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

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(gè)防火工程網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分為3個(gè)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(jìn)行無線通信設(shè)計(jì)，打通各節(jié)點(diǎn)之間的信息交互通道；在最上層通過上位機(jī)，配置終端操作軟件，實(shí)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(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，試驗(yàn)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(shí)報(bào)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(jī)；無線通信

中圖分類號：D 542 " " " " " " 文獻(xiàn)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(cái)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(diǎn)少、覆蓋范圍小、各節(jié)點(diǎn)之間信息交流不暢[2]。在這樣的情況下需要設(shè)計(jì)新的防火工程網(wǎng)絡(luò)，提升監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的測量準(zhǔn)確率，并增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量擴(kuò)大防火覆蓋范圍。各節(jié)點(diǎn)之間必須進(jìn)行充分的信息交流，這樣才能發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)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(shí)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(xiǎn)指標(biāo)，并通過高效通信手段實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)配置、通信和上位機(jī)軟件等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

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

為了對現(xiàn)場進(jìn)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(gè)防火工程網(wǎng)絡(luò)的最底層配置多個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)的通信節(jié)點(diǎn)，每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都可以與附近的底層監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(gè)性能較高的上位機(jī)，上位機(jī)可以通過通信節(jié)點(diǎn)獲得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全部信息，并給出報(bào)警、救援調(diào)度等處理。在底層的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上，為了對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行防火監(jiān)控，主要給每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)中間層通信節(jié)點(diǎn)和底層監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的通信，采用無線通信技術(shù)方案?？紤]到整個(gè)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(diǎn)和中間層通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，需要根據(jù)監(jiān)控總面積進(jìn)行計(jì)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(diǎn)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(gè)底層監(jiān)控節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的總數(shù)；AreaNM為每個(gè)中間層通信節(jié)點(diǎn)可以覆蓋的監(jiān)控面積。

除了上述根據(jù)面積的計(jì)算方法，還可以通過通信帶寬來計(jì)算節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的總數(shù)；BWDW為防火工程網(wǎng)絡(luò)總通信帶寬；BWDNB為每個(gè)底層監(jiān)控節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的總數(shù)；BWDNM為每個(gè)中間層通信節(jié)點(diǎn)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(jì)算監(jiān)控節(jié)點(diǎn)總數(shù)和通信節(jié)點(diǎn)總數(shù)后，可以選擇最大值作為實(shí)際節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)目。

在確定底層監(jiān)控節(jié)點(diǎn)數(shù)目和中間層通信節(jié)點(diǎn)數(shù)目后，配置一個(gè)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(gè)獨(dú)立的監(jiān)控區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)大型建筑的一個(gè)房間，這些監(jiān)控區(qū)域再通過樓道完成關(guān)聯(lián)。在每個(gè)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)都配置一個(gè)底層的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。樓道內(nèi)配置2個(gè)中間層的通信節(jié)點(diǎn)，這2個(gè)通信節(jié)點(diǎn)可以與上位機(jī)進(jìn)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(jì)

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(gè)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(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。因?yàn)楣ぷ髟砗腿蝿?wù)需求的差異，所以不同層次的硬件設(shè)計(jì)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(jì)，以便和中間層通信節(jié)點(diǎn)建立無線通信。中間層主要是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能，既能與最底層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，又能與最頂層的上位機(jī)建立聯(lián)系。

從功能上看，底層的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對監(jiān)控范圍內(nèi)的火情火險(xiǎn)信息的數(shù)據(jù)采集。因?yàn)楸疚闹兄饕紤]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(diǎn)除了配置上述2個(gè)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(diǎn)進(jìn)行無線通信。中間層通信節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)上傳下達(dá)的通信任務(wù)，在3個(gè)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(diǎn)首先要配置無線通信模塊，以便實(shí)現(xiàn)其通信功能。其次，中間層節(jié)點(diǎn)還要配置多任務(wù)協(xié)調(diào)的實(shí)時(shí)管理模塊，以便與周圍的多個(gè)底層監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對接。根據(jù)分析，3個(gè)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(diǎn)的硬件配置、中間層通信節(jié)點(diǎn)的硬件配置、頂層上位機(jī)節(jié)點(diǎn)的硬件配置。在底層監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件模塊化配置中，無線通信模塊負(fù)責(zé)和中間層的通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(fù)責(zé)將自身的溫度傳感器和CO氣體傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并簡單處理；供電模塊負(fù)責(zé)底層監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能源供給，應(yīng)用程序模塊負(fù)責(zé)底層監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的簡單程序設(shè)置。在中間層通信節(jié)點(diǎn)的硬件模塊化配置中，無線通信模塊負(fù)責(zé)和底層的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地界，完成通信；應(yīng)用程序模塊負(fù)責(zé)中間層通信節(jié)點(diǎn)的簡單程序設(shè)置，實(shí)時(shí)多任務(wù)管理模塊負(fù)責(zé)和多個(gè)底層監(jiān)控節(jié)點(diǎn)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(jì)問題提出基于物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和硬件模塊化配置方案，從3個(gè)層次構(gòu)建一個(gè)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(jìn)行驗(yàn)證性測試，驗(yàn)證本文所構(gòu)建的防火工程網(wǎng)絡(luò)的有效性。在這個(gè)試驗(yàn)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(jìn)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(shí)，底層的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)就會顯示時(shí)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(diǎn)也成功建立了與上位機(jī)總結(jié)點(diǎn)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(jìn)行火源點(diǎn)燃，同時(shí)測試10個(gè)房間區(qū)域的情況，整個(gè)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(gè)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(jìn)一步觀測記錄不同傳感器配置下的報(bào)警響應(yīng)時(shí)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(shí)采用CO氣體傳感器和溫度傳感器，對于火情報(bào)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(diǎn)多層次的防火工程網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)防火工程網(wǎng)絡(luò)依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行3個(gè)層次的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在該基礎(chǔ)上對底層監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、中間層通信節(jié)點(diǎn)、頂層上位機(jī)進(jìn)行硬件模塊化設(shè)計(jì)。以10個(gè)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(yàn)進(jìn)行，溫度傳感器和CO氣體傳感器實(shí)現(xiàn)了有效信息回傳，上位機(jī)也根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)對1號房間的火情區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。

參考文獻(xiàn)

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