基于物聯(lián)網(wǎng)的高層建筑消防安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

張文文

(北京市西城區(qū)消防救援支隊,北京 100033)

0 引言

建筑行業(yè)的發(fā)展使得高層建筑逐年增加[1]。高層建筑整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一旦出現(xiàn)火災(zāi)險情,極易造成人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失[2]。為預(yù)防高層建筑火災(zāi),利用監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建消防監(jiān)控環(huán)境以加強(qiáng)對火災(zāi)的防控成為非常有效的方式。

苑香平等[3]通過傳感模塊實時監(jiān)測火災(zāi)信號,將信號的特征參數(shù)按序進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理和算法分析,再利用藍(lán)牙無線透傳與串口通信技術(shù)構(gòu)建微微網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸,并借助于易語言、PC端安卓APP開發(fā)環(huán)境、液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)、啟停功能按鍵等搭建線上線下監(jiān)控報警終端;陳娟娟等[4]采用層次分析法和聚類分析建立文物建筑消防安全評估體系,采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行自動采集,實現(xiàn)評估體系的動態(tài)性,通過指標(biāo)參數(shù)、系統(tǒng)得分標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重系數(shù)自動計算出文物建筑的整體消防安全水平。但上述2種系統(tǒng)的識別范圍有限,監(jiān)控誤差較大,預(yù)警速度較慢。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用,一定程度上可以擴(kuò)展系統(tǒng)的監(jiān)控范圍,提升預(yù)警的速率與效率,從整體上加強(qiáng)系統(tǒng)的預(yù)測能力。不僅如此,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還能融合消防系統(tǒng)的設(shè)置,增強(qiáng)火災(zāi)監(jiān)測設(shè)備的關(guān)聯(lián)程度,及時預(yù)警,充分發(fā)揮火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的作用。基于此,本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),針對高層建筑消防安全需求,設(shè)計高層建筑消防安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分,并通過仿真實驗驗證本文設(shè)計系統(tǒng)的有效性,以期為高層建筑消防安全提供保障。

1 預(yù)警系統(tǒng)總體構(gòu)架

基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計高層建筑消防安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng),包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2方面,系統(tǒng)硬件由DS18b20溫度傳感器和繼電器控制模塊組成,系統(tǒng)軟件由消防交互預(yù)警指令和反向識別監(jiān)控數(shù)據(jù)庫組成?？傮w構(gòu)架,如圖1。

圖1 預(yù)警系統(tǒng)總體構(gòu)架Fig.1 Overall structure of early warning system

(1)數(shù)據(jù)采集和傳輸。DS18b20溫度傳感器可以實時采集高層建筑內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)较腊踩O(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)中。繼電器控制模塊可根據(jù)消防預(yù)警指令,控制消防設(shè)備的開關(guān)狀態(tài),并將狀態(tài)信息反饋到監(jiān)控系統(tǒng)中。這樣,消防安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)可實時獲取高層建筑內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)和消防設(shè)備的狀態(tài)信息,為安全監(jiān)控和預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。

(2)數(shù)據(jù)處理和分析。反向識別監(jiān)控數(shù)據(jù)庫可以對高層建筑內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,提取溫度趨勢和異常變化等信息,并根據(jù)消防安全的需求及標(biāo)準(zhǔn),發(fā)出消防預(yù)警指令。消防預(yù)警指令可以通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)嚼^電器控制模塊,控制消防設(shè)備的開關(guān)狀態(tài),或通過交互界面進(jìn)行人工干預(yù)和確認(rèn)。

2 硬件設(shè)計

2.1 溫度采集電路設(shè)計

采用DS18b20傳感器作為系統(tǒng)硬件的核心感應(yīng)裝置設(shè)計溫度采集電路,設(shè)定電路為復(fù)合電路,接入2個雙控電源,其中一個連接單總線數(shù)字式溫度傳感器,提升系統(tǒng)整體的抗干擾能力[5-7]。在DS18b20傳感器的周圍構(gòu)建一個小型電路,主要對系統(tǒng)周邊的細(xì)小火源進(jìn)行監(jiān)測與核查[8]。

在傳感器的輸出邊緣管腳處關(guān)聯(lián)Zigbee主板,此時的傳感器處于閉合狀態(tài),電路中接入BH1750FVI芯片,設(shè)定覆蓋范圍為0～65535lx;開啟傳感器,將其與芯片形成串聯(lián)的形式,2個裝置之間需要安裝一個16bitAD轉(zhuǎn)換器,用來對電路中的超額電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換,避免在運(yùn)行過程中出現(xiàn)爆電、混電等現(xiàn)象,影響監(jiān)測預(yù)警效果;將光伏板與BH1750FVI芯片并聯(lián),利用初始的GY-30數(shù)字光強(qiáng)度傳感器獲取實時數(shù)值和信息,再加上INA225數(shù)字功率監(jiān)視器的輔助,可更加快速地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合與匯總,以待后續(xù)應(yīng)用。基于DS18b20溫度傳感器的溫度采集電路,如圖2。

圖2 基于DS18b20溫度傳感器的溫度采集電路圖Fig.2 Temperature acquisition circuit diagram based on DS18b20 temperature sensor

在小型的溫度采集電路中再次接入BH1750FVI芯片,調(diào)節(jié)最高電壓為10μV,最大電力增益誤差為0.21%。為避免出現(xiàn)爆電問題,可以在電路中接入一個采樣電阻R1,根據(jù)光伏板的額定電壓,測定其工況電流情況,調(diào)整光伏板的功率為110～230W,待測電流為0～35A,形成動態(tài)的溫度傳感硬件環(huán)境。

2.2 繼電器控制模塊設(shè)計

在硬件體系中安裝一個鋰電池作為核心供電裝置,電路中連接CC2530芯片,與上述的DS18b20溫度傳感器形成串聯(lián)關(guān)系,傳感器內(nèi)置Z-Stack協(xié)議棧。以ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行模塊作為引導(dǎo),與雙控電源相連,形成循環(huán)感應(yīng)的消防安全裝置環(huán)境。將各個區(qū)域關(guān)聯(lián)的傳感器逐一搭接,與CC2530芯片和繼電控制模塊相關(guān)聯(lián),如圖3。

圖3 繼電器控制模塊搭接圖示Fig.3 Relay control module lapping diagram

根據(jù)圖3,可完成繼電器控制模塊的搭接。為提升系統(tǒng)的整體控制靈敏度和覆蓋范圍,接入STM32F103芯片,外設(shè)60MHz的主頻,將所設(shè)定的芯片與USART1串口形成關(guān)聯(lián),聯(lián)通繼電器與變頻器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息的定向交互采集與處理。針對高層建筑內(nèi)部消防結(jié)構(gòu),依據(jù)區(qū)域設(shè)定監(jiān)測預(yù)警的范圍。通過ADC繼電裝置采集電器柜電壓、電流,實現(xiàn)電氣的安全監(jiān)控。

3 軟件設(shè)計

3.1 消防交互預(yù)警指令設(shè)計

以系統(tǒng)硬件設(shè)計為基礎(chǔ),設(shè)計軟件的架構(gòu)體系。基于消防安全的需求及標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建智能交互預(yù)警指令。為提升系統(tǒng)的監(jiān)控預(yù)警效果,可先設(shè)定多目標(biāo)的消防功能層級,搭配對應(yīng)的執(zhí)行模塊,實現(xiàn)全覆蓋式監(jiān)控預(yù)警。通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息傳輸端口,將高層建筑日常的定向數(shù)據(jù)按照特殊格式導(dǎo)入并存放在初始數(shù)據(jù)庫中。采用B/S框架作為引導(dǎo),建立智能化消防監(jiān)控預(yù)警模塊。模塊的應(yīng)用需要目標(biāo)的轉(zhuǎn)換,可在標(biāo)定的范圍之內(nèi),計算出單向轉(zhuǎn)換比,具體見公式(1)。

(1)

式中：

Y—單向轉(zhuǎn)換比;

B1—預(yù)警覆蓋范圍,m2;

B2—嵌入距離,cm;

k—火勢傳播直線距離,cm;

α—交互系數(shù);

η—預(yù)警節(jié)點(diǎn)數(shù)。

通過公式(1)得出單向轉(zhuǎn)換比,明確模塊對數(shù)據(jù)的單向轉(zhuǎn)換范圍。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),形成標(biāo)定的消防安全監(jiān)測預(yù)警層級,每個層級均由測定目標(biāo)及指令支配,通過支配指令將需要下達(dá)的監(jiān)測預(yù)警任務(wù)經(jīng)編制軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換,形成不同類型的單向消防指令,設(shè)定在系統(tǒng)的控制區(qū)域之中,形成智能交互指令集群,與主控結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián),如圖4。

圖4 消防交互預(yù)警指令集群關(guān)聯(lián)圖示Fig.4 Association diagram of fire interactive early warning command cluster

根據(jù)圖4,可完成智能交互預(yù)警指令集群關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。系統(tǒng)可以通過指令集群控制高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部消防安全的監(jiān)測和預(yù)警,結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的智能交互技術(shù),形成更加穩(wěn)定、靈活的執(zhí)行機(jī)制,對于復(fù)雜的建筑環(huán)境,可提升監(jiān)測、預(yù)警效果。

3.2 反向識別監(jiān)控數(shù)據(jù)庫設(shè)計

結(jié)合高層建筑的實際消防要求,構(gòu)建反向識別監(jiān)控數(shù)據(jù)庫。由于監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)存儲空間的要求極高,針對監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)可以設(shè)定數(shù)據(jù)的保存周期,如設(shè)定監(jiān)控數(shù)據(jù)的保存時限為1周,超過時間系統(tǒng)便會自動初始化,消除存儲的數(shù)據(jù),接收后續(xù)的工作。利用智能交互預(yù)警指令,調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)處于可監(jiān)控開放模式,在這種模式下,對于監(jiān)控區(qū)域產(chǎn)生的消防安全數(shù)據(jù)均會被周圍的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)捕捉、采集,匯總整合后,通過特殊格式傳輸回系統(tǒng)中,完成格式轉(zhuǎn)換,導(dǎo)入監(jiān)控數(shù)據(jù)庫之中。

反向識別主要針對中小型火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警,利用反向識別機(jī)制作為引導(dǎo),關(guān)聯(lián)各區(qū)域的識別節(jié)點(diǎn),形成不同規(guī)模的反向消防安全識別網(wǎng),連接物聯(lián)網(wǎng),形成智能化的控制程序,管理人員可采用調(diào)整指令的方式,對細(xì)節(jié)位置的火災(zāi)源頭進(jìn)行反向識別。執(zhí)行指標(biāo)數(shù)值設(shè)定,見表1。

表1 執(zhí)行指標(biāo)設(shè)定Tab.1 Implementation indicator setting

根據(jù)表1,可以完成反向識別監(jiān)測數(shù)據(jù)庫指標(biāo)的設(shè)定,調(diào)整數(shù)據(jù)庫監(jiān)控機(jī)制,以反向識別作為監(jiān)控預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn),形成循環(huán)交互的監(jiān)控結(jié)構(gòu),進(jìn)一步細(xì)化數(shù)據(jù)庫的整體應(yīng)用能力,完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計與搭建。

4 系統(tǒng)測試

為提升測試結(jié)果的精準(zhǔn)性,選擇某高層建筑作為測試目標(biāo)。該建筑25層,以5層為1組,劃分為1-5層、6-10層、11-15層、16-20層、21-25層5個測試組。保持測試過程中溫度、濕度、光線、噪聲、電源和網(wǎng)絡(luò)的一致性,以確保實驗在相同的測試環(huán)境下對系統(tǒng)做出合理調(diào)節(jié)。同時,更改相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù),進(jìn)行實驗對比測試。

4.1 測試準(zhǔn)備

根據(jù)系統(tǒng)測試的要求,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),搭建高層建筑實時監(jiān)測預(yù)警的測試環(huán)境,將該高層建筑的初始監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)整為全覆蓋形式,確?？梢詫崿F(xiàn)對整棟建筑的監(jiān)測和預(yù)警;設(shè)定硬件環(huán)境,接入STM32F103芯片,設(shè)定主頻為90MHz,利用傳輸端口將所獲取的數(shù)據(jù)傳輸至對應(yīng)位置;設(shè)定軟件環(huán)境,依據(jù)特定格式將消防火災(zāi)防范測定目標(biāo)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的指令,利用消防安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對指令進(jìn)行解析,構(gòu)建多層級的監(jiān)控預(yù)警程序。在軟件控制區(qū)域中要增設(shè)一個預(yù)警警示程序。預(yù)警程序指標(biāo)數(shù)值設(shè)定,見表2。

表2 預(yù)警程序指標(biāo)數(shù)值設(shè)定表Tab.2 Early warning program indicator value setting

預(yù)警程序指標(biāo)數(shù)值設(shè)定后,一旦出現(xiàn)火災(zāi),便會形成定向預(yù)警信號,傳輸至對應(yīng)位置,便于管理人員快速疏散人員、及時救援。

4.2 測試過程及結(jié)果分析

利用監(jiān)控裝置獲取基礎(chǔ)的數(shù)值、信息,匯總整合之后,通過傳輸信道以特定的格式傳入系統(tǒng)中。根據(jù)STM32芯片的作用范圍,不斷調(diào)整監(jiān)控的位置,降低監(jiān)控偏差。在系統(tǒng)中下達(dá)測試所用的消防安全防御指令,分別在高層建筑中的5個位置布設(shè)火源,1-5層布設(shè)在電器倉,6-10層布設(shè)在辦公室,11-15層布設(shè)在儲藏室,16-20層布設(shè)在庫房,21-25層布設(shè)在酒店客房。依據(jù)消防安全監(jiān)控預(yù)警流程,測定監(jiān)控預(yù)警狀態(tài),如圖5。

圖5 消防安全監(jiān)控預(yù)警流程圖Fig.5 Flow chart of fire safety monitoring and early warning

根據(jù)圖5,完成消防安全監(jiān)控預(yù)警的測定與分析,測試各個小組的預(yù)警響應(yīng)時間,并與文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)進(jìn)行對比分析,見表3。

表3 預(yù)警系統(tǒng)測試結(jié)果對比分析表Tab.3 Comparison and analysis of early warning system test results

從表3可知,在不同樓層測試監(jiān)控預(yù)警效果,采用文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)時,平均監(jiān)控識別率分別為83.82%、85.93%,平均反向識別誤差分別為0.0551、0.0371,平均預(yù)警響應(yīng)時間分別為4.81s、1.81s,監(jiān)控識別率、反向識別誤差、預(yù)警響應(yīng)時間均高于表1標(biāo)準(zhǔn);采用本文系統(tǒng)時,平均預(yù)警響應(yīng)時間約為0.99s,控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的1.02s以內(nèi),僅1-5層超出0.01s,該值較低,可以滿足應(yīng)用需求。本文系統(tǒng)監(jiān)控誤差小,預(yù)警速度快,針對復(fù)雜的高層建筑,可以獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù),具有實際的應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

由于傳統(tǒng)的消防安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)存在監(jiān)控識別率低、監(jiān)控誤差較大、預(yù)警速度較慢等問題,本文設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的高層建筑消防安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。

(1)通過DS18b20溫度傳感器和繼電器控制模塊設(shè)計系統(tǒng)硬件部分,在系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上,通過消防交互預(yù)警指令和反向識別監(jiān)控數(shù)據(jù)庫設(shè)計系統(tǒng)軟件,連接物聯(lián)網(wǎng),形成智能化的控制程序,采用調(diào)整指令的方式,對于細(xì)小的安全隱患點(diǎn)的火災(zāi)源頭進(jìn)行反向識別,以確定可能存在的潛在火災(zāi)源頭,完成消防安全監(jiān)控預(yù)警。

(2)高層建筑測試結(jié)果顯示,本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的高層建筑消防安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng),預(yù)警時間短,監(jiān)控識別率高,監(jiān)控誤差小,更有利于管理人員快速疏散建筑物內(nèi)人員、及時救援。