基于Zigbee的高校學(xué)生宿舍火災(zāi)預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐琪琪

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410015）

基于Zigbee的高校學(xué)生宿舍火災(zāi)預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐琪琪

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410015）

文章提出了一種基于Zigbee的高校學(xué)生宿舍火災(zāi)預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流向。系統(tǒng)利用Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)采集宿舍環(huán)境數(shù)據(jù)并傳輸至管理中心，實(shí)現(xiàn)火情實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)判斷火勢(shì)大小及分級(jí)應(yīng)急響應(yīng)，提高學(xué)生宿舍安全性。

Zigbee；學(xué)生宿舍；火災(zāi)預(yù)警；分級(jí)應(yīng)急響應(yīng)

近年來，隨著高校規(guī)模的擴(kuò)大，學(xué)生數(shù)量的快速增長(zhǎng)，學(xué)生公寓成為高校安全事故的多發(fā)地。目前部分高校宿舍存在的主要問題有：（1）火災(zāi)隱患；（2）盜竊問題。突出問題是火災(zāi)隱患。由于學(xué)生的安全意識(shí)不強(qiáng)，在宿舍內(nèi)吸煙，使用熱得快等違禁電器，私自拉設(shè)電線等行為極易引起火災(zāi)。每年發(fā)生在高校中的火災(zāi)達(dá)數(shù)千起之多，燒毀財(cái)務(wù)甚至燒傷燒死學(xué)生的事件屢見不鮮，給學(xué)生造成了巨大的損失，給學(xué)校宿舍管理帶來巨大困難[1]。

雖然各大高校在預(yù)防火災(zāi)及火災(zāi)處理上做了很大努力，比如定期對(duì)學(xué)生進(jìn)行消防培訓(xùn)，限制使用違禁電器，禁止使用明火等，但收效甚微。由于學(xué)生缺乏安全意識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)，往往會(huì)忽視周圍存在的火災(zāi)隱患。宿舍管理人員也不可能隨時(shí)查房發(fā)現(xiàn)火情。一旦發(fā)生火災(zāi)，如果安裝報(bào)警器大范圍報(bào)警，由于學(xué)生自身存在的恐懼心理，往往不能及時(shí)判斷火情，驚慌中容易造成盲目跳樓等事件。2008年11月4日，上海某學(xué)院女生宿舍違規(guī)使用熱得快導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生，由于逃生方式不對(duì)，造成4名女生從六樓陽(yáng)臺(tái)墜亡[2]。同時(shí)由于宿舍人數(shù)眾多，極易發(fā)生踩踏事故，造成嚴(yán)重的后果?；诖?，本文提出了基于Zigbee的高校學(xué)生宿舍應(yīng)急系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在火災(zāi)發(fā)生后，系統(tǒng)能快速判斷火情，進(jìn)行自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警和處理，減少火災(zāi)附加事故發(fā)生，給學(xué)生平安求學(xué)帶來保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Zigbee技術(shù)[3][4][5][6]是一種短距離無線通信技術(shù)，具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高數(shù)據(jù)速率等特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛使用。Zigbee網(wǎng)絡(luò)中有三種設(shè)備：協(xié)調(diào)器（Co-ordinator），路由器(Router)和終端節(jié)點(diǎn)(End Device)[7]。Zigbee以一個(gè)個(gè)獨(dú)立工作的節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信組成星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了方便對(duì)每一個(gè)房間進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，提高傳輸準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用樹形簇結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄8]。每一個(gè)樓層設(shè)為一個(gè)分支簇，在樓道中設(shè)置一個(gè)Zigbee路由節(jié)點(diǎn)(負(fù)責(zé)管理本樓層)；每個(gè)房間設(shè)置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)（管理本房間）和若干終端節(jié)點(diǎn)（負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和執(zhí)行系統(tǒng)下發(fā)的指令），每個(gè)房間內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；同時(shí)宿舍內(nèi)安裝有Zigbee控制繼電器模塊，用以控制宿舍電源。所有樓層Zigbee路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器相連。協(xié)調(diào)器通過RS232串口與PC端管理中心相連。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中各部分功能如下：

1）Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要由Zigbee無線通信模塊和傳感器組成。傳感器主要負(fù)責(zé)采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)信息，如氣體濃度，是否有人等。同時(shí)，Zigbee模塊接收上層管理系統(tǒng)傳達(dá)的指令，控制相應(yīng)部件，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行緊急反應(yīng)，如關(guān)閉宿舍電源，開啟樓道應(yīng)急燈等。每個(gè)房間放置了四種終端節(jié)點(diǎn)：煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)，紅外傳感器節(jié)點(diǎn)，溫度傳感器節(jié)點(diǎn)和繼電器節(jié)點(diǎn)。其中煙霧和溫度傳感器主要收集火勢(shì)相關(guān)數(shù)據(jù)，紅外傳感器用來檢測(cè)是否有人存在。房間內(nèi)布放3個(gè)繼電器節(jié)點(diǎn)，1個(gè)控制房間內(nèi)報(bào)警裝置啟動(dòng)與關(guān)閉，另外2個(gè)分別控制房間內(nèi)廣播喇叭的開關(guān)和總電源的通斷。同時(shí)每個(gè)樓層應(yīng)急通道放置繼電器節(jié)點(diǎn)，直接與樓層路由器相連，控制該通道內(nèi)應(yīng)急燈的通斷和樓道喇叭的開關(guān)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)將各自的信息通過Zigbee路由器最終傳遞給Zigbee協(xié)調(diào)器。Zigbee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過串口上傳至管理中心。

2）管理中心主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)所在位置，判斷火情，啟動(dòng)不同的火災(zāi)應(yīng)急方案，同時(shí)存儲(chǔ)此次警報(bào)相關(guān)信息。

3）值班室內(nèi)的報(bào)警裝置與管理中心相連。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，管理中心啟動(dòng)報(bào)警裝置，向宿管人員報(bào)警。

4）若宿管人員無響應(yīng)，管理中心通過短信貓向相關(guān)人員撥打電話，緊急報(bào)警。

5）管理中心與因特網(wǎng)相連，宿舍管理相關(guān)人員可以通過電腦、手機(jī)等終端設(shè)備登錄管理中心，查看有關(guān)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

2.1 數(shù)據(jù)采集流程

宿舍內(nèi)的溫度與煙霧傳感器采集到數(shù)據(jù)之后，通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸至Zigbee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器經(jīng)過RS232串口將數(shù)據(jù)上傳至位于PC端的管理中心，管理中心將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。終端用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問管理中心，進(jìn)而獲得這些數(shù)據(jù)。如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

2.2 控制數(shù)據(jù)流程

當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，管理中心通過串口發(fā)出控制信息到Zigbee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將信息下發(fā)至紅外傳感器和對(duì)應(yīng)繼電器節(jié)點(diǎn)，用以檢測(cè)火災(zāi)區(qū)域是否有人存在和控制房間內(nèi)電源的通斷與樓層應(yīng)急燈的開閉。同時(shí)，管理中心啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。如圖4所示：

圖4 控制數(shù)據(jù)流程圖

3 火災(zāi)分級(jí)應(yīng)急響應(yīng)

大多數(shù)火災(zāi)之所以造成重大的損失，很大原因在于火情發(fā)生時(shí)沒有及時(shí)準(zhǔn)確應(yīng)對(duì)，且不同層級(jí)火情發(fā)生時(shí)，人們往往驚慌失措，造成次生傷害。為了解決此問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了火災(zāi)應(yīng)急分級(jí)處理機(jī)制，對(duì)火情做出及時(shí)判斷和反應(yīng)。

3.1 一級(jí)火情應(yīng)急處理

火災(zāi)發(fā)生初期，一般火情不是很大,大多出現(xiàn)在某個(gè)宿舍。由于大多溫度不是很高，物體表現(xiàn)為陰燃，產(chǎn)生大量煙霧。當(dāng)某個(gè)宿舍的煙霧傳感器檢測(cè)到宿舍在1分鐘之內(nèi)數(shù)值持續(xù)偏高，超出設(shè)定的臨界值，認(rèn)為此時(shí)該宿舍出現(xiàn)起火點(diǎn)，立即在該宿舍內(nèi)啟動(dòng)報(bào)警裝置，啟動(dòng)宿舍內(nèi)紅外傳感器檢測(cè)是否有人存在，同時(shí)向管理中心上報(bào)報(bào)警及宿舍位置，人員等相關(guān)信息。管理中心啟動(dòng)值班室中的鈴聲報(bào)警裝置，同時(shí)值班室中對(duì)應(yīng)該宿舍的指示燈亮，宿管人員能立即知道起火點(diǎn)位置，手動(dòng)按下值班室中的處理火情按鈕，趕赴滅火。當(dāng)宿管人員將火撲滅時(shí)，回到值班室按下火情已撲滅按鈕，關(guān)閉報(bào)警裝置和指示燈。倘若值班室此時(shí)恰好無人值班，學(xué)生自行將火災(zāi)撲滅，學(xué)生可以手動(dòng)關(guān)閉宿舍內(nèi)的報(bào)警裝置。當(dāng)管理中心查詢到在一次火災(zāi)報(bào)警之后，從某個(gè)時(shí)刻起，該宿舍的煙霧傳感器上傳的數(shù)據(jù)陡然下降至低于臨界值，并且至少持續(xù)5分鐘，則認(rèn)為火情已撲滅，管理中心將自動(dòng)關(guān)閉值班室內(nèi)和該宿舍內(nèi)的報(bào)警裝置，熄滅值班室內(nèi)的宿舍指示燈。管理中心將此次火情相關(guān)信息自動(dòng)記錄存儲(chǔ)。

3.2 二級(jí)火情應(yīng)急處理

當(dāng)管理中心檢測(cè)到起火點(diǎn)只有一個(gè)，但是報(bào)警超過某個(gè)時(shí)間段（比如8分鐘），值班室仍然沒有按下火情處理按鈕，說明此時(shí)值班室無人或者已經(jīng)熟睡，此時(shí)應(yīng)急響應(yīng)升至2級(jí)；或者當(dāng)管理中心檢測(cè)到起火點(diǎn)周邊宿舍煙霧及溫度數(shù)值急劇升高，認(rèn)為此時(shí)火情已經(jīng)擴(kuò)散，應(yīng)急響應(yīng)也升至2級(jí)。管理中心自動(dòng)啟動(dòng)該樓層所有宿舍中的報(bào)警裝置和紅外傳感器，向該樓層宿舍組播事先錄制好的聲音“×××宿舍有火災(zāi)異?！?，并開啟該樓層逃生通道和應(yīng)急指示燈，管理中心利用短信貓自動(dòng)給該樓棟宿舍管理人員及相鄰樓棟宿管人員打電話，通知宿管人員及時(shí)處理。如火災(zāi)已被宿管人員或同樓層學(xué)生及時(shí)處理，管理中心關(guān)閉所有應(yīng)急措施，記錄相關(guān)信息。如某個(gè)時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)到火災(zāi)仍未得到有效處理，將火災(zāi)警示級(jí)別升為3級(jí)。

3.3 三級(jí)火情應(yīng)急處理

當(dāng)火災(zāi)觸發(fā)多個(gè)宿舍傳感器發(fā)出信號(hào)，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定的某個(gè)值時(shí)，認(rèn)為火勢(shì)已經(jīng)非常嚴(yán)重了，火災(zāi)警示級(jí)別也應(yīng)升至3級(jí)。系統(tǒng)自動(dòng)開啟所有的逃生通道和逃生指示燈，廣播起火點(diǎn)位置，啟動(dòng)逃生指揮系統(tǒng)，向所有樓棟和校安保部門人員發(fā)送報(bào)警和具體位置信息，開啟所有宿舍內(nèi)和樓道的紅外傳感器，用以知曉某個(gè)位置是否有人。當(dāng)火勢(shì)非常大時(shí)，管理中心自動(dòng)撥打119消防電話，播放預(yù)先錄制好的聲音,比如：學(xué)校學(xué)生宿舍幾棟發(fā)生大火，請(qǐng)求支援等。關(guān)閉宿舍內(nèi)的電源，開啟樓棟內(nèi)的緊急視頻監(jiān)控系統(tǒng)，上傳有關(guān)區(qū)域的視頻圖像。幫助學(xué)生迅速撤離，同時(shí)為后續(xù)的救援提供便利，最大限度減少火災(zāi)損失[9]。

通過分級(jí)響應(yīng)機(jī)制，在不同火情時(shí)啟動(dòng)不同措施，可以最大限度減少學(xué)生恐慌心理，保證學(xué)生安全。

4 結(jié)束語

近年來高校宿舍火災(zāi)安全事故頻發(fā)，給廣大師生造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。在事故發(fā)生時(shí)，需要完備的逃生知識(shí)和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Zigbee技術(shù)的高校宿舍火災(zāi)預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)事故的自動(dòng)預(yù)警和快速響應(yīng)，提高了學(xué)生宿舍的安全性，為創(chuàng)建平安宿舍智慧校園提供了保障。

[1]覃愛平,張彥忠.高校學(xué)生宿舍危險(xiǎn)源辨識(shí)與風(fēng)險(xiǎn)控制[J].教書育人:高教論壇,2014(3):27-29.

[2]漆小鳳，李芳.新形勢(shì)下高校安全問題分析及防范對(duì)策的探討[J].上饒師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（4）：106-109.

[3]章偉聰，育新武.基于CC2530及Zigbee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011(7):84-187.

[4]Edgar H Callaway.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：北京電子工業(yè)出版社，2007.

[5]王曉強(qiáng)，黃寧琳.zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[6]王琴.基于ZigBee的新型智能家居系統(tǒng)的研究[J].湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2015(3):29-32.

[7]張慧，王建華.基于ZigBee的高校宿舍防火防盜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014(6):148-149.

[8]劉賢君,尹克強(qiáng),劉芳.ZigBee在學(xué)生公寓安全監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界,2014(12):35-39.

[9]楊維娜,廖春明.基于普通學(xué)生宿舍的智能火災(zāi)逃生預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].紅河學(xué)院學(xué)報(bào),2011(2):34-36.

圖4 擴(kuò)容前后指標(biāo)對(duì)比示意圖

3 總結(jié)

由于CDMA話音業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不同，同PN組網(wǎng)方式在話音業(yè)務(wù)中能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大覆蓋范圍、減少切換次數(shù)、節(jié)約PN資源等優(yōu)點(diǎn)。但在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中，容易因?yàn)槿萘坎粔?，?dǎo)致用戶感知不良的現(xiàn)象。因此，在CDMA同PN組網(wǎng)方式下，如果要承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)容量進(jìn)行精確的計(jì)算，以及話務(wù)分析，以便做出精確的擴(kuò)容，以在保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)順暢的情況下實(shí)現(xiàn)同PN組網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]舒培煉,任三陽(yáng),蔣招金.京廣高鐵CDMA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造方案[J].電信技術(shù)，2014（6）：88-91.

[2]黃麗,章毅.特殊場(chǎng)景使用同PN技術(shù)[J].電子制作，2013（4）：57-57.

[3]舒培煉,蔣招金,張帆.衡炎高速云陽(yáng)山隧道CDMA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化案例分析[J].移動(dòng)通信，2014(2)：22-26.

[4]郭濤,魏建理.高鐵沿線CDMA無線網(wǎng)覆蓋規(guī)劃與研究[J].移動(dòng)通信，2012(4)：16-20.

[5]竇中兆,關(guān)建明.CMDA20001xEV-DO網(wǎng)絡(luò)高層建筑室內(nèi)外協(xié)同優(yōu)化策略分析[J].移動(dòng)通信，2011(18)：8-12.

[6]張敏,周波.高鐵場(chǎng)景下C網(wǎng)切換時(shí)長(zhǎng)的研究[J].通信技術(shù)，2011(6)：97-99.

[7]周利輝,周君杰,劉春梅.基于室內(nèi)覆蓋的CDMA微型直放站應(yīng)用研究[J].湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(3)：62-67.

[8]華為技術(shù)有限公司.深圳電信CDMA網(wǎng)絡(luò)同PN改造方案[Z].深圳:華為技術(shù)有限公司，2009.

Design of campus dormitory fire alarm and response system based on Zigbee

TANGQi-qi
(Hunan Post and Telecommunication College,Changsha,Hunan,China 410015)

This paper designs a fire alarm and response system of the campus dormitory based on Zigbee.The article introduces the system framework and data direction.By using Zigbee sensors to gather the dormitory data and transmit the data to the management center,the system can achieve real-time fire monitoring,automatic fire judging and emergency response at different levels so as to improve the safetyofthe campus dormitory.

Zigbee;campus dormitory;fire alarm;emergencyresponse at different levels

10.3969/j.issn.2095-7661.2016.04.010】

TN92

A

2095-7661（2016）04-0033-04

2016-09-25

湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校智慧宿管中的應(yīng)用研究”（課題編號(hào)：2015CZ03）。

唐琪琪（1989-），女，湖南邵陽(yáng)人，湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院移動(dòng)通信系助教，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)。