湖南信息学院电子信息学院 陶曾杰 宋春雨 唐 培 卜 沉

1 引言

2018年3月25日，俄罗斯西一家名为“冬季樱桃”的购物中心发生了重大火灾，此次火灾造成64人死亡，50多名伤者送医[1]。近几年，我国每年发生火灾约4万起，死亡2000人左右，伤残约3000-4000人，每年火灾造成的直接财产损失达10多亿元[2]。从火灾发生的场所分析，住宅和人口密集的场所发生的火灾造成人员的伤亡率最高。

我国在消防领域做了大量的技术推进，在大、中型建筑及公共场所安装了用以预防火灾事故发生的火灾探测报警系统，但大多数火灾报警控制器以MCU为核心，处于独立使用阶段，火灾探测器及联动装置很少配合实现火灾自动报警及联动功能。要想发生火灾时，能够迅速地控制火灾，将火灾造成的损失降到最低程度，这需要增加消防现代化设备投入的同时，更重要的是用高科技含量高、反应速度快的联网管理监控系统，本系统利用物联网技术设计的火灾报警控制系统能解决上述问题。

物联网（Internet of things简称IoT）是通过将各种信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换、信息通信和信息处理，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[3]。物联网是在互联网基础上发展而来，具有全面感知、可靠传递、智能处理三大特征，此三大特征对于火灾的感知、监控具有全面迅速地作用。

2 系统总体设计

该报警控制系统根据物联网的三层体系结构来设计，主要包括感知层的数据采集、网络层的Internet和移动通信技术数据传输、应用层的数据存储与处理等。整个火灾报警监控系统以火灾报警控制器为中心，该控制系统整体结构见图1。通过在传统火灾报警控制器内嵌入网络或GSM模块，使火灾控制系统得到升级。当火灾发生时，物联网感知层即温度传感器和烟雾传感器等将数据传送到火灾探测器，火灾探测器做出分析在现场以声光形式做出预报警，并把相应数据传递到火灾报警控制器，火灾报警控制器将相关火警信息转发到物联网网络层即因特网或蜂窝移动网上，数据传送到应用层，应用层为业主手机端、物业平台或消防局，即实现物业或消防联动。

图1 火灾控制系统结构图

从火灾控制系统结构图得出，火灾报警控制器是整个火灾控制系统的核心，起着承上启下的桥梁作用，负责探测器的信号的存储转发、同时执行应用层云端下达的控制命令。无论是火灾报警信号、故障信号还是巡检正常，火灾报警控制器都将通过网络层实现与应用层通信，应用平台则可以实时了解到各个火灾报警器的运行状态，掌握现场情况[4]。

3 系统硬件设计

按照图1的火灾控制系统结构图，系统硬件主要由监控主机、移动终端、传输网络、火灾报警控制器、探测器和执行机构等组成。

3.1 应用层硬件设计

物联网应用层相当于人的大脑，主要对网络层输送的数据进行处理，提供信息服务，满足用户的需求，关键性技术主要有大数据、云计算等。该系统应用层硬件主要是移动终端设备和监控主机，移动终端设备主要是业主手机；监控主机硬件由PC服务器组成，操作系统采用Windows10，监控主机主要接收网络层传送上来的数据，并实时存储处理分析，当数据出现异常，将进一步查看相应地点的监控数据确认火灾的发生，第一时间下达控制命令，同时将与消防物业联动，向消防部门和物业发出报警信号等。

3.2 网络层硬件设计

物联网网络层相当于人的神经中枢，通过网络层将感知层获取的信息进行传输，信息高速路，是架设在感知层与应用层的信息通道，关键性技术主要有互联网、移动通信、Wi fi、ZigBee等[3]。本系统网络层硬件分为两种，一种是采用有线传输，借助于光纤到桌面的互联网设备；另一种是无线传输，借助于基站的移动通信设备。

3.3 感知层硬件设计

物联网感知层相当于人的感官，利用RFID、传感器、GPS定位等技术随时随地识别物体，采集信息，实现对物理世界的感知，关键性技术主要有RFID、传感器、GPS定位、嵌入式系统等[3]。本系统感知层主要完成火灾现场对环境的感知及现场预报警，向网络层发送采集到的数据，接收来自网络层的控制指令。硬件主要有两大模块组成，即火灾控制器和探测器及执行机构，感知层硬件结构见图2。

两大模块的微控制器都选用的是ATMEL公司的AT89C55WD单片机，自带看门狗功能，带20k的程序存储器，它是整个感知层硬件的核心，一是对传感器发送来的输入数据进行必要的计算和处理工作，二是火灾控制器通过串行口发送数据，并以TCP/IP数据方式传送到应用层[5]，同时通过GPRS将火灾信号以短信的形式发送到业主手机上。

图2 感知层硬件结构图

3.3.1 火灾探测器及执行机构

火灾探测器及执行机构是感知层负责对现场信号的监测和实时声光报警以及切断电源操作等，主要由信号检测、微控制器和声光报警等模块组成。

（1）信号检测模块

检测模块检测的信号主要有火灾发生时产生的烟雾浓度、CO2气体和环境温度。烟雾浓度的检测根据火灾发生的不同地点，选用了不同类型的探测器，如小区地下车库、楼梯间和走道选用的是光电感烟火灾探测器，住宅的客厅和卧室采用独立感烟探测器，厨房安装点型可燃气体探测器[6]；CO2气体的检测采用S-100 CO2传感器；环境温度的检测采用DS18B20数字式温度传感器。

（2）声光报警及执行模块

各信号检测模块检测到的数据经过放大滤波、A/D转换等将传送到现场微控制器中，微控制器对这些数据存储处理传送，当超出预定值，在控制现场将进行声光报警和执行控制命令。报警方式主要通过LED指示灯和蜂鸣器进行声光报警，不同故障对应不同的报警指示灯。同时对报警值还进行了延时确定，若它们超出设定的延时时间，微控制器便会输出执行信号来关闭现场总电源开关，即延时断电，同时启动消防水泵， 提供消防用水来灭火。

3.3.2 火灾控制器

火灾控制器主要负责对火灾探测器传送来的数据进行网络传送，采用微控制器+以太网控制器+GSM的嵌入式服务器模式，功能相对简单。其硬件主要由五个模块构成：微处理器控制模块、串口通信模块、以太网通信模块、GPRS模块、看门狗模块[5]。其中串口通信模块主要负责火灾探测器与火灾控制器之间的通信；工业中通常以以太网为基础，实现与Internet的互联等。

4 软件设计

系统软件设计主要包括三部分内容：一是火灾探测器及执行机构的软件设计；二是火灾控制器的软件设计；三是应用层的软件设计。

火灾探测器及执行机构的软件设计主要包括信号的A/D转换、报警处理和串行通信等。信号的A/D转换主要对采集到的烟雾浓度模拟信号通过程序转换为数字信号；报警判定是软件设计中的较重要部分，它通过对传感器传送上来的数据进行分析、比较、判断并转入相应的子程序，如果所接收到的数据超出设定值就以声光报警的形式提醒现场；转换后的数据将通过串行口传送到火灾控制器端，主流程图见图3[4]。

图3 探测器端信号判定及通信主流程图

要执行与连接Internet相关的功能，就要实现TCP/IP协议。由于嵌入式系统资源有限，系统实现了简化的TCP/IP协议。本系统中，数据链路层上采用RTL8019AS来实现，为了保证通信的正常运行，系统还采用了ARP应答协议。网络层上采用IP协议，还采用了能报告数据传输差错等情况的ICMP协议；传输层采用传输控制协议TCP；应用层传递来自以太网和数据终端的数据，并对数据报作打包拆包处理[7]。

火灾控制器软件设计主要包括芯片的初始化、驱动程序、协议栈以及网络配置程序。初始化的主要任务是设置微处理器和外围芯片的工作方式和端口配置等；驱动程序主要针对以太网接口芯片RTL8019AS而编写，用于选择工作方式和缓冲区的分配；网络配置程序主要是给系统分配IP地址和域名[4]。

对于基于物联网的火灾报警控制系统来说，应用层云平台要能接收网络层传送上来的数据，对这些数据进行存储分析处理，并向消防主管部门报警和提供发生火灾的地点具体信息等；各网络用户也可以通过Internet访问应用层服务器查询系统内各单位的火灾实时监控信息或历史火灾信息等功能。

5 结束语

本文设计的基于物联网技术的智能火灾报警控制系统，从现场信号的检测、现场报警到数据的网络传送，使得原有的单一的火灾报警控制器提升为网络火灾报警控制系统，实现了火灾探测器、火灾现场的网络化；使得火灾报警控制系统更加快速地探测，多角度多层次的火灾监控，提高了报警的准确性，增强了智能化处理能力。