jiān)控探頭和傳感器相結(jié)合的產(chǎn)物，無需布線，即插即用，感知火災(zāi)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)值班人員通過遠(yuǎn)程監(jiān)控核實(shí)火災(zāi)事件的準(zhǔn)確性。

新型監(jiān)控報(bào)警器如圖2所示。

圖2 新型監(jiān)控報(bào)警器

4G網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控探頭可以不依靠網(wǎng)線傳輸數(shù)據(jù)，極大較少因?yàn)榛馂?zāi)導(dǎo)致線路被破壞而無法調(diào)閱視頻監(jiān)控的情況。該設(shè)備采用SIP協(xié)議，平臺側(cè)采用標(biāo)準(zhǔn)的SIP協(xié)議可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控探頭無縫與調(diào)度系統(tǒng)相結(jié)合，方便值班人員調(diào)度監(jiān)控參與視頻會(huì)商[7]；網(wǎng)絡(luò)傳輸采用4G技術(shù)，當(dāng)前4G傳輸技術(shù)是長時(shí)間磨合最穩(wěn)定可靠的傳輸技術(shù)，通過4G模塊，可將現(xiàn)場的音視頻以及煙感數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器[8]。

前端結(jié)構(gòu)如圖3所示。視頻采集模塊將采集到的視頻傳輸給視頻壓縮模塊，視頻經(jīng)過壓縮后再傳輸給中央控制單元，中央控制單元再將煙感報(bào)警模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)一起打包發(fā)送給無線發(fā)射和接收模塊，經(jīng)過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)端服務(wù)器。

圖3 前端結(jié)構(gòu)

煙感控制模塊使用的是MQ-2型煙霧傳感器，其工作原理是利用二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，當(dāng)MQ-2達(dá)到200 ℃～300 ℃時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，在其表面形成氧的負(fù)離子吸附層，造成電子密度減少，從而提高了其電阻值。遇到可燃?xì)怏w時(shí)原來吸附的氧被可燃?xì)怏w所消耗，以正離子態(tài)的可燃煙霧吸附在半導(dǎo)體表面，氧被結(jié)合放出電子，煙霧以正離子態(tài)吸附也會(huì)放出電子，使半導(dǎo)體帶電子密度升高，從而使其電阻值減小，這樣就可以通過檢測電阻轉(zhuǎn)換成的電壓信號來感知環(huán)境信息。當(dāng)環(huán)境中的可燃?xì)怏w濃度下降后二氧化錫半導(dǎo)體又恢復(fù)到常態(tài)，電阻值升高到初始值[9]。

MQ-2傳感器用AD信號采集的方法將電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為精確的煙霧濃度值。MQ-2傳感器的4腳、6腳的電壓為輸出信號，Rs為傳感器的本體電阻。當(dāng)氣體濃度上升時(shí)，將引起Rs的下降。由于Rs的下降則會(huì)引起MQ-2的4腳、6腳對地輸出電壓的增大。因此，當(dāng)氣體濃度增大時(shí)，它的輸出電壓也會(huì)增大，最終通過ADC0832轉(zhuǎn)換后數(shù)值增大[10]。將此模塊傳感器檢測的數(shù)據(jù)通過線纜傳輸給監(jiān)控探頭的中央處理單元，通過MESSAGE心跳消息攜帶檢測的數(shù)據(jù)值實(shí)時(shí)傳輸給服務(wù)器，達(dá)到火災(zāi)監(jiān)測的目的。

2.3 水源監(jiān)控探測模塊

水壓傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水壓傳感器結(jié)構(gòu)

在單晶硅片上擴(kuò)散一個(gè)由R1，R2，R3，R4 組成的惠斯通電橋。將傳感器放入被測液體中，被測液使惠斯通電橋橋壁發(fā)生形變，從而使電阻值發(fā)生變化(壓阻效應(yīng))，得到差動(dòng)電壓信號，用放大器將此信號量程轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號[11]。

水壓傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 水壓傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

模塊使用的芯片為AD7934，該芯片是4路模擬量輸入口，數(shù)據(jù)輸出口采用12 bit 并行數(shù)據(jù)輸出，使得采集系統(tǒng)不僅采集速率快而且采集到的數(shù)據(jù)精度高，有效地減少了采集誤差。FPGA模塊是控制的核心，當(dāng)水壓傳感器投入被測液體中，輸出0～5 V的模擬電壓信號，采用A/D 轉(zhuǎn)換芯片，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過RS232 將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央控制模塊，此模塊可通過SIP協(xié)議注冊到服務(wù)器上，將水壓數(shù)據(jù)通過MESSAGE心跳消息傳送給服務(wù)器。

2.4 應(yīng)急指揮調(diào)度模塊

此模塊主要功能是可視化指揮調(diào)度，其架構(gòu)如圖6所示。

圖6 應(yīng)急指揮架構(gòu)

數(shù)據(jù)層主要接收底層的網(wǎng)絡(luò)資源、水資源信息。能力層主要對接現(xiàn)有的系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行相融合橫向擴(kuò)展。應(yīng)用層主要面向用戶的交互設(shè)計(jì)、報(bào)警設(shè)計(jì)等。值班室或者指揮中心通過電腦的瀏覽器登錄指揮調(diào)度臺實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場的音視頻數(shù)據(jù)、煙感數(shù)據(jù)、水壓數(shù)據(jù)等，從而為消防救援提供便利[11]。

五大業(yè)務(wù)模塊：系統(tǒng)包含消防對講業(yè)務(wù)、人員/水源定位管理業(yè)務(wù)、一鍵視頻報(bào)警業(yè)務(wù)、綜合指揮調(diào)度業(yè)務(wù)和過程記錄追溯業(yè)務(wù)等五大業(yè)務(wù)模塊。可滿足各級消防主管部門和微消站的日常人員管理、值班值守、應(yīng)急處突、現(xiàn)場巡查等各業(yè)務(wù)場景的通信需求[12]。

四級指揮層級：系統(tǒng)包含總隊(duì)、支隊(duì)、大隊(duì)和中隊(duì)等四級指揮層級。滿足各級指揮人員、值班人員在各種環(huán)境下的通信和應(yīng)急指揮調(diào)度的能力[13]。

三層架構(gòu)設(shè)計(jì)：系統(tǒng)包含平臺交互層(云)、業(yè)務(wù)管理層(管)和應(yīng)用終端層(端)三層部署，基于Internet網(wǎng)絡(luò)部署[14]。

兩類終端形態(tài)：系統(tǒng)可提供大屏三防專用智能消防單兵和有線視頻報(bào)警終端兩種類型的終端，滿足不同崗位人員使用。

一體化調(diào)度界面：可通過一個(gè)可視化調(diào)度界面，實(shí)現(xiàn)群組對講、語音調(diào)度、會(huì)議調(diào)度、廣播調(diào)度、視頻調(diào)度、集中接警和人員定位管理等多媒體業(yè)務(wù)[15]。

3 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了在基于SIP協(xié)議技術(shù)基礎(chǔ)之上，依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將視頻監(jiān)控連接上煙霧傳感器，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)打包成SIP MESSAGE心跳消息通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器端，經(jīng)過數(shù)據(jù)的研判，從而觸發(fā)是否向指揮中心調(diào)度臺進(jìn)行報(bào)警處理，根據(jù)報(bào)警情況進(jìn)行視頻監(jiān)控核實(shí)，經(jīng)確認(rèn)后，值班人員可查看水位傳感器數(shù)據(jù)通過應(yīng)急指揮調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)上傳下達(dá)調(diào)度人力資源進(jìn)行應(yīng)急處置。系統(tǒng)適用于大型建筑或者森林防火當(dāng)中，擺脫了對傳統(tǒng)有線連接的弊端，實(shí)現(xiàn)感知報(bào)警與視頻監(jiān)控相結(jié)合的模式，具有極高的實(shí)用價(jià)值。