基于物聯網的高校消防安全管理系統

王文強

（山東服裝職業學院 信息工程系，山東 泰安 271000）

高校宿舍具有房間多、人員多、固體可燃物多、電器設備多的特點，同時面臨電氣線路老化、雜物隨意擺放、學生違規用電、違規吸煙等現實問題，具有較高的火災安全隱患和管理難度。傳統的高校宿舍消防配置的報警器、滅火裝置等裝備互不關聯，需要以“人”作為中間環節聯結各個信息孤島。“人”的反應速度和處理水平對火災的預防和處理至關重要，也制約了高校宿舍消防水平的進一步提升。為解決以上問題，文章設計了基于物聯網技術的高校宿舍消防安全管理平臺，平臺以LoRa無線通訊技術為紐帶建立物聯網絡，針對高校宿舍消防特點進行軟硬件設計，實現消防設備、消防管理主體、消防管理客體間的互聯互通。

1 多功能火災信息探測器

消防工作的開展需遵循“預防為主、防消結合”的方針。對火災隱患產生環境進行準確的實時監測，在日常監測中減少火災隱患，在災害發生時第一時間發現，可以最大程度上消除隱患或使得火災因素可防可控，也能夠在火災發生初期進行滅火，這就需要一個多功能、高效率的火災信息探測器，以此探測器作為終端節點，結合物聯網技術連點成線、連線成網，組成具備火災隱患監測、火災報警、防人為觸碰、物聯網無線通訊等功能的火災預警網絡。多功能火災信息探測器是高校消防安全管理系統的核心功能部件，針對高校消防特點，對多功能火災信息探測器進行如下模塊設計。

（1）區域電流實時監測模塊，電氣火災是中國高校最常見的火災類型之一，對宿舍用電進行監測是預防宿舍火災的重要途徑。多功能火災信息探測器通過專門的計量電路實現區域電流實時監測，該電路以RN8209C單相電量計量芯片為核心，通過串口通信與STM32進行連接，通過該電流檢測模塊可以對學生宿舍等場所進行全天候用電監測，結合學生行為邏輯判斷宿舍是否存在使用大功率電氣、無人時對電池進行充電等違規用電行為。

（2）有毒有害氣體監測模塊，該檢測模塊借助高精度有毒有害氣體傳感器進行探測，借助信號放大電路對探測信號進行放大，將放大后的信號通過串口和STM32進行通信連接，再對氣體信號進行三點溫濕度補償，最后再借助標準氣體計量值進行數據校準得到監測結果，該模塊可以對高校實驗室以及高校宿舍堆放雜物的場所進行監測，避免出現危化品泄露或者實驗氣體泄露等情況，及早發現及早處理。

（3）煙霧監測模塊，通過煙霧探測模塊來進行煙霧探測，煙霧探測模塊采用MQ-2煙霧傳感器，煙霧探測器可以探測煙霧濃度，煙霧濃度越大，輸出模擬信號就越大。通過其輸出電壓與門限電壓來比較從而輸出結果，輸出結果可設置高低兩種閾值，對于高校宿舍來說，高閾值可以設置為火災報警閾值、低閾值可以設置為抽煙警告閾值。

（4）防觸碰模塊，針對高校宿舍存在人為破壞煙霧報警器的行為，設計防觸碰模塊，該模塊通過震動傳感器捕捉探測器震動信號。一旦探測器啟用后，對探測器的人為觸碰將會觸發警報信號，從而避免人為因素導致探測器失效。

（5）物聯網無線通訊模塊，該模塊通過串口通信與STM32互聯，在單片機對前面所述的各模塊反饋的信號進行邏輯處理后，通過物聯網無限通訊模塊將處理的隱患監測信號、有毒有害氣體信號、人為觸碰信號、火災報警信號等信息準確、實時的對外傳輸，同時也能夠將多功能火災信息探測器本身的狀態信號向上傳遞，同時借助物聯網通訊技術，還能夠遠程對探測器進行主動檢測和實時控制。

（6）警報模塊，通過聲光報警對火災進行現場警報，并能夠實現遠程語音播報功能。

2 總體設計

如圖1所示，以多功能火災信息探測器為終端節點、LoRa星型網絡結構為構架、高性能工控機為核心、結合互聯網云服務器建立高校消防安全管理硬件系統。據校園宿舍分布情況設置多個LoRa無線網關，這些無線網關在有效傳輸距離內將多個多功能火災信息探測器進行互聯，形成星形拓撲結構。中繼網關再通過標準IP與工控機相連，建立基于LoRa技術的消防安全硬件網絡系統。采用LoRa技術建立的火災信息傳遞網絡，可實現多通道并行信號傳遞和處理，大大增加了信息傳遞效率和網絡冗余性，使火災信息的傳遞更加安全可靠。

圖1 高校消防安全管理系統總體設計

在硬件系統基礎上建立消防物聯網軟件平臺。軟件平臺安裝在高性能工控機上并與互聯網云服務器互聯，平臺包括信息采集端、消防主控端、消防云控端三部分。如圖2所示為高校消防安全管理系統信息處理流程圖，多功能火災信息探測器將火災異常信息向消防中控室傳遞，平臺的信息采集端對實時采集的消防安全信息進行分析，將采集到的信息按照火災預警信息、安全管理信息兩方面進行篩選、分類，并將信息向消防主控端進行傳遞。消防主控端自動將分類后的信息以可讀化或可視化的語言在主界面上顯示，并對信息進行智能處理，包括警報、傳遞、歸檔等處理工作。消防云控端通過云服務器，將主控端與web客戶端、手機App、緊急聯絡電話等遠程設備相連，能夠進一步地將消防信息向消防管理或校園管理人員進行遠程呈現，并接受遠程人員的操作指令。

圖2 高校消防安全管理系統信息處理流程圖

3 系統測試和分析

在高校內劃定半徑1.5 km作為測試區域，在測試范圍內選取60個分布在不同位置的房間設置多功能探測器終端，并架設5個LoRa中繼網關通過網線與消防中控室的工控機相連，經測試60個探測器終端均能與網關和消防中控室正常通信。在此基礎上對高校消防安全管理系統進行功能測試。

（1）消防物聯網系統網絡測試。在60個探測終端中選取其中10個終端進行系統網絡測試，其中包括全鏈路丟包率測試、網絡延時測試、射頻信號穩定性測試三項，經測試該系統傳輸速率搞、網絡連接穩定，詳見表1。

表1 網絡測試結果

（2）模擬火災預警測試。對高校消防安全管理系統進行綜合模擬測試，利用液體石蠟氣溶膠發生器模擬初起火災產生的煙霧，選取6個測試房間，每個房間進行連續6次響應試驗，測試試驗現場探測器警報情況、測試消防中控室和手機App警報情況。經測試系統運行良好，現場探測器和消防中控室均能在起煙5 s內進行響應，手機App可以在8 s內收到警報信息，詳見表2。

表2 模擬火災預警測試結果

（3）違規用電管理測試。防火減災離不開“人”的因素，將高校消防管理系統與學生管理相結合才能夠更好地從根源上杜絕火災的發生。選取5個高校班級進行該項測試，測試時間為兩個月，首先通過高校消防安全管理系統對這5個班級對應的宿舍用電情況進行監測，第一個月只進行監測和記錄。第二個月在監測的同時將宿舍違規用電信息每天發送到班級管理人員的手機，并由管理人員進行處理。經測試，在該系統運行第二個月，5個班級的違規用電情況均大幅度下降，詳見表3。

表3 違規用電管理測試結果

4 結語

高校消防安全管理系統將傳統消防感知技術與物聯網、云計算、移動互聯網等新一代信息技術相結合，打破原有單點或局域網式的消防警報器的區域和功能局限，形成大范圍、全覆蓋、智能化、多層次響應的消防物聯網平臺。在具體應用中該平臺將消防預警與高校學生管理相結合，實現了對火災隱患的實時監測和提前管控，防火于未然；通過全區域多層次的消防信息傳遞和處理，實現早發現、早滅火，并能夠進行智能化的信息統計和歸檔，有助于在高校中落實預防為主、防消結合的消防政策方針，同時更好地為智慧校園和智慧城市的建設提供助力。