基于云平臺的智慧消防控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牛嘉傲 陳偉利

（吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長春 130000）

1 概述

在“智慧物聯(lián)”“云計(jì)算”技術(shù)高速發(fā)展的今天，消防作為保證人身安全的重要環(huán)節(jié)理應(yīng)引起人們的重視。而目前大多數(shù)消防監(jiān)控方法仍為在消防控制室設(shè)工作人員24 小時值班，這樣的模式在一定程度上執(zhí)行困難，并存在安全隱患。同時現(xiàn)有的火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)存在各個設(shè)施孤立運(yùn)行的情況，不能做到互通信息、及時反饋、協(xié)調(diào)運(yùn)行的要求，反而給消防系統(tǒng)的管理帶來了更多問題。該系統(tǒng)在將基礎(chǔ)消防控制系統(tǒng)靈活優(yōu)化整合的基礎(chǔ)上，還可以實(shí)現(xiàn)自動報(bào)警、監(jiān)控、定位救援、規(guī)劃逃生路線的功能，同時可在云端監(jiān)控，節(jié)省了人力資源的同時也大大提高了火災(zāi)監(jiān)控的效率與精準(zhǔn)輔助消防救援的能力。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方案：

該系統(tǒng)由應(yīng)用層、綜合顯示層與感知執(zhí)行層構(gòu)成。感知執(zhí)行層連接溫度傳感器、感煙探測器等各種探測器組成各個子系統(tǒng)，判斷節(jié)點(diǎn)運(yùn)行情況以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的消防監(jiān)控報(bào)警功能。感知執(zhí)行層可將信息發(fā)送給綜合顯示層顯示在綜合顯示器上并上傳至應(yīng)用層。其中應(yīng)用層由云平臺端與手機(jī)客戶端組成，云平臺端可以實(shí)現(xiàn)對建筑物BIM 模型的建立與發(fā)生火災(zāi)后計(jì)算、規(guī)劃路徑的功能；同時移動設(shè)備也可以接收云平臺發(fā)送的信息從而進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，圖1。

在感知執(zhí)行層各個傳感器模塊發(fā)送存活數(shù)據(jù)包，然后周期性的上傳傳感器的數(shù)據(jù)至綜合顯示層，綜合顯示層的信息也可以與感知層交互，指定子控制器收到后，執(zhí)行相應(yīng)的操作。TCP 協(xié)議把數(shù)據(jù)上傳給ARM CORTEX A9 服務(wù)器，服務(wù)器中的線程1 通過TCP 收發(fā)數(shù)據(jù)，線程2 對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，線程3 開辟共享內(nèi)存，把數(shù)據(jù)實(shí)時放入共享內(nèi)存中，線程4 把數(shù)據(jù)存放在sqlite3 數(shù)據(jù)庫中，同時運(yùn)行BOA 服務(wù)器，通過CGI 程序?qū)eb 瀏覽器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)雙向通信，網(wǎng)頁Web 瀏覽器上實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)與控制功能。在應(yīng)用層：云服務(wù)器進(jìn)行路徑規(guī)劃、BIM 三維建模與zigbee 定位，用來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)逃生與救援功能同時也可與手機(jī)APP 實(shí)時傳輸，同時，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)同步顯示。

消防監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)：基礎(chǔ)的火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控功能是重中之重，提供完善的基礎(chǔ)性保障是智慧消防的根基。本系統(tǒng)將消防監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)下分幾個子系統(tǒng)：（1）火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；（2）風(fēng)控制系統(tǒng)；（3）防火門系統(tǒng)；（4）水控制系統(tǒng)。

3 綜合控制器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇ARM CORTEX A9 處理器，為了接收zigbee 端的定位信息，在服務(wù)器ARM CORTEX A9 的主進(jìn)程中創(chuàng)建多個線程，每個線程單獨(dú)執(zhí)行相應(yīng)功能。線程1 創(chuàng)建TCP 服務(wù)端，接受信息并可以反饋指令。線程2 對接受的信息進(jìn)行歸納處理并存儲。線程3 創(chuàng)建共享內(nèi)存，可以接受從網(wǎng)頁發(fā)來的信息。線程4 首先對串口進(jìn)行初始化，然后每隔80 毫秒從串口接收zigbee 數(shù)據(jù)。線程5對zigbee 信息進(jìn)行分析，計(jì)算出計(jì)算點(diǎn)的信息，執(zhí)行定位功能。結(jié)構(gòu)功能如圖2 所示。

4 BOA服務(wù)器與WEB 頁面設(shè)計(jì)

4.1 BOA 服務(wù)器

本系統(tǒng)在ARM CORTEX A9 上搭建BOA 服務(wù)器，利用綜合顯示屏功能，對工作情況進(jìn)行顯示。BOA 是一種非常小巧的Web 服務(wù)器，其可執(zhí)行代碼只有大約60KB 左右。作為一種單任務(wù)Web 服務(wù)器，BOA 只能依次完成用戶的請求，而不會fork 出新的進(jìn)程來處理并發(fā)連接請求。但BOA 支持CGI，能夠?yàn)镃GI 程序fork 出一個進(jìn)程來執(zhí)行。但經(jīng)過對BOA 源碼的分析可以看出，BOA 服務(wù)器將根據(jù)瀏覽器地址欄中輸入的文件路徑調(diào)用相應(yīng)的CGI 程序或靜態(tài)頁面顯示在瀏覽器中。這種方式使入侵者很容易找到源文件，隱蔽性和安全性極差所以這里在對Boa 源碼進(jìn)行修改。在源代碼判斷是否CGI 程序之前添加判斷：如果文件路徑(req→pathname)的后綴代表本系統(tǒng)指定的靜態(tài)頁面，則將其修改為實(shí)際CGI 程序所在路徑，并更改is_cgi 變量為“CGI”。經(jīng)過這樣修改后，程序會調(diào)用CGI程序的處理函數(shù)init_cgi()，使原本的靜態(tài)請求變成動態(tài)的CGI 請求。

4.2 BOA 服務(wù)器頁面設(shè)計(jì)與功能

4.2.1 綜合定位功能

輸入網(wǎng)站地址可進(jìn)入服務(wù)器首頁，系統(tǒng)可根據(jù)zigbee 定位，實(shí)現(xiàn)上述對被困人員的定位，在綜合顯示屏頁面上顯示人員位置如圖3 綜合顯示屏定位系統(tǒng)頁面所示，便于消防員進(jìn)行救援。

圖3 綜合顯示屏定位頁面

4.2.2 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行顯示功能

STM32 傳感器與CAN 總線設(shè)計(jì)：

本系統(tǒng)中子節(jié)點(diǎn)采用STM32f103，最高工作頻率可達(dá)72Mhz,在存儲器的0 等待周期訪問時可達(dá)1.25DMips/MHZ。系統(tǒng)上電后芯片先進(jìn)行初始化，然后循環(huán)讀取傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確定目標(biāo)ID，封裝數(shù)據(jù)包，通過CAN 總線發(fā)送。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，火災(zāi)報(bào)警控制子系統(tǒng)獲取報(bào)警信號，通過樹莓派發(fā)送信息，控制各個系統(tǒng)動作。在本系統(tǒng)中各個系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，可以保證穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)上電后，CAN 總線進(jìn)行初始化，配置過濾器初始化CAN 總線與數(shù)據(jù)包；隨后根據(jù)狀態(tài)判斷是否發(fā)送總線函數(shù)還是中斷（CAN 總線可以通過兩個計(jì)數(shù)器：發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)器TEC 和接收錯誤計(jì)數(shù)器REC 判斷處在是在主動錯誤狀態(tài)還是被動錯誤狀態(tài)。）如圖4 所示為綜合顯示屏監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)頁面。

圖4 運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

4.3 Web 路徑規(guī)劃頁面

本系統(tǒng)選擇Apache 作為Web 服務(wù)器，Apache 開放源代碼，支持跨平臺并且易與手機(jī)APP 互聯(lián)。安裝Apache 用到4 個文件：httpd、apr、apr-util、pcre-8.40。這樣可以提高并發(fā)進(jìn)程的處理速度與數(shù)量。在路徑規(guī)劃系統(tǒng)頁面的人員位置處輸入著火點(diǎn)位置，該系統(tǒng)即可規(guī)劃逃生路線。

最優(yōu)逃生路線如圖5 所示。

圖5 最優(yōu)逃生路徑規(guī)劃頁面

5 結(jié)論

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智慧消防也應(yīng)登上消防系統(tǒng)發(fā)展的舞臺，本系統(tǒng)對建筑物建立整體BIM 模型，并將每層劃分為普通區(qū)域與逃生區(qū)域，根據(jù)云平臺上傳的消防數(shù)據(jù)并基于Zigbee 可實(shí)現(xiàn)對被困人員的定位并根據(jù)反饋的“著火點(diǎn)”避開火情嚴(yán)重區(qū)域，從逃生區(qū)域規(guī)劃不同的逃生路線，并將逃生路線由云平臺直接發(fā)送至手機(jī)移動端。由此可見，本系統(tǒng)不僅可以幫助人員逃生，還可以統(tǒng)計(jì)建筑物內(nèi)的人員數(shù)量信息，使輔助救援更加高效精準(zhǔn)。在移動端實(shí)時監(jiān)控、及時反饋建筑物運(yùn)行情況可以將火災(zāi)危險降到最低，提高消防人員的工作效率，保證人們的人身與財(cái)產(chǎn)安全。