基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑消防設(shè)備電源監(jiān)控控制系統(tǒng)設(shè)計研究

摘要：本文針對建筑消防設(shè)備電源監(jiān)控控制需求，設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的消防設(shè)備電源監(jiān)控控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了對建筑消防設(shè)備電源的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、對消防動力設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。通過傳感器和網(wǎng)絡(luò)連接，系統(tǒng)可以監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)、溫度、濕度等參數(shù)，并及時發(fā)出警報和采取措施，必要時直接控制消防動力設(shè)備，以保障建筑物的消防電源供電安全、穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；建筑消防；動力設(shè)備；監(jiān)控系統(tǒng)

引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，建筑物的規(guī)模和復(fù)雜性也在不斷增加，建筑消防安全是保障人民生命財產(chǎn)安全的重要任務(wù)。而建筑消防設(shè)備電源作為消防系統(tǒng)的核心組成部分，其運行狀態(tài)的監(jiān)控和管理對于消防安全至關(guān)重要。根據(jù)調(diào)研，現(xiàn)有市場上傳統(tǒng)的消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)通常為獨立系統(tǒng)，監(jiān)控主機(jī)一般設(shè)置于消防控制室，監(jiān)控模塊設(shè)置于消防動力設(shè)備端，該系統(tǒng)成本較高，布線復(fù)雜冗余，但是建筑通過消防驗收后，消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)往往就會淪為擺設(shè)，業(yè)主單位要么直接斷電，要么對監(jiān)測報警視而不見。主要是因為傳統(tǒng)的監(jiān)控手段存在著系統(tǒng)獨立、無法融合到現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺、管理不便等原因，無法滿足現(xiàn)代建筑消防需求。因此，設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)，并考慮在傳統(tǒng)的消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)中增加對消防動力設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

一、系統(tǒng)設(shè)計原理

（一）傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點是基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑消防設(shè)備電源監(jiān)控控制系統(tǒng)中的重要組成部分。為實現(xiàn)對設(shè)備的實時監(jiān)測，可選擇高精度的傳感器來獲取各種參數(shù)數(shù)據(jù)。溫度傳感器可采用型號為TMP36的模擬溫度傳感器，其測量范圍為-40℃至+125℃，精度為±2℃。濕度傳感器可選用DHT22數(shù)字濕度傳感器，其測量范圍為0%RH至100%RH，濕度精度為±2%RH。比傳統(tǒng)的消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)增設(shè)溫度、濕度傳感器，可以有效對設(shè)備的工作環(huán)境尤其對處于地下室、消防水泵房、屋面消防水箱等處的消防設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)測。電壓、電流等運行狀態(tài)傳感器則可采用霍爾傳感器，能夠檢測消防電源的運行狀態(tài)等^[1]，可選擇性增加控制模塊，必要時對消防動力設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（二）網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

在基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑消防設(shè)備電源監(jiān)控控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)通信起著關(guān)鍵作用。選擇無線通信技術(shù)來實現(xiàn)傳感器節(jié)點與數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用的無線通信技術(shù)為LoRaWAN（低功耗廣域網(wǎng)），其具有廣覆蓋、低功耗和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c^[2]。在系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點通過LoRaWAN協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用MQTT（消息隊列遙測傳輸）協(xié)議，以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸和實時性。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中數(shù)據(jù)中心作為中心節(jié)點，與多個傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行連接。

（三）數(shù)據(jù)處理與分析

在基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑消防電源監(jiān)控控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理與分析是保障系統(tǒng)正常運行和提供決策支持的重要環(huán)節(jié)。采集到的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集與存儲模塊進(jìn)行存儲，以確保數(shù)據(jù)的完整性和可追溯性。數(shù)據(jù)處理與分析算法主要包括數(shù)據(jù)清洗、特征提取和異常檢測等步驟。通過對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和處理，提取出有用的特征信息，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行異常檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行異常或故障情況^[3]。數(shù)據(jù)可視化與報警模塊將處理后的數(shù)據(jù)以直觀的圖表形式展示，使用戶能夠直觀了解設(shè)備的運行狀態(tài)。

（四）遠(yuǎn)程控制與管理

相比較于傳統(tǒng)的建筑消防設(shè)備電源監(jiān)控控制系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑消防設(shè)備電源監(jiān)控控制系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程控制和管理的能力，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制模塊，用戶可以實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)、溫度、濕度等參數(shù)，并遠(yuǎn)程控制設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)、調(diào)節(jié)設(shè)備的運行模式等^[4]。遠(yuǎn)程維護(hù)與管理模塊提供了對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程維護(hù)和管理功能，用戶可以通過遠(yuǎn)程方式對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和升級，避免了現(xiàn)場操作的不便和風(fēng)險。

二、系統(tǒng)實現(xiàn)方法

（一）硬件設(shè)計

硬件設(shè)計是基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑消防電源監(jiān)控控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計中，選擇適用于物聯(lián)網(wǎng)的建筑消防電源監(jiān)控系統(tǒng)的高性能硬件組件。針對溫度監(jiān)測，選用TMP36溫度傳感器。該傳感器的測量范圍為-40℃至+125℃，精度為±2℃。它采用模擬輸出方式，輸出電壓與溫度成線性關(guān)系，可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號^[5]。為了實現(xiàn)濕度監(jiān)測，采用DHT22數(shù)字濕度傳感器。該傳感器的濕度測量范圍為0%RH至100%RH，濕度精度為±2%RH。它還具備溫度測量功能，溫度測量范圍為-40℃至+80℃，精度為±05℃。為監(jiān)測電源及設(shè)備的運行狀態(tài)，選用霍爾傳感器?；魻杺鞲衅髂軌驒z測設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)、轉(zhuǎn)速等信息。它通過感應(yīng)磁場的變化來實現(xiàn)狀態(tài)檢測，具有高靈敏度和快速響應(yīng)的特點。在硬件設(shè)計中，考慮到傳感器節(jié)點的供電和通信模塊的工作需求，為保證節(jié)點的長時間運行，采用低功耗的微控制器作為控制核心，并配備了適當(dāng)?shù)碾娫垂芾黼娐?。通信模塊則采用無線方式，如Wi-Fi或藍(lán)牙，以實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)傳輸。

由圖1可知，通過選擇適用的傳感器和配備合適的供電和通信模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對建筑消防動力設(shè)備的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，這為后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)程控制提供了可靠的硬件基礎(chǔ)。

（二）軟件設(shè)計

采用嵌入式系統(tǒng)作為傳感器節(jié)點的操作系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定的特點，能夠滿足實時數(shù)據(jù)采集的需求。選擇基于Linux的嵌入式操作系統(tǒng)，并進(jìn)行了定制化開發(fā)，以適應(yīng)系統(tǒng)的需求。

在軟件設(shè)計中，采用多線程編程模型來實現(xiàn)并行處理，通過多線程的方式，能夠同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和分析，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和效率。例如，可以將一個線程用于數(shù)據(jù)采集，另一個線程用于數(shù)據(jù)傳輸^[6]。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，采用消息隊列技術(shù)。傳感器節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)通過消息隊列傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，以確保數(shù)據(jù)的可靠性和實時性。選擇RabbitMQ作為消息隊列的實現(xiàn)工具，它具有高性能、可靠的特點，能夠滿足系統(tǒng)需求。此外，為保證系統(tǒng)的安全性，采用加密技術(shù)對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，通過使用TLS/SSL協(xié)議，我們能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中被惡意篡改或竊取。

總之，通過合理的軟件設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的高效采集、傳輸、處理和分析，為建筑消防動力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)提供可靠的支持作用。

（三）系統(tǒng)集成與測試

系統(tǒng)集成與測試是基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑消防設(shè)備電源監(jiān)控控制系統(tǒng)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。通過系統(tǒng)集成與測試，可以確保各個組件和模塊之間的協(xié)調(diào)運行以及整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在硬件方面，將傳感器節(jié)點與主控單元連接，并進(jìn)行電路連接和供電測試。確保傳感器能〖HJ2.1mm〗夠正常采集數(shù)據(jù)，并通過通信接口將數(shù)據(jù)傳輸給主控單元。在軟件方面，將嵌入式系統(tǒng)與傳感器節(jié)點的驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行整合。測試數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理功能能夠確保軟件正確接收傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理。在功能測試中，驗證系統(tǒng)的各項功能是否正常工作。例如，測試溫度傳感器是否能夠準(zhǔn)確測量溫度、濕度傳感器是否能夠準(zhǔn)確測量濕度等。還需要測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，確保傳感器數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確傳輸?shù)街骺貑卧?。在性能測試中，評估系統(tǒng)在不同工作負(fù)載下的性能表現(xiàn)，模擬不同溫度和濕度條件下的數(shù)據(jù)采集和處理情況，并測試系統(tǒng)的響應(yīng)時間和資源利用率。同時，進(jìn)行長時間運行測試，以驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。進(jìn)行整體系統(tǒng)的驗證和驗收測試，將系統(tǒng)部署在實際的建筑消防動力設(shè)備監(jiān)控場景中，并進(jìn)行實際運行測試。監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，觀察是否存在異常情況，并進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化。通過系統(tǒng)集成與測試，確?；谖锫?lián)網(wǎng)的建筑消防設(shè)備電源監(jiān)控控制系統(tǒng)的各個組件和模塊協(xié)調(diào)運行以及整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，這為系統(tǒng)的正式部署和應(yīng)用提供了有力支持^[7]。

三、結(jié)果討論與改進(jìn)

在物聯(lián)網(wǎng)建筑消防設(shè)備電源監(jiān)控控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和系統(tǒng)集成與測試過程中，取得了一些重要結(jié)果。在結(jié)果討論過程中，發(fā)現(xiàn)一些改進(jìn)空間。對于軟件設(shè)計，可以進(jìn)一步優(yōu)化多線程編程模型和消息隊列技術(shù)，以提高系統(tǒng)處理和傳輸數(shù)據(jù)的效率。在系統(tǒng)集成與測試中，可以進(jìn)一步加強(qiáng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的驗證和測試，以確保系統(tǒng)在長時間運行和復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。系統(tǒng)響應(yīng)時間和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的對比結(jié)果如表1和表2內(nèi)容所示。

通過以上數(shù)據(jù)對比分析，可以看到改進(jìn)后的系統(tǒng)在響應(yīng)時間和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性方面都取得了顯著改善，這些結(jié)果進(jìn)一步驗證了在前文中提到的軟件設(shè)計和系統(tǒng)集成與測試的有效性。

為進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)，可以考慮以下方向：進(jìn)一步優(yōu)化多線程編程模型和消息隊列技術(shù)的實現(xiàn)，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性驗證和測試以及持續(xù)監(jiān)測和優(yōu)化系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。通過不斷改進(jìn)和優(yōu)化，可以進(jìn)一步提升物聯(lián)網(wǎng)建筑消防動力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的性能和可靠性，為建筑消防安全提供更好支持^[8]。

結(jié)語

綜上所述，本文設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑消防設(shè)備電源監(jiān)控控制系統(tǒng)，通過傳感器節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理與分析以及遠(yuǎn)程控制與管理等模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，實現(xiàn)了對建筑消防設(shè)備電源的實時監(jiān)測、對消防設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足建筑消防需求。未來，可以進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化系統(tǒng)，提高其性能和功能，以適應(yīng)不斷發(fā)展的建筑消防安全需求。

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作者簡介：馮長江（1986- ），男，漢族，江蘇宿遷人，本科，高級工程師，研究方向：建筑電氣、消防電氣。