胡智喜

(常州工学院,计算机信息工程学院,江苏,常州 213032)

0 引言

随着无线传输技术、传感器技术、物联网技术的发展,消防产业也经历了几次变革,目前国内很多小区正逐渐走上智能化的道路[1-2]。

如何通过物联网(IoT)技术建立合理的架构有效地管理城市小区的安全是我国工业界、学术界研究的重要课题。我国每年发生的火灾次数仍很多,很多火灾造成的损失都是触目惊心的。究其原因是消防设备的多样化不能及时采集到问题报警信息的发生并做出快速响应和处理[3]。消防监控和管理仍依赖于特定的场景、安全员、消防设备以及其监管部门,面对小区环境复杂、用户众多、消防设备多样性、物业事务多的环境,传统概念的消防管理无法实现多场景、多系统的信息共享,火警信息难以快速传达和响应[4]。

基于以上现状,本文以IoT技术为载体,建立小区智慧消防系统用于监控、管理整个小区的消防设施,对消防险情做出智慧预警和自动上报。它能够连接现场消防设施、小区监控中心和远程城市消防管理中心,在消防险情状况出现时快速响应,更好地预防和杜绝火灾险情的发生。

1 通用IoT消防系统架构

目前,通用IoT消防系统架构采用终端采集模块和执行器+数据传输模块+IoT云平台+用户层App客户端的整体框架,由微控制器为主控智能终端,外接温湿度传感器、烟雾传感器、电压传感器、管压传感器、蜂鸣报警器和继电器控制喷水装置。采用无线传输技术,使用IoT云平台,结合手机用户App组成。通常情况下,整个IoT消防系统分为终端层、传输层、平台层以及用户层[5]。图1为通用IoT消防系统架构图。

图1 通用系统架构图

(1) 终端层。终端层是整个系统的基础载体,系统终端主要由主控芯片、感知采集模块和终端执模块组成,根据需求可以选用高端Arm-Cortex芯片或者低端8位单片机。现场模块通常包括温湿度传感器、烟雾传感器、电压传感器、管压传感器、蜂鸣报警器、继电器、报警灯、摄像头等,负责数据的采集和命令的执行,使得终端可控、可管、可互通[6]。

(2) 传输层。传输层是整个系统实现通信的基础,是设备可以稳定互通的前提。系统可采用NB-IoT、Bluetooth、LoRa、ZigBee等无线传输技术。这些无线技术有不同的功耗、成本、连接节点数、覆盖范围,可以根据不同的数据采集需求进行选择。合适的无线组网技术的选用可以保证在复杂的外界环境下维持数据的高稳定性和高可靠性[7]。

(3) 平台层。平台层是实现通信管理、数据分析和设备运作的基础,当前可选择的IoT云平台有很多,比如阿里云平台、腾讯云平台、微软云平台等。云平台的特点是平台可以提供灵活高效的数据管理,包括数据采集、分类、结构化存储、调用和数据分析。通过灵活编排的UI界面实现监督管理,同时连接网络模块和用户App协同实现命令下发和数据的传输[8]。

(4) 用户层。为了满足系统更智能、更高效、更便捷的目标,一般提供移动终端App接口,用户可以通过App随时随地获取设备信息和报警信息,及时了解目标区域周边消防设备的状态和隐患。

2 小区智慧消防系统硬件搭建

基于IoT的小区智慧系统硬件部分由现场设备、主控制器、无线传输模块组成。现场设备主要包含温湿度传感器、烟感传感器、管压传感器、电压传感器、继电器(喷水)、蜂鸣器、扬声器、显示屏、摄像头等终端硬件设备。主控制器采用2种处理器。基于Arduino平台的ATmega328,这是8位CPU,主要用于现场信号采集、IO状态读取、温度压力等模拟量的读取。因为采集数据量占用比较大的带宽等资源,如声音、图像和视频数据,所以同时选择了另一款基于Rasp-Berry Pi的ARM Cortex-A72的Broadcom BCM2711的CPU,这是采用64位1.5 GHz四核的处理器,可以满足高端需求。这2种开发平台是很多创客首选的IoT设备开发平台[9]。

对于无线传输模块的选取,基于表1给出的各种IoT无线组网方式、传输距离、传输速度等项目的比较,最终选择了NB-IoT、ZigBee、Wi-Fi的混合组网方式。使用Wi-Fi主要为了传输视频、声音、图像等大容量信息,因为Wi-Fi在速度上具有得天独厚的优势,在小区布置无线路由器的区域可以使用Wi-Fi组网进行通信,用来实时监控目标小区的一些消防重点区域,比如配电室、大堂、安全门等区域的状态。

表1 常用IoT无线组网方式比较

基于以上分析,采用的系统硬件组成如图2所示。现场设备包括低数据量传输的温湿度传感器、烟感传感器、管压传感器、电压传感器、继电器(喷水)、蜂鸣器和高数据量传输的扬声器、显示屏、摄像头等。对于低数据量采集的信息通过Arduino平台选用基础的ATmega328芯片,而高数据量的信息采集通过基于ARM Cortex-A72架构的RaspBerry Pi 4B,其CPU采用博通的BCM2711。这款高性能处理芯片可以轻松地处理视频和声音信息,同时通过其自带的嵌入式Linux系统也可以完成Wi-Fi组网。

图2 系统硬件组成

3 基于Docker的云平台搭建

云平台是整个智慧消防系统网络服务的基石,它负责管理服务器集群资源,分配、调度逻辑和物理资源以提供便于移植的跨平台的应用运行环境。云端底层物理设备即服务器集群,它由现有的基础设施即服务(IaaS)平台提供,在技术上选用基于Docker的容器技术来搭建云平台[10]。

3.1 云平台搭建

基于Docker的容器技术相对于传统的虚拟机技术,具有启动速度更快、占用空间更小、系统性能更强等优点,对于单个服务器单机可以运行上千个容器,而传统的虚拟机一般单机只能运行几十个。所以,在项目中选用基于Docker的容器技术搭建小区智慧消防系统的云平台。

Docker的先进性在于其像集装箱一样的组织软件,可以使资源得到更好的合理利用,更加细致化,运行效率也得到了提升。基于Docker的技术和开源的Kubernetes技术使集群资源虚拟化,通过对容器的编排、调度等服务管理服务器集群资源。在硬件资源的基础上,通过持续集成(CI)、持续交付(CD)等开源技术工具部署镜像仓库,代码仓库在云端构建整个基础设施层,提供应用运行支撑环境。图3为基于Docker的云平台搭建框架结构图。

图3 基于Docker的云平台搭建

3.2 应用构建

图4为基于Docker的小区智慧消防系统应用构建,类似于图1的通用型架构。终端层主要完成消防设备数据的采集,为了便于数据收集,其中使用了二维码标签进行设备识别。云端平台层和现场设备终端层之间通过传输层进行传输,智能嵌入式IoT节点和网关通信基于MQTT协议开发,通过整个智能感知网络在建筑消防设施上部署节点采集信息[11]。消防设备相关的状态和信息,比如开关状态、水压、液位、电量等都会被采集,然后封装成MQTT协议格式传到云端。消防设施信息的识别通过二维码标识可以由用户通过手机App进行识别完成设备的认证、保养、盘点、巡检、维修等信息的采集。基于MQTT协议的数据传输模式使应用层构建模块化更加方便灵活。云端和现场终端的数据传输主要基于NB-IoT和Wi-Fi传输,而ZigBee用于内部节点传输。

图4 基于Docker的小区智慧消防系统应用构建

平台层是在云端资源的搭建形式,采用基于Docker的容器形式搭建。

用户层也称应用层,负责用户界面的交互以及后台数据的接收、处理和存储,向用户提供软件即服务(SaaS)形式的小区智慧消防系统的云服务,主要功能有可视化实时监测、消防设备监控与管理、地理信息系统(GIS)分布信息、辅助决策、智能维保等。整个应用层基于微服务的架构形式开发,这种架构具备稳定性强、扩展性好、扩充灵活的优点。用户接入平台可通过Web、App等形式访问云地址完成服务。

4 与城市消防管理中心的连接

依据城市消防远程监控系统技术规范(GB50440-2007),同时结合现场要求,小区智慧消防系统与城市消防管理中心的连接如图5所示。

前端联网设备对应图4中的现场终端层,在与城市消防管理中心的连接图中它们被划分为两类:监控装置和处理装置。监控装置用于收集消防相关信息,处理装置用于对异常消防状态进行自动处理。

对于小区原有的火灾自动报警设备和消防安全设备,如果带有信息传输线路,则连接信号传输到主线路与小区监控中心连接。对于一些没有网络传输接口的、老旧的消防设施、传感器等,进行改造或者更换,使小区的所有消防设施都能进行物物互联,把采集到的信息上传到小区监控中心。

小区监控中心是小区内部的消防信息管理中心,前端联网设备的信息采集将汇总到小区监控中心。小区监控中心的报警受理系统可以快速上报严重警情到城市消防管理中心,同时通过GIS定位系统自动发送位置信息,使消防管理中心可以快速获取消防报警情况。小区监控中心针对一些重点防控区域通过视频监控系统进行监控,另外监控中心还会收集小区内部的消防设备状况、问题处理情况等数据记录到数据库系统,用于后期数据追溯、查询和分析。

城市消防管理中心指远端消防部门指定的专业消防救援管理机构或经营单位,负责接受报警系统的求助信息并及时做出处理。报警受理系统与前端联网设备包括消防监控装置和处理装置相连,接收报警主机上传的报警和故障信息。城市消防管理中心通过专用网连接小区监控中心报警受理系统获取小区火灾报警信息并连接到城市消防出警中心安排消防救助。信息查询系统连接到公安消防管理部门可通过云端进行消防设备状态或者出警信息的查询。信息服务接口仅提供给特定的管理机构,小区业主可通过PC或手机进行信息查询。

5 系统实施

系统的实施以常州某小区的消防设施和小区消防管理为研究对象,建立基于IoT的小区智慧消防系统。

5.1 Docker云平台的选择

基于项目的稳定、速度和安全性考虑,项目制作的Docker镜像测试选择推送到阿里云Docker管理平台,而不是Docker官方管理平台。

5.2 应用实例

图6是常州某小区的智慧消防系统应用实例图。小区智慧消防系统主界面分为问题反馈、事件处理、定期巡检、设备状态、移动终端数、事件分析和消防安全团队等七大块。

图6 小区智慧消防系统应用实例图

问题反馈用于记录小区出现消防问题的门洞号,需要对比进行消防预防和整改。事件处理远程连接城市消防管理中心,用于记录城市和区域内的消防事件处理数。定期巡检用于记录小区内的消防设备定期巡检的状态。设备状态记录了小区内所有消防相关设备的当前状态,如果有状态异常会自动向小区监控中心发出警报并标红显示。移动终端数为小区用户的App连接情况,可以实时远程观察到小区的消防信息状况。事件分析是对小区告警事件按月和按年进行统计得出小区的消防状况及其趋势线。消防安全团队是负责消防安全和巡检的物业责任人安排。另外,还提供了小区近一年的事件量分析趋势折线图。该小区从2020年1月试用小区智慧消防系统以来累计收到告警信息1231条,当月发生37条,均得到有效处置。

6 总结

小区智慧消防系统主要依赖于不同类型的消防传感器,将消防传感器置于现场感知火灾预警状态和信息,通过IoT接入专网或Internet,通过GIS进行定位以及实时地图预览和观察,对采集到的传感器数据进行分析和处理,尽可能利用现场消防设备自动进行有效的预防、报警和控制。同时,警情信息及时上传到小区安全管理中心和相关职能部门处理。整个小区的消防状态和信息能及时、可靠、安全地呈现在小区安全管理中心,突发警情和消防状况能快速上报远程城市消防管理中心,险情灾情能够自动预警、快速响应,整体上与传统消防处理过程相比能够更迅捷、更有效、更智能地预防和处理火灾事件和火警情况。

本文研究的以IoT技术为载体的新型小区智慧消防系统可以应对和处理多样的小区数据状况,实现小区监控中心与城市消防管理中心的信息共享,使小区的消防问题能够快速得到处理和管控,成为国家消防建设事业的有益补充。