基于物聯網的建筑消防設備電源監控控制系統設計研究

摘要：本文針對建筑消防設備電源監控控制需求，設計一種基于物聯網的消防設備電源監控控制系統。該系統利用物聯網技術，實現了對建筑消防設備電源的實時監測、數據采集、對消防動力設備的遠程控制。通過傳感器和網絡連接，系統可以監測設備的運行狀態、溫度、濕度等參數，并及時發出警報和采取措施，必要時直接控制消防動力設備，以保障建筑物的消防電源供電安全、穩定。

關鍵詞：物聯網；建筑消防；動力設備；監控系統

引言

隨著城市建設的不斷發展，建筑物的規模和復雜性也在不斷增加，建筑消防安全是保障人民生命財產安全的重要任務。而建筑消防設備電源作為消防系統的核心組成部分，其運行狀態的監控和管理對于消防安全至關重要。根據調研，現有市場上傳統的消防設備電源監控系統通常為獨立系統，監控主機一般設置于消防控制室，監控模塊設置于消防動力設備端，該系統成本較高，布線復雜冗余，但是建筑通過消防驗收后，消防設備電源監控系統往往就會淪為擺設，業主單位要么直接斷電，要么對監測報警視而不見。主要是因為傳統的監控手段存在著系統獨立、無法融合到現有的物聯網監控平臺、管理不便等原因，無法滿足現代建筑消防需求。因此，設計一種基于物聯網的建筑消防設備電源監控系統，并考慮在傳統的消防設備電源監控系統中增加對消防動力設備的遠程控制。

一、系統設計原理

（一）傳感器節點設計

傳感器節點是基于物聯網的建筑消防設備電源監控控制系統中的重要組成部分。為實現對設備的實時監測，可選擇高精度的傳感器來獲取各種參數數據。溫度傳感器可采用型號為TMP36的模擬溫度傳感器，其測量范圍為-40℃至+125℃，精度為±2℃。濕度傳感器可選用DHT22數字濕度傳感器，其測量范圍為0%RH至100%RH，濕度精度為±2%RH。比傳統的消防設備電源監控系統增設溫度、濕度傳感器，可以有效對設備的工作環境尤其對處于地下室、消防水泵房、屋面消防水箱等處的消防設備進行實時監測。電壓、電流等運行狀態傳感器則可采用霍爾傳感器，能夠檢測消防電源的運行狀態等^[1]，可選擇性增加控制模塊，必要時對消防動力設備進行遠程控制。

（二）網絡通信設計

在基于物聯網的建筑消防設備電源監控控制系統中，網絡通信起著關鍵作用。選擇無線通信技術來實現傳感器節點與數據中心之間的數據傳輸，采用的無線通信技術為LoRaWAN（低功耗廣域網），其具有廣覆蓋、低功耗和遠距離傳輸的特點^[2]。在系統中，傳感器節點通過LoRaWAN協議將采集到的數據傳輸到網關設備，網關設備負責接收傳感器節點的數據，并通過互聯網將數據發送到數據中心。數據傳輸協議采用MQTT（消息隊列遙測傳輸）協議，以確保數據的可靠傳輸和實時性。網絡架構設計采用星型拓撲結構，其中數據中心作為中心節點，與多個傳感器節點和網關設備進行連接。

（三）數據處理與分析

在基于物聯網的建筑消防電源監控控制系統中，數據處理與分析是保障系統正常運行和提供決策支持的重要環節。采集到的傳感器數據經過數據采集與存儲模塊進行存儲，以確保數據的完整性和可追溯性。數據處理與分析算法主要包括數據清洗、特征提取和異常檢測等步驟。通過對傳感器數據進行清洗和處理，提取出有用的特征信息，并利用機器學習算法進行異常檢測，可以及時發現設備運行異常或故障情況^[3]。數據可視化與報警模塊將處理后的數據以直觀的圖表形式展示，使用戶能夠直觀了解設備的運行狀態。

（四）遠程控制與管理

相比較于傳統的建筑消防設備電源監控控制系統，基于物聯網的建筑消防設備電源監控控制系統具備遠程控制和管理的能力，通過遠程監控與控制模塊，用戶可以實時監測設備的運行狀態、溫度、濕度等參數，并遠程控制設備的開關狀態、調節設備的運行模式等^[4]。遠程維護與管理模塊提供了對系統的遠程維護和管理功能，用戶可以通過遠程方式對設備進行維護和升級，避免了現場操作的不便和風險。

二、系統實現方法

（一）硬件設計

硬件設計是基于物聯網的建筑消防電源監控控制系統中的關鍵環節之一。在傳感器節點的硬件設計中，選擇適用于物聯網的建筑消防電源監控系統的高性能硬件組件。針對溫度監測，選用TMP36溫度傳感器。該傳感器的測量范圍為-40℃至+125℃，精度為±2℃。它采用模擬輸出方式，輸出電壓與溫度成線性關系，可以通過模數轉換器（ADC）將其轉換為數字信號^[5]。為了實現濕度監測，采用DHT22數字濕度傳感器。該傳感器的濕度測量范圍為0%RH至100%RH，濕度精度為±2%RH。它還具備溫度測量功能，溫度測量范圍為-40℃至+80℃，精度為±05℃。為監測電源及設備的運行狀態，選用霍爾傳感器。霍爾傳感器能夠檢測設備的開關狀態、轉速等信息。它通過感應磁場的變化來實現狀態檢測，具有高靈敏度和快速響應的特點。在硬件設計中，考慮到傳感器節點的供電和通信模塊的工作需求，為保證節點的長時間運行，采用低功耗的微控制器作為控制核心，并配備了適當的電源管理電路。通信模塊則采用無線方式，如Wi-Fi或藍牙，以實現與網絡的連接和數據傳輸。

由圖1可知，通過選擇適用的傳感器和配備合適的供電和通信模塊，能夠實現對建筑消防動力設備的實時監測和數據采集，這為后續的網絡通信、數據處理和遠程控制提供了可靠的硬件基礎。

（二）軟件設計

采用嵌入式系統作為傳感器節點的操作系統，嵌入式系統具有高效、穩定的特點，能夠滿足實時數據采集的需求。選擇基于Linux的嵌入式操作系統，并進行了定制化開發，以適應系統的需求。

在軟件設計中，采用多線程編程模型來實現并行處理，通過多線程的方式，能夠同時進行數據采集、傳輸、處理和分析，提高系統的響應速度和效率。例如，可以將一個線程用于數據采集，另一個線程用于數據傳輸^[6]。為實現數據的實時傳輸，采用消息隊列技術。傳感器節點將采集到的數據通過消息隊列傳輸到數據中心，以確保數據的可靠性和實時性。選擇RabbitMQ作為消息隊列的實現工具，它具有高性能、可靠的特點，能夠滿足系統需求。此外，為保證系統的安全性，采用加密技術對傳輸數據進行保護，通過使用TLS/SSL協議，我們能夠對數據進行加密和解密，防止數據在傳輸過程中被惡意篡改或竊取。

總之，通過合理的軟件設計，能夠實現傳感器數據的高效采集、傳輸、處理和分析，為建筑消防動力設備監控系統提供可靠的支持作用。

（三）系統集成與測試

系統集成與測試是基于物聯網的建筑消防設備電源監控控制系統開發的重要環節。通過系統集成與測試，可以確保各個組件和模塊之間的協調運行以及整體系統的穩定性和可靠性。在硬件方面，將傳感器節點與主控單元連接，并進行電路連接和供電測試。確保傳感器能〖HJ2.1mm〗夠正常采集數據，并通過通信接口將數據傳輸給主控單元。在軟件方面，將嵌入式系統與傳感器節點的驅動程序和數據處理算法進行整合。測試數據采集、傳輸和處理功能能夠確保軟件正確接收傳感器數據并進行相應處理。在功能測試中，驗證系統的各項功能是否正常工作。例如，測試溫度傳感器是否能夠準確測量溫度、濕度傳感器是否能夠準確測量濕度等。還需要測試數據傳輸的穩定性和可靠性，確保傳感器數據能夠準確傳輸到主控單元。在性能測試中，評估系統在不同工作負載下的性能表現，模擬不同溫度和濕度條件下的數據采集和處理情況，并測試系統的響應時間和資源利用率。同時，進行長時間運行測試，以驗證系統的穩定性和可靠性。進行整體系統的驗證和驗收測試，將系統部署在實際的建筑消防動力設備監控場景中，并進行實際運行測試。監測系統的運行狀態，觀察是否存在異常情況，并進行必要的調整和優化。通過系統集成與測試，確保基于物聯網的建筑消防設備電源監控控制系統的各個組件和模塊協調運行以及整體系統的穩定性和可靠性，這為系統的正式部署和應用提供了有力支持^[7]。

三、結果討論與改進

在物聯網建筑消防設備電源監控控制系統的軟件設計和系統集成與測試過程中，取得了一些重要結果。在結果討論過程中，發現一些改進空間。對于軟件設計，可以進一步優化多線程編程模型和消息隊列技術，以提高系統處理和傳輸數據的效率。在系統集成與測試中，可以進一步加強對系統穩定性和可靠性的驗證和測試，以確保系統在長時間運行和復雜環境下的穩定性。系統響應時間和數據傳輸穩定性的對比結果如表1和表2內容所示。

通過以上數據對比分析，可以看到改進后的系統在響應時間和數據傳輸穩定性方面都取得了顯著改善，這些結果進一步驗證了在前文中提到的軟件設計和系統集成與測試的有效性。

為進一步改進系統，可以考慮以下方向：進一步優化多線程編程模型和消息隊列技術的實現，加強系統的穩定性和可靠性驗證和測試以及持續監測和優化系統的性能表現。通過不斷改進和優化，可以進一步提升物聯網建筑消防動力設備監控系統的性能和可靠性，為建筑消防安全提供更好支持^[8]。

結語

綜上所述，本文設計一種基于物聯網的建筑消防設備電源監控控制系統，通過傳感器節點、網絡通信、數據處理與分析以及遠程控制與管理等模塊的設計與實現，實現了對建筑消防設備電源的實時監測、對消防設備的遠程控制。實驗結果表明，該系統具有良好的穩定性和可靠性，能夠滿足建筑消防需求。未來，可以進一步改進和優化系統，提高其性能和功能，以適應不斷發展的建筑消防安全需求。

參考文獻

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作者簡介：馮長江（1986- ），男，漢族，江蘇宿遷人，本科，高級工程師，研究方向：建筑電氣、消防電氣。