基于物聯網技術的防火工程網絡設計

摘 要：隨著傳感器技術和網絡技術的快速發展，防火技術也發生改變。為保障大型建筑的消防安全，本文提出了一種基于物聯網架構的防火工程網絡。整個防火工程網絡設計分為3個層次，在最下層配置多種類型的傳感器，可以檢測監控現場的防火信息；在中間層進行無線通信設計，打通各節點之間的信息交互通道；在最上層通過上位機，配置終端操作軟件，實現總體功能。在基于物聯網技術的防火工程網絡覆蓋下進行驗證性試驗，試驗結果顯示：本文提出的防火物聯網可以在大型建筑空間中精準地確定火源位置并及時報警，大大提高了防火效果。

關鍵詞：防火工程；物聯網；上位機；無線通信

中圖分類號：D 542 " " " " " " 文獻標志碼：A

為了增加內容空間的需求，現代建筑物的規模和高度都不斷增加，從而可以容納更多的人員[1]。在大型建筑中存在更多的消防安全隱患。如果不能采取有效的防火監控措施，就會導致重大的安全問題或嚴重的生命財產損失。傳統的防火模式離散性特征明顯，監測節點少、覆蓋范圍小、各節點之間信息交流不暢[2]。在這樣的情況下需要設計新的防火工程網絡，提升監測節點的測量準確率，并增加節點數量擴大防火覆蓋范圍。各節點之間必須進行充分的信息交流，這樣才能發現問題并及時處理[3]。顯然，基于多傳感器構成的物聯網技術可以滿足適應新時代的防火需求。在物聯網技術框架下，各種類型的傳感器可以有效地監測現場的火情火險指標，并通過高效通信手段實現各節點之間的信息交流?；谶@種考慮，本文提出基于物聯網技術的防火工程網絡框架，并對傳感器、節點配置、通信和上位機軟件等進行詳細設計。

1 基于物聯網的防火工程網絡的框架設計

為了對現場進行立體化防火監控，本文在物聯網技術框架下提出一種3層的防火工程網絡結構。在整個防火工程網絡的最底層配置多個監控節點，每個節點都帶有一種或幾種特定的傳感器，其作用是對現場環境的煙霧濃度等信息進行監測。在中間層配置一定數量聯絡各監控節點的通信節點，每個通信節點都可以與附近的底層監控節點進行通信，通信方式以無線通信技術為主。在最上層配置1個性能較高的上位機，上位機可以通過通信節點獲得整個網絡的全部信息，并給出報警、救援調度等處理。在底層的監控節點上，為了對現場環境進行防火監控，主要給每個節點配置兩類傳感器。第一類傳感器是用于測量現場環境溫度的溫度傳感器。一旦現場發生火災，火焰灼燒就會使現場的環境溫度急劇增加，因此實時監測現場溫度有助于發現火情。第二類傳感器是用于測量現場氣體濃度的氣體傳感器。一旦現場發生火情，充分燃燒和不充分燃燒就會產生成分復雜的氣體。其中，對人體危害最大的是CO氣體。因此選擇CO氣體檢測傳感器。為了實現中間層通信節點和底層監控節點的通信，采用無線通信技術方案。考慮到整個防火工程網絡的搭設成本，這里的無線通信模塊以技術成熟度高、成本低和功耗低的ZigBee模塊作為無線通信模塊。

為了合理選擇底層監控節點和中間層通信節點的數量，需要根據監控總面積進行計算，如公式（1）所示。

（1）

式中：NodeB為防火工程網絡覆蓋下的全部底層監控節點的總數；AreaW為防火工程網絡覆蓋下的監控總面積；AreaNB為每個底層監控節點可以覆蓋的監控面積；NodeM為防火工程網絡覆蓋下的全部中間層通信節點的總數；AreaNM為每個中間層通信節點可以覆蓋的監控面積。

除了上述根據面積的計算方法，還可以通過通信帶寬來計算節點總數，如公式（2）所示。

（2）

式中：Node'B為防火工程網絡總通信帶寬能滿足的全部底層監控節點的總數；BWDW為防火工程網絡總通信帶寬；BWDNB為每個底層監控節點需要使用的通信帶寬；Node'M為防火工程網絡總通信帶寬能滿足的全部中間層通信節點的總數；BWDNM為每個中間層通信節點需要使用的通信帶寬。

采用覆蓋面積和帶寬需求2種手段計算監控節點總數和通信節點總數后，可以選擇最大值作為實際節點數目，以滿足防火工程網絡的技術需要，如公式（3）所示。

（3）

式中：NB為防火工程網絡最終配置的底層監控節點數目；NM為防火工程網絡最終配置的中間層通信節點數目。

在確定底層監控節點數目和中間層通信節點數目后，配置一個防火工程網絡結構，防火工程網絡的示意結構如圖1所示。由圖1可知，在防火工程網絡中一共包括10個獨立的監控區域，每個區域對應大型建筑的一個房間，這些監控區域再通過樓道完成關聯。在每個監控區域內都配置一個底層的監控節點。樓道內配置2個中間層的通信節點，這2個通信節點可以與上位機進行通信。

2 基于物聯網技術的防火工程網絡硬件設計

在上一節的工作中構建了基于物聯網技術的防火工程網絡體系結構，形成一個清晰的三層結構。在接下來的工作中，根據這三層次的體系結構對各層進行硬件設計。因為工作原理和任務需求的差異，所以不同層次的硬件設計思路也有所不同。對于最底層的部分來說，最關鍵的部分為射頻設計，以便和中間層通信節點建立無線通信。中間層主要是實現網絡協調功能，既能與最底層節點進行通信，又能與最頂層的上位機建立聯系。

從功能上看，底層的監控節點主要負責對監控范圍內的火情火險信息的數據采集。因為本文中主要考慮了溫度信息和CO氣體信息的采集，所以也應該配置對應的溫度傳感器和CO氣體傳感器。底層監控節點除了配置上述2個傳感器外，還需要配置射頻收發模塊，以便與中間層通信節點進行無線通信。中間層通信節點負責上傳下達的通信任務，在3個層次的物聯網結構中起到了樞紐作用。因此，中間層通信節點首先要配置無線通信模塊，以便實現其通信功能。其次，中間層節點還要配置多任務協調的實時管理模塊，以便與周圍的多個底層監控節點進行對接。根據分析，3個層次的物聯網防火工程網絡結構硬件配置概念圖，如圖2所示。

從圖2可以看出，從左到右依次是底層監控節點的硬件配置、中間層通信節點的硬件配置、頂層上位機節點的硬件配置。在底層監控節點的硬件模塊化配置中，無線通信模塊負責和中間層的通信節點進行對接，建立通信鏈路、完成數據和信息傳送；數據采集模塊和數據處理模塊，負責將自身的溫度傳感器和CO氣體傳感器的數據進行采集并簡單處理；供電模塊負責底層監控節點的能源供給，應用程序模塊負責底層監控節點的簡單程序設置。在中間層通信節點的硬件模塊化配置中，無線通信模塊負責和底層的監控節點進行地界，完成通信；應用程序模塊負責中間層通信節點的簡單程序設置，實時多任務管理模塊負責和多個底層監控節點的任務協調。

3 基于物聯網技術的防火工程網絡性能測試

在前面的工作中，針對大型建筑的防火工程網絡設計問題提出基于物聯網的體系結構設計方案和硬件模塊化配置方案，從3個層次構建一個具有多路傳感、網絡協調和上位總處理的防火網絡架構。在接下來的工作中，通過進行驗證性測試，驗證本文所構建的防火工程網絡的有效性。在這個試驗過程中，為了驅動各硬件有效的工作，選擇了典型的物聯網驅動軟件平臺進行組網和軟件控制，軟件處置總體流程如圖3所示。在圖3的顯示流程中，當大型建筑的物聯網防火工程網絡組網成功時，底層的監控節點就會顯示時間數據、溫度數據等基本信息。同樣，中間層的通信節點也成功建立了與上位機總結點的聯系，表明組網成功。

根據圖1的監控體系，在房間一的區域內進行火源點燃，同時測試10個房間區域的情況，整個防火工程網絡得到的傳感器監控結果見表1。

從表1的數據可以看出，區域1的溫度和CO含量不斷升高，而其他幾個區域則維持在正常水平，表明防火工程網絡得到有效的監測結果。進一步觀測記錄不同傳感器配置下的報警響應時間，如圖4所示。根據圖4中顯示的結果可知，防火工程網絡同時采用CO氣體傳感器和溫度傳感器，對于火情報警的響應速度會更快。

4 結論

針對大型建筑的防火問題提出一種多傳感器多節點多層次的防火工程網絡。整個防火工程網絡依托物聯網技術，進行3個層次的體系結構設計。在該基礎上對底層監控節點、中間層通信節點、頂層上位機進行硬件模塊化設計。以10個房間作為監控區域，在物聯網驅動軟件平臺下完成防火工程網絡組網。隨著試驗進行，溫度傳感器和CO氣體傳感器實現了有效信息回傳，上位機也根據傳感器數據對1號房間的火情區域進行實時報警。

參考文獻

[1]邵云飛，戚華輝.基于物聯網設計的三維消防安全系統構建方法和具體應用[J].科技視界，2022，29（3）：301-303.

[2]魏小明.基于物聯網平臺的中小型林場智慧化防火系統建設策略[J].中文科技期刊數據庫（全文版）農業科學，2022，12（4）：44-48.

[3]侯茸.智慧城市建設中物聯網和大數據在消防滅火救援中的運用[J].中國科技縱橫， 2022，31（12）：58-64.