关于联网型独立式感烟火灾探测器应用的思考

谢景荣，李宁宁

(1.陕西省消防总队，陕西 西安 710018； 2.公安部沈阳消防研究所，辽宁 沈阳 110034)

关于联网型独立式感烟火灾探测器应用的思考

谢景荣1，李宁宁2

(1.陕西省消防总队，陕西 西安 710018； 2.公安部沈阳消防研究所，辽宁 沈阳 110034)

联网型独立式感烟火灾探测报警器的全面推广应用，是有效防范“九小场所”以及社区、农村居住场所火灾，尤其是遏制养老服务机构及居家养老、“空巢老人”、分散养老特困人员等弱势人群居住场所火灾的一个有效技术手段。分析了目前联网型独立式感烟火灾探测器的技术现状，并以WiFi型独立式感烟火灾探测器为例，提出联网型独立式感烟火灾探测器的总体设计方案、硬件系统及软件系统的实现过程，将为减少火灾事故、有效遏制“小火亡人”高发频发的势头起到积极的作用。

独立式感烟火灾探测器；联网；消防安全

2015年，公安部、民政部、住建部、保监会、老龄办、残联等国家六部委联合下发《关于积极推动发挥独立式感烟火灾探测报警器火灾防控作用的指导意见》(公消〔2015〕289号)，要求各地充分认识独立式感烟火灾探测报警器在火灾防控中的重要作用，鼓励加大推广力度，有效减少火灾事故发生。通过在全国各地推广应用独立式感烟火灾探测器，对稳控火灾形势起到了一定的作用。但是从近几年全国火灾形势来看，社区、农村居(村)民居住场所以及“九小场所”(小商场、小学校、小医院、小餐饮场所、小旅馆、小歌舞娱乐场所、小网吧、小美容洗浴场所、小生产加工企业)火灾高发频发，尤其是这些场所“小火亡人”事故多。2017年春节后的1个月时间，全国居(村)民居住场所共发生火灾1.3万余起，死亡117人，分别占火灾总起数和亡人总数的45%和66%，“九小场所”的火灾起数也一直居高不下。分析具体原因，一方面与这些场所火灾发生后报警晚、居住人员未及早采取灭火自救措施有很大关系，另一方面是这些场所中有的虽然安装了独立式感烟火灾探测器，但使用非联网型的居多。这种探测器无法向外传递报警信号，虽然本室人知道，但仍不能避免“楼下着火，楼上亡人，楼上着火，楼下遭殃”的后果。尤其是随着人口的老龄化，居家养老、“空巢老人”、分散养老特困人员家庭内，行动不便、反应慢的老人即使听到报警，仍无法采取及时有效的灭火措施。联网型独立式感烟火灾探测报警器是基于WiFi、Zigbee、GSM、大数据、云计算等物联网技术提出的，使独立式感烟火灾探测器的作用发挥更加完善与可靠，大大提高了此类场所的火灾早期预警水平。

1 技术现状

随着物联网技术的应用，目前无线火灾报警系统联网的主要技术为：433 MHz射频、Zigbee和GSM。其中433 MHz射频通信技术采用的波长较长，具有信号绕射能力强、受障碍物干扰影响小的特点，一般情况下可以做到点对点通信，室内应用距离约50 m左右，与Zigbee和WiFi的2.4 GHz通信以及GSM的900 MHz至2.0 GHz通信相比，具有很大的优势，而且433 MHz射频通信技术设备的单个成本与系统整体成本都较其他方式低廉，架设简单。因此，对于建筑规模小，具有多个房间的场所，如“九小场所”，基于433 MHz射频通信的无线式火灾报警系统可以作为应用首选，但是要发挥好系统的优势，仍要借助WiFi或GSM通信网络实现系统对外通信。Zigbee技术在具有大规模节点无线传输需求、且对信号传输及时性要求不高的场所应用比较广泛，但在建筑规模小的场所火灾探测方面，其大规模的优势特点无法得到发挥，反之由于其属于通用Mesh协议架构，协议复杂度高，维护难度大。GSM技术是手机移动通信网络技术，特别适宜远程通信，在探测器分散距离较大，或者系统内点数较少且需要远程传输的场所非常适宜，缺点是SIM卡运营成本较大，每个探测器都需缴纳流量费用，而且在建筑内手机信号无法穿透的地方不能通信。

目前在物联网、智能家居等领域前瞻性研究方面，除比较先进的5G无线传输技术外，还有IPv6及 NB-IoT技术。IPv6除了可以使接入速率更高、传输和处理速度更快外，由于地址资源丰富，每个探测器都可以有一个唯一的IP地址，这样就可以实现地址溯源，进行网络对象身份识别和访问授权，能够实现安全传输，也使网络对每个联网对象的控制更加精细，提供有序的管理、有效的运营和及时的维护。NB-IoT技术目前还没有正式商用，在联网型独立感烟火灾探测器的使用上，NB-IoT具备三大优点：一是覆盖广，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20 dB，覆盖面积扩大100倍；二是具备支撑海量连接的能力；三是功耗更低，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年。这两种新技术的发展对于改进接入物联网的独立式感烟火灾探测器也会起到重要作用。因此，在推广应用联网型独立式感烟火灾探测器时，应根据应用场所、对象、运维方式的不同，选择适合的无线组网方式。同时，应紧跟5G、IPv6、NB-IoT等技术发展动态，使联网型的独立式感烟火灾探测器更加完善。

2 技术实现

2.1 总体方案设计

联网型独立式感烟火灾探测器设计的总体结构主要包括：核心主控芯片STM32，红外烟雾探测模块，声光报警模块和无线传输模块。当红外烟雾探测模块检测到火灾烟雾时，会将报警信息发送给主控芯片，并由主控芯片向报警模块发出声、光报警信号。同时，报警信息通过无线传输模块发送给用户或控制中心。无线传输模块可以用目前被广泛使用的通信协议，例如WiFi、Zigbee、Bluetooth等。本设计以WiFi无线传输模块为例。系统模块结构如图1所示。

图1 系统模块结构

2.2 系统硬件设计

2.2.1 红外烟雾检测电路设计。这部分电路主要由红外传感器和主控芯片STM32通信连接，通过传感器接收数据，由主控芯片完成烟雾浓度检测及判断算法，定时检测浓度是否超标。电路设计框图，如图2所示。

图2 红外烟雾检测电路框图

2.2.2 声光报警电路设计。此部分电路主要用于在检测到烟雾浓度异常或电池低压时，发出声、光报警信号，对附近人群起到提示警告作用。电路设计框图，如图3所示。

图3 声光报警电路框图

2.2.3 WiFi无线传输模块设计。本无线模块设计基于ESP8266无线模块，通过串口与主控芯片通信，在发生报警时，主控芯片会通过WiFi模块发送信息给用户或控制中心。如图4所示。

图4 WiFi无线信息传输电路框图

2.3 系统软件设计

2.3.1 烟雾检测软件设计。程序开始时，先进行初始化操作，之后进入休眠。定时开启检测烟雾，当烟雾浓度超标时，发出声、光报警信号。具体软件流程，如图5(a)、(b)所示。

(a)主流程

(b)烟雾检测流程

2.3.2 无线通信软件设计。当主控芯片检测到烟雾浓度异常时，将烟雾报警通知信号通过WiFi发送给用户或控制中心。具体软件流程，如图6所示。

3 应用效果

从2016年6月起，在某公司的办公楼、宿舍以及部分出租屋共安装基于WiFi的独立式感烟火灾探测器531个，信号收集器74个，管理面积共计9 388 m2。

经近1年的运行，系统运行状态良好，如表1所示。表1中存在误报率的主要原因是出租屋内存在在探测器下做饭的情况，目前已解决。故障率主要是电池问题、设备自身故障以及信号收集器由于断电存在的探测器掉线问题，由于“消防云”系统的存在，可以及时发现故障，及时解决，保证系统的可靠运行。通过小面积的试点证明，安装基于WiFi的独立式感烟火灾探测器，可在火灾发生的初期阶段发现火灾，并通过无线通信的方式联动响应，对周围的报警器进行预警，提示人员进行疏散，同时可以通过移动设备通知管理人员及相关部门帮助人员进行疏散，及时把火灾告知该区域内相关人员。

图6 WiFi无线通信软件流程图

表1 系统运行统计表

4 前景与展望

联网型的独立式感烟火灾探测报警器的检测信号可传入区域云端服务器或远程云端服务器的“消防云”，供物业管理部门、消防技术服务机构或公安机关消防机构指挥中心对信号进行监管，实现对保护场所的实时监控，及时把火灾告知该区域内相关人员，还可为消防救援人员和火因鉴定人员提供相关信息支持。此外，通过对云端大数据的处理与挖掘，可为研发新产品、提升产品性能提供数据支持，也为相关部门制定政策法规及标准规范提供依据。由于不需要布线施工，目前的家庭住宅及各类小场所增设联网型的独立式感烟火灾探测器非常方便，便于大面积推广及使用。推广实施后将使全国家庭住宅、各类小场所的火灾防控工作提升到新高度，产品的生产企业不仅可提供“互联网+”时代的高端产品，还将提供可持续大数据时代的相关服务，拉动地区经济，提高地区安全等级和地区服务产业等级，为城镇建设提供安全保障。

[1] 关于积极推动发挥独立式感烟火灾探测报警器火灾防控作用的指导意见：公消〔2015〕289号[Z].2015.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.独立式感烟火灾探测报警器：GB 20517—2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[3] 郭键，王汝琳.火灾探测技术的现状及发展方向[J].辽宁工程技术大学学报，2004，23(2)：208-210.

[4] 疏学明，袁宏永，赵建华．光电探测器及其在火灾探测中的应用[J]．消防科学与技术,2002，21(1)：31-33.

[5] 李鹏.光电感烟火灾探测器的结构设计[J].消防技术与产品信息,2008(9):46-47.

[6] 单夫来.智能型光电感烟火灾探测器的设计[J].建筑设备控制与管理,2008,2(4):73-76.

[7] 孙爽．点型光电感烟火灾探测器的灵敏度[J]．消防科学与技术，2002，21(6)：39-41.

[8] 王殊，窦征.火灾探测及其信号处理[M].武汉：华中理工大学出版社，1998.

(责任编辑 李 蕾)

Thoughts on the Application of Networked Stand-alone Smoke Detectors

XIE Jingrong1, LI Ningning2

(1. Fire Corps of Shanxi Province, Xi’an 710018, China; 2. Shenyang Fire Research Institute of the Ministry of Public Security, Liaoning Province 110034, China)

The wide application of networked stand-alone smoke detectors is an effective means to prevent fires in “nine small places”, communities, and rural residential places. In particular, it is an effective measure to curb fires in the residential areas with vulnerable people, such as pension service institutions, home care, empty nest elderly, and decentralized poor old people. This paper analyzes the technical status quo of the networked stand-alone smoke detectors, with stand-alone smoke detectors with WiFi as an example, and proposes the implementation process of overall design, hardware and software system for networked stand-alone smoke detectors in order to decrease fire incidents and effectively curb the high frequency of small fires causing casualties.

stand-alone smoke detectors; network; fire control safety

2017-04-16

谢景荣(1974— )，男，陕西凤翔人，高级工程师； 李宁宁(1979— )，女，山东宁津人，副研究员。

TU892

A

1008-2077(2017)08-0059-04