建筑物電氣火災一體化智慧消防系統(tǒng)設計及其實現技術分析

曹卓媛，王偉

（杭州市消防救援支隊，杭州310000）

1 引言

為提升火災救援響應速率，各領域專家、科研學者積極加入智慧消防開發(fā)、建設歷程中，貢獻了諸多優(yōu)良成果經驗。 周塑鎮(zhèn)[1]引入STM32F103RC 芯片、SQL 數據庫技術等，對物聯(lián)網體系進行優(yōu)化改良，大幅提升了系統(tǒng)數據吞吐量，避免了信息傳送質量不佳、信息內容屢次丟失的情況。Chu Haiyan 等[2]人則聚焦家庭、公寓等小型場所火災防范需求，引入單片機控制系統(tǒng)對火災報警裝置進行升級改造。 姜韜等[3]采用NB-IoT（窄帶物聯(lián)網）技術開展系統(tǒng)設計，實現了快捷化、實時化監(jiān)測警報管理，有助于提升滅火救援效率。 這些成果為智慧消防體系的建設提供了更加優(yōu)質、開放的思路，但由于研究視域較為狹窄，僅討論了數據庫、警報系統(tǒng)等某一方面的設計、實現要點，所以很難為一體化、整合化的平臺設計提供指引。 基于此，本文引入低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術體系，對消防系統(tǒng)采集層、通信層及應用層開發(fā)、設計情況進行展開論述，研究成果更加系統(tǒng)、完整，具有一定的創(chuàng)新、借鑒意義。

2 系統(tǒng)整體架構

系統(tǒng)架構設計時， 主要采用了LPWAN 體系中的代表性技術，即LoRa 技術和NB-loT 技術，它們的綜合性能優(yōu)良，可以有效改變現有系統(tǒng)信息采集靈敏度不足、功耗較高的困境，鏈路預算高達157 dB，理論通信距離可以達到15 km，且接收電流僅有10 mA 左右。支持多信道并行處理，若將網關安裝在現有通信基站中，那么發(fā)射功率可以達到20 dBm，整體的容量更大、覆蓋范圍更廣。 網絡架構主要由4 個部分構成，即終端、網關、服務器以及應用端。 其中，終端可以內置模塊的形式存在，緩解了網絡布局受限的矛盾。 從宏觀角度看，該架構呈現為星型拓撲結構，終端設備以單跳形式運行，可以與單個、多個網關實現靈活通信。 基于此，本文將一體化智慧消防平臺分為3 個功能層級：采集層負責遠程數據監(jiān)控，監(jiān)控對象包含消防危險源、消防設施、環(huán)境參數等；通信層負責接收和傳遞；應用層負責分析處理，可以滿足存儲、分析、報警等系列需求（見圖1）。 系統(tǒng)平臺采用賬號密碼管理方式，以LDPA 標準協(xié)議為核心，能夠在多應用系統(tǒng)共存場景下，保障單點登錄、身份認證的快捷性，附帶手機驗證碼系統(tǒng)，可以防范暴力破解行為，保證了賬號的私密性和安全性。

圖1 電氣火災一體化智慧消防系統(tǒng)架構設計

3 系統(tǒng)采集層設計

采集層位于智慧消防體系前端，主要由各種高性能、高敏度的傳感檢測器組成，可以對現場的溫度、煙霧等關鍵火災信息進行監(jiān)控、 采集， 并將相應信號轉化為電信號傳送給總控臺，以供識別和處理；對于消防系統(tǒng)中包含的各種設施裝置，如消防水箱、噴淋頭等，也可以通過水壓、水位檢測器的裝配，實現動態(tài)化、遠程化的信息采集。 其中，感煙、感溫探測終端是最為常見的采集層裝置，內部以嵌入式方法裝配LoRa 模塊組件，能夠在24 h 不間斷的情況下，對現場溫度、煙霧濃度等進行監(jiān)測， 信息經過F8926-L 網關路由器以及F8L10GW 基站，與寬帶網絡或NB-loT 網絡相連接，并傳送至總控臺，實現實時化的同步與更新（見圖2）。部分高危場所，如化學品倉庫、加油站等建筑中，還會設置可燃氣探測設備，可以對目標氣體濃度進行探測收集，針對電氣火災頻發(fā)現狀，也引入和裝配了專用的電壓、電流、電弧故障探測器，可以通過內置模塊與總控臺進行智能聯(lián)網。 由于采集的信息結構較為復雜，因此到達總控臺后，會以分布式存儲策略放置在數據庫之中，存儲策略由“資源權重值W”控制。

圖2 采集層設備監(jiān)測通信邏輯

4 系統(tǒng)通信層設計

對于LPWAN 技術來說， 現場可用的通信層設計方案是比較靈活、可選的，可以根據實際條件使用有線、無線，以及雙重備份等方式， 溫感、 煙感裝置通信連接過程中， 可以采用LoRa 自組網技術，以滿足高穿透力的使用需求，經試驗能夠穿透8 層以上樓板。 也可以采用NB-loT 組網技術，其覆蓋深度更高，對于地下室、地下車庫等監(jiān)測盲點區(qū)域，同樣可以保障高質量通信。 考慮到電氣火災本身突發(fā)性、危害性較強，單一通信線路的架設可能無法保證可靠性，因此，采用有線、無線雙備份方式組網， 無線LoRa 擔任主要的通信任務， 搭配485/CAN 等有線通道進行遠程通信。 該類有線通信采用串行總線邏輯，具有較高的抗電磁干擾性，可以實時檢測各種可能的錯誤類型，現階段在工業(yè)自動化、醫(yī)療自動化中均有較為廣泛的應用。 當無線LoRa 由于基站、天氣等因素無法保證消防通信時，該種有線通道也可以就近發(fā)送隱患信息，防止?jié)撛陲L險的擴散蔓延。 所有信息分類集成、整合，并通過防火墻審核后送入服務器，由服務器分配、發(fā)送到監(jiān)控中心或移動終端，保證響應速度的同時提升系統(tǒng)安全性能，減少黑客入侵、病毒感染等潛在風險（見圖3）。 由于電氣消防業(yè)務數據較為繁雜，消防設施信息、交通水利協(xié)同辦公信息、交通信息等均要及時對接和采集，以保障感知、預警和決策的科學性，因此在通信層中，還基于Web API 環(huán)境構建了公共接口層，對于Web 網站來源、移動終端來源數據進行統(tǒng)一處理，確保格式符合要求后整合、打包給數據訪問層，如此一來提升了系統(tǒng)靈活性和快捷性，數據接口也更加開放、豐富。

圖3 一體化智慧消防系統(tǒng)報警信息接收及派發(fā)流程

5 系統(tǒng)應用層設計

在一體化智慧消防平臺中， 應用層有著關鍵性的核心地位，為方便接入和使用，本次設計采用B/S 架構，用戶無須下載專屬客戶端，通過標準瀏覽器即可登錄進入，內置GIS 地圖查詢功能，并且支持手機App 端接入。服務器組建環(huán)節(jié)，同樣遵循分布式思維，數據庫服務器、通信服務器、應用服務器等各司其職，核心服務器組件還進行了額外備份，監(jiān)測算法定期輪詢確定節(jié)點狀態(tài)， 一旦超過響應時間上限即會切換至備用線路，可以在廣域化的感知基礎上最大限度地保障可靠性。 功能設計上也采用了多元化思維，覆蓋隊伍管理、應急指揮、火災防控等多個方面。 應用界面被分為4 大板塊（見圖4），分述如下。

圖4 電氣火災一體化智慧消防系統(tǒng)應用平臺功能

1）作戰(zhàn)指揮智能輔助板塊。 融合了大數據、機器學習技術，與外部通信設備相連接，連接對象不僅包含單兵5G 通信設備，還包含消防機器人、其他執(zhí)法終端設備等，可以通過紅外遠程感知技術，對人體生命體征進行捕捉、定位，加快搶險救援速度。 系統(tǒng)自身分析、處置能力較強，還能夠對現場視頻、空氣質量、壓力等進行實時感知，并生成相應的二維圖表、三維景象等，輔助完成作戰(zhàn)方案的決策編制。

2）用電感知及風險研判板塊。 同樣融合了人工智能技術，不僅可以遠程獲取電壓、電流測定值，生成相應的歷史記錄、實時記錄報表，還可以從采集層協(xié)同辦公、消防辦公及現場感知模塊中，獲取相應的氣象、電力信息，定期開展狀態(tài)評估與衡量，并生成警報、提示信號，引導各單位及時排查潛在隱患，防止線路老化、天氣因素等造成的建筑物火災事故。

3）消防設施監(jiān)管模塊。 可以呈現區(qū)域內主要的消防站點、消防總隊、支隊信息，以及消防水箱水位、噴淋設備水壓等設備參數信息， 支持自動化的圖表轉換， 方便開展設施監(jiān)管決策。火災來臨之際還能夠輔助完成資源調配，主要借助GIS 技術和遠程通信技術運行操作， 總臺與消防車輛內置GPS 接發(fā)器連接，可以結合火災地點位置、路徑長度、路況信息等規(guī)劃最科學的路線，排除擁堵等不良干擾，確保救援力量以最快速度到達現場。

4）在其他智慧應用模塊，開設了重點部位視頻監(jiān)測等創(chuàng)新功能，可以對加油站、煤氣站等進行監(jiān)控畫面提取，還設置了公共服務查詢系統(tǒng)，開放基礎設施查詢、火災自救教學、智能逃生路線查詢等功能。 當火災來臨之際，現場人員可以較為便捷地登錄查詢，獲知安全出口、避難場所等信息，最大限度減少火災帶來的人身財產損失。

6 結語

綜上所述， 本文引入LPWAN 體系中的代表性技術LoRa，設計和開發(fā)了一體化智慧消防系統(tǒng)，可以實現動態(tài)化的數據采集、監(jiān)控，保障商業(yè)建筑、住宅等構筑物安全運行，LoRa模塊內嵌于各傳感器中，使得布局更加靈活自由。 通信層采用LoRa 自組網技術，搭配CAN 有線技術備份聯(lián)用，與傳統(tǒng)網絡相比功耗更低，不僅支持超長距離傳輸，還能夠實現多樓層穿透傳送，可以較好地適應消防平臺監(jiān)控管理需求。 應用平臺中開發(fā)4 個不同板塊，可以為搶險救援提供決策支持，為消防設施狀態(tài)監(jiān)管、公眾消防查詢等提供幫助，仿真運行測試結果良好，具有較強的實用借鑒意義。