基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

張孟媛，張瑩

（1.山東英才學(xué)院工學(xué)院，山東濟南，250104；2.濟南幼兒師范高等專科學(xué)校，山東濟南，250307）

0 引言

火災(zāi)預(yù)警裝置是人類同火災(zāi)斗爭必不可少的有力武器，在現(xiàn)代建筑防火中具有極其重要的作用。在所有災(zāi)難中，火災(zāi)是危害公共安全和社會發(fā)展的最常見的重大災(zāi)害之一，在新標準中，火災(zāi)被定義為時間和空間不受控制的燃燒。其中的家庭火災(zāi)常常因為事發(fā)突然，無法得到迅速的救援，而造成無法挽回的損失。

對于火災(zāi)而言，預(yù)防遠比災(zāi)后補救重要的多，但由于目前火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)仍存在成本、技術(shù)等問題，應(yīng)用不廣泛。本裝置目的旨在火災(zāi)還未發(fā)生時或者發(fā)生的早期，通過準確地判斷火情、預(yù)報火警，最大限度的保障人民的生命、財產(chǎn)安全，有效降低城市火災(zāi)發(fā)生率以及帶來的損失,提高城市火災(zāi)救援效率和消防服務(wù)水平。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由信息收集、數(shù)據(jù)中心和傳輸警報三部分構(gòu)成。本項目旨在設(shè)計一個結(jié)合ZigBee傳感技術(shù)、GSM（全球移動通訊系統(tǒng)）、蜂 窩移動通訊技術(shù)與可動態(tài)化監(jiān)控的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，達到提前預(yù)警，以降低火災(zāi)帶來損失的目的。本項目計劃利用ZigBee低功耗的特點，通過無線組網(wǎng)通訊技術(shù)，使其將數(shù)據(jù)準確傳送到總裝置處，提高工作效率，降低使用成本，可有效延長系統(tǒng)工作時間；利用GSM，通過在系統(tǒng)中安放的SIM卡實現(xiàn)與手機通信，保證在第一時間獲取相關(guān)信息，用戶可以通過短信及手機連接的動態(tài)化監(jiān)控裝置了解火災(zāi)情況，以實現(xiàn)用戶對火災(zāi)的充分掌控；在必要時，利用蜂窩移動通訊技術(shù)，可直接將用戶獲知的信息發(fā)送給消防中心，極大程度改善了因用戶語言障礙、情緒波 動而導(dǎo)致火警獲取信息有誤，造成更大的損失。工作流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制板塊

采用51單片機設(shè)計方便，結(jié)構(gòu)簡單，修改或擴充都較為方便，具有規(guī)整性、靈活性、可維護性高的優(yōu)點，并利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)（由一個協(xié)調(diào)器以及多個路由器和多個終端設(shè)備組成）進行檢測節(jié)點數(shù)據(jù)之間的傳輸，并匯總至總節(jié)點。

2.2 環(huán)境火災(zāi)檢測板塊

它主要由遠程紅外火焰?zhèn)鞲衅鳌㈦p金屬溫度傳感器和煙霧探測器組成。火焰燈的波長760～1100nm，紅外傳感器檢測到700nm～1000nm范圍內(nèi)的紅外光，與火焰高度一致。因此，紅外線炎癥可以將紅外線外部強度的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化。A/D轉(zhuǎn)換器反映值在0和255之間的變化。外部紅外線越強，值越低。紅外線越弱，值越高。然后，隨著火災(zāi)的發(fā)生，溫度在短時間內(nèi)發(fā)生了很大的變化。使用雙金屬溫度傳感器，金屬材料比其他金屬具有更大的可擴展性，這使得折疊板材并將彎曲曲率轉(zhuǎn)換為輸出信號成為可能。此外，當沒有煙霧時，即探測器工作，當離子流平衡時，其參考輸出相對穩(wěn)定。如果有煙霧，電流將發(fā)生變化，參考點電位將根據(jù)-160置換煙霧的大小發(fā)生變化；改變可能性以評估煙霧的存在并執(zhí)行自動煙霧監(jiān)測。這三種裝置具有較高的靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性，廣泛應(yīng)用于各種火災(zāi)報警系統(tǒng)中[1]。

溫度傳感器模塊電路圖如圖2所示。

圖2 溫度傳感器電路

本次設(shè)計的煙霧監(jiān)測原理圖如圖3所示。

圖3 煙霧傳感器電路圖

2.3 監(jiān)測及定位裝置板塊

各測量節(jié)點處裝有攝像頭，必要時用戶可選擇打開攝像裝置進行觀測，滿足用戶離家時，及時了解家中情況的需求。在總結(jié)點處存放用戶家庭住址信息，在必要時便于消防員獲取，進行搶救。

2.4 數(shù)據(jù)存儲板塊

這一裝置中存在特定的數(shù)值（如煙霧濃度、溫度），在總節(jié)點處再次對各分節(jié)點進行傳感器數(shù)據(jù)的讀取分析，預(yù)警系統(tǒng)報警判斷條件是數(shù)據(jù)值大于等于一項存儲在總節(jié)點處的正常范圍，在超過的情況下觸發(fā)警報。這一板塊主要負責數(shù)據(jù)的存儲和火災(zāi)監(jiān)測，判斷是否有火情的發(fā)生，并將數(shù)據(jù)實時保存。

2.5 傳輸報警板塊

測定值超過正常范圍后，系統(tǒng)自動發(fā)送聲音警報信息，GSM模塊向預(yù)先設(shè)定的電話號碼發(fā)送警報信息[2]，用戶可根據(jù)需要使用平臺軟件打開攝像頭，一觸即發(fā)出警報設(shè)備可以通過蜂窩移動通信技術(shù)將主節(jié)點存儲的位置信息傳遞到火災(zāi)報警中心（包括防火點位置、樓層防火圖等）。發(fā)生火災(zāi)時，用戶可以使用平臺軟件打開攝像頭，必要時按一鍵報警按鈕，按下取消按鈕即可取消警報，該裝置可以發(fā)送存儲在主節(jié)點中的位置信息（包括防火點位置、樓層防火圖等）。火災(zāi)報警中心采用蜂窩移動通信技術(shù)，經(jīng)業(yè)主同意，消防隊員可使用相機進行動態(tài)監(jiān)測，傳感器檢測人的紅外信號，消防隊員可進行應(yīng)急救援[3]。

2.6 主控制器

檢測裝置主要由遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鳌㈦p金屬溫度傳感器以及煙霧檢測電路構(gòu)成，這三種傳感器電路利用導(dǎo)線連接在同一塊電路板上，同時工作、傳輸數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)火警系統(tǒng)中通常只含有單一的測量傳感裝置，可能存在無法及時發(fā)現(xiàn)火情的情況發(fā)生，本裝置采用三種傳感測量器，極大程度上提高了及時發(fā)現(xiàn)火情的幾率，同時由于三種傳感裝置一起工作，在一定程度上減少了火情誤判的可能。

微型計算機單片機是通用名為英特爾8051的單片機教學(xué)系統(tǒng)，為U380單片機命名為Magnum 12290。Intel 8051單機控制端壁12290在單片機指令系統(tǒng)中的實現(xiàn)。51單片機的指令系統(tǒng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單，8051單片機通常至少具備以下功能和外設(shè)：8位CPU、程序存儲器（ROM），尋址空間64KiB、數(shù)據(jù)存儲器（RAM），尋址空間64KiB、4組8位共32個輸入輸出口、5至6個中斷源，分2個優(yōu)先級、全雙工串行口。

2.7 ZigBee板塊

ZigBee是一系列短距離運行的低數(shù)據(jù)傳輸速率電子設(shè)備的新無線通信技術(shù)，因為無線ZigBee通信技術(shù)允許基于特定無線節(jié)點的數(shù)千個微傳感器之間的協(xié)調(diào)通信該技術(shù)通常被稱為RF Lite家庭無線技術(shù)和Firex無線技術(shù)[4]。無線ZigBee通信技術(shù)還用于存儲計算機裝置與一系列數(shù)字裝置之間的電纜，以相互通信或利用因特網(wǎng)還可以應(yīng)用于基于無線通信的小型控制和自動化，其可以在不同的數(shù)字設(shè)備之間建立無線連接。

本次單片機系統(tǒng)采用5V直流電源進行供電，圖4是其硬件電路原理圖。

圖4 系統(tǒng)硬件原理圖

2.8 復(fù)位按鍵

本次設(shè)計是按鍵復(fù)位方式，此電路是當按鍵被按下時，相當于一個上電復(fù)位；當按鍵壓下時，RST端通過電阻和+5V的電源相連，保證提供寬度的閥值電壓來的完成復(fù)位。單片機最小系統(tǒng)由3個部分構(gòu)成，即電源電路單片機和晶振電路，但是不可忽視的是復(fù)位電路的重要組成部分是復(fù)位電路。單片機啟動時，必須復(fù)位。實際上，復(fù)位也可以理解為從零開始執(zhí)行的單芯片機器程序。因為執(zhí)行程序的話，單片機不會像人一樣思考，不會根據(jù)命令處理數(shù)據(jù)或中斷數(shù)。據(jù)單片機的初始化，實際上是從一開始就執(zhí)行程序。我們經(jīng)常能看到電腦崩潰的現(xiàn)象，需要重新啟動電源。可以將CPU或其他功能設(shè)為原來的模式，從單片機的主要功能開始工作。執(zhí)行程序時，需要初始化8051芯片機器。實際上，在記述程序的時候，很多模塊和芯片在記述程序的時候需要記述初始化。這不僅僅是整理之前放置的數(shù)據(jù)。因此，單片機復(fù)位看起來相對簡單，但實際上是非常復(fù)雜的操作過程。每個芯片機器都有復(fù)位功能，電源切斷后也需要復(fù)位。例如，當應(yīng)用程序被執(zhí)行到問題映射中時，通常需要使用開啟設(shè)置和關(guān)鍵設(shè)置重置按鍵操作。這個設(shè)計是重置模式。程序執(zhí)行后，可以將CPU直接控制為啟動重置模式。與接通時的復(fù)位電流對應(yīng)，RST端由電阻器與+5V電源連接，確保寬度的閾值電壓，完成復(fù)位。按鍵復(fù)位電路如圖5所示

圖5 復(fù)位電路圖

3 結(jié)論

火災(zāi)是威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災(zāi)害之一，由于目前火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)仍存在成本、技術(shù)等問題，應(yīng)用不廣泛。本系統(tǒng)設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的無線火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)不僅可以檢測用戶火情，及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患和火災(zāi)，通過警報方式提醒用戶，并在有需求時進行一鍵報警；還可以利用視頻功能對房屋進行動態(tài)化監(jiān)控和定位功能在火災(zāi)發(fā)生后大大縮短搜救時間，在最大程度上減少人員傷亡與財產(chǎn)損失。通過該系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi), 實時掌握火災(zāi)發(fā)生位置, 還可以實現(xiàn)多個部門及個人的聯(lián)動.該系統(tǒng)通信成本低、電池壽命長, 而且可有效地降低城市火災(zāi)發(fā)生率, 提高城市火災(zāi)救援效率和消防服務(wù)水平。