基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防火工程網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

摘 要：隨著傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，防火技術(shù)也發(fā)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(lián)網(wǎng)架構(gòu)的防火工程網(wǎng)絡(luò)。整個防火工程網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(jiān)控現(xiàn)場的防火信息；在中間層進行無線通信設(shè)計，打通各節(jié)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(xiàn)總體功能。在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防火工程網(wǎng)絡(luò)覆蓋下進行驗證性試驗，試驗結(jié)果顯示：本文提出的防火物聯(lián)網(wǎng)可以在大型建筑空間中精準(zhǔn)地確定火源位置并及時報警，大大提高了防火效果。

關(guān)鍵詞：防火工程；物聯(lián)網(wǎng)；上位機；無線通信

中圖分類號：D 542 " " " " " " 文獻標(biāo)志碼：A

為了增加內(nèi)容空間的需求，現(xiàn)代建筑物的規(guī)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(jiān)控措施，就會導(dǎo)致重大的安全問題或嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失。傳統(tǒng)的防火模式離散性特征明顯，監(jiān)測節(jié)點少、覆蓋范圍小、各節(jié)點之間信息交流不暢[2]。在這樣的情況下需要設(shè)計新的防火工程網(wǎng)絡(luò)，提升監(jiān)測節(jié)點的測量準(zhǔn)確率，并增加節(jié)點數(shù)量擴大防火覆蓋范圍。各節(jié)點之間必須進行充分的信息交流，這樣才能發(fā)現(xiàn)問題并及時處理[3]。顯然，基于多傳感器構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以滿足適應(yīng)新時代的防火需求。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架下，各種類型的傳感器可以有效地監(jiān)測現(xiàn)場的火情火險指標(biāo)，并通過高效通信手段實現(xiàn)各節(jié)點之間的信息交流。基于這種考慮，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防火工程網(wǎng)絡(luò)框架，并對傳感器、節(jié)點配置、通信和上位機軟件等進行詳細設(shè)計。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的防火工程網(wǎng)絡(luò)的框架設(shè)計

為了對現(xiàn)場進行立體化防火監(jiān)控，本文在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架下提出一種3層的防火工程網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在整個防火工程網(wǎng)絡(luò)的最底層配置多個監(jiān)控節(jié)點，每個節(jié)點都帶有一種或幾種特定的傳感器，其作用是對現(xiàn)場環(huán)境的煙霧濃度等信息進行監(jiān)測。在中間層配置一定數(shù)量聯(lián)絡(luò)各監(jiān)控節(jié)點的通信節(jié)點，每個通信節(jié)點都可以與附近的底層監(jiān)控節(jié)點進行通信，通信方式以無線通信技術(shù)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(jié)點獲得整個網(wǎng)絡(luò)的全部信息，并給出報警、救援調(diào)度等處理。在底層的監(jiān)控節(jié)點上，為了對現(xiàn)場環(huán)境進行防火監(jiān)控，主要給每個節(jié)點配置兩類傳感器。第一類傳感器是用于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的溫度傳感器。一旦現(xiàn)場發(fā)生火災(zāi)，火焰灼燒就會使現(xiàn)場的環(huán)境溫度急劇增加，因此實時監(jiān)測現(xiàn)場溫度有助于發(fā)現(xiàn)火情。第二類傳感器是用于測量現(xiàn)場氣體濃度的氣體傳感器。一旦現(xiàn)場發(fā)生火情，充分燃燒和不充分燃燒就會產(chǎn)生成分復(fù)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(xiàn)中間層通信節(jié)點和底層監(jiān)控節(jié)點的通信，采用無線通信技術(shù)方案。考慮到整個防火工程網(wǎng)絡(luò)的搭設(shè)成本，這里的無線通信模塊以技術(shù)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(jiān)控節(jié)點和中間層通信節(jié)點的數(shù)量，需要根據(jù)監(jiān)控總面積進行計算，如公式（1）所示。

（1）

式中：NodeB為防火工程網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的全部底層監(jiān)控節(jié)點的總數(shù)；AreaW為防火工程網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的監(jiān)控總面積；AreaNB為每個底層監(jiān)控節(jié)點可以覆蓋的監(jiān)控面積；NodeM為防火工程網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的全部中間層通信節(jié)點的總數(shù)；AreaNM為每個中間層通信節(jié)點可以覆蓋的監(jiān)控面積。

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

（2）

式中：Node'B為防火工程網(wǎng)絡(luò)總通信帶寬能滿足的全部底層監(jiān)控節(jié)點的總數(shù)；BWDW為防火工程網(wǎng)絡(luò)總通信帶寬；BWDNB為每個底層監(jiān)控節(jié)點需要使用的通信帶寬；Node'M為防火工程網(wǎng)絡(luò)總通信帶寬能滿足的全部中間層通信節(jié)點的總數(shù)；BWDNM為每個中間層通信節(jié)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(jiān)控節(jié)點總數(shù)和通信節(jié)點總數(shù)后，可以選擇最大值作為實際節(jié)點數(shù)目，以滿足防火工程網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)需要，如公式（3）所示。

（3）

式中：NB為防火工程網(wǎng)絡(luò)最終配置的底層監(jiān)控節(jié)點數(shù)目；NM為防火工程網(wǎng)絡(luò)最終配置的中間層通信節(jié)點數(shù)目。

在確定底層監(jiān)控節(jié)點數(shù)目和中間層通信節(jié)點數(shù)目后，配置一個防火工程網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，防火工程網(wǎng)絡(luò)的示意結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，在防火工程網(wǎng)絡(luò)中一共包括10個獨立的監(jiān)控區(qū)域，每個區(qū)域?qū)?yīng)大型建筑的一個房間，這些監(jiān)控區(qū)域再通過樓道完成關(guān)聯(lián)。在每個監(jiān)控區(qū)域內(nèi)都配置一個底層的監(jiān)控節(jié)點。樓道內(nèi)配置2個中間層的通信節(jié)點，這2個通信節(jié)點可以與上位機進行通信。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防火工程網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

在上一節(jié)的工作中構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防火工程網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，形成一個清晰的三層結(jié)構(gòu)。在接下來的工作中，根據(jù)這三層次的體系結(jié)構(gòu)對各層進行硬件設(shè)計。因為工作原理和任務(wù)需求的差異，所以不同層次的硬件設(shè)計思路也有所不同。對于最底層的部分來說，最關(guān)鍵的部分為射頻設(shè)計，以便和中間層通信節(jié)點建立無線通信。中間層主要是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能，既能與最底層節(jié)點進行通信，又能與最頂層的上位機建立聯(lián)系。

從功能上看，底層的監(jiān)控節(jié)點主要負責(zé)對監(jiān)控范圍內(nèi)的火情火險信息的數(shù)據(jù)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(yīng)該配置對應(yīng)的溫度傳感器和CO氣體傳感器。底層監(jiān)控節(jié)點除了配置上述2個傳感器外，還需要配置射頻收發(fā)模塊，以便與中間層通信節(jié)點進行無線通信。中間層通信節(jié)點負責(zé)上傳下達的通信任務(wù)，在3個層次的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中起到了樞紐作用。因此，中間層通信節(jié)點首先要配置無線通信模塊，以便實現(xiàn)其通信功能。其次，中間層節(jié)點還要配置多任務(wù)協(xié)調(diào)的實時管理模塊，以便與周圍的多個底層監(jiān)控節(jié)點進行對接。根據(jù)分析，3個層次的物聯(lián)網(wǎng)防火工程網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jiān)控節(jié)點的硬件配置、中間層通信節(jié)點的硬件配置、頂層上位機節(jié)點的硬件配置。在底層監(jiān)控節(jié)點的硬件模塊化配置中，無線通信模塊負責(zé)和中間層的通信節(jié)點進行對接，建立通信鏈路、完成數(shù)據(jù)和信息傳送；數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，負責(zé)將自身的溫度傳感器和CO氣體傳感器的數(shù)據(jù)進行采集并簡單處理；供電模塊負責(zé)底層監(jiān)控節(jié)點的能源供給，應(yīng)用程序模塊負責(zé)底層監(jiān)控節(jié)點的簡單程序設(shè)置。在中間層通信節(jié)點的硬件模塊化配置中，無線通信模塊負責(zé)和底層的監(jiān)控節(jié)點進行地界，完成通信；應(yīng)用程序模塊負責(zé)中間層通信節(jié)點的簡單程序設(shè)置，實時多任務(wù)管理模塊負責(zé)和多個底層監(jiān)控節(jié)點的任務(wù)協(xié)調(diào)。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防火工程網(wǎng)絡(luò)性能測試

在前面的工作中，針對大型建筑的防火工程網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題提出基于物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和硬件模塊化配置方案，從3個層次構(gòu)建一個具有多路傳感、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和上位總處理的防火網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在接下來的工作中，通過進行驗證性測試，驗證本文所構(gòu)建的防火工程網(wǎng)絡(luò)的有效性。在這個試驗過程中，為了驅(qū)動各硬件有效的工作，選擇了典型的物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動軟件平臺進行組網(wǎng)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(dāng)大型建筑的物聯(lián)網(wǎng)防火工程網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功時，底層的監(jiān)控節(jié)點就會顯示時間數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)等基本信息。同樣，中間層的通信節(jié)點也成功建立了與上位機總結(jié)點的聯(lián)系，表明組網(wǎng)成功。

根據(jù)圖1的監(jiān)控體系，在房間一的區(qū)域內(nèi)進行火源點燃，同時測試10個房間區(qū)域的情況，整個防火工程網(wǎng)絡(luò)得到的傳感器監(jiān)控結(jié)果見表1。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出，區(qū)域1的溫度和CO含量不斷升高，而其他幾個區(qū)域則維持在正常水平，表明防火工程網(wǎng)絡(luò)得到有效的監(jiān)測結(jié)果。進一步觀測記錄不同傳感器配置下的報警響應(yīng)時間，如圖4所示。根據(jù)圖4中顯示的結(jié)果可知，防火工程網(wǎng)絡(luò)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(yīng)速度會更快。

4 結(jié)論

針對大型建筑的防火問題提出一種多傳感器多節(jié)點多層次的防火工程網(wǎng)絡(luò)。整個防火工程網(wǎng)絡(luò)依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進行3個層次的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。在該基礎(chǔ)上對底層監(jiān)控節(jié)點、中間層通信節(jié)點、頂層上位機進行硬件模塊化設(shè)計。以10個房間作為監(jiān)控區(qū)域，在物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動軟件平臺下完成防火工程網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。隨著試驗進行，溫度傳感器和CO氣體傳感器實現(xiàn)了有效信息回傳，上位機也根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)對1號房間的火情區(qū)域進行實時報警。

參考文獻

[1]邵云飛，戚華輝.基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的三維消防安全系統(tǒng)構(gòu)建方法和具體應(yīng)用[J].科技視界，2022，29（3）：301-303.

[2]魏小明.基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的中小型林場智慧化防火系統(tǒng)建設(shè)策略[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（全文版）農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022，12（4）：44-48.

[3]侯茸.智慧城市建設(shè)中物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)在消防滅火救援中的運用[J].中國科技縱橫， 2022，31（12）：58-64.