基于物联网的家庭消防安全监控系统

◆王菁艺 李斌勇 姚 瑶

基于物联网的家庭消防安全监控系统

◆王菁艺 李斌勇 姚 瑶

（成都信息工程大学网络空间安全学院 四川 610225）

针对居民家庭的消防安全问题，分析了潜在的消防安全隐患。围绕这些消防隐患，提出了基于家庭无线局域网的家庭消防监控与预警的系统方案。在此基础上分析了系统的功能需求，并结合系统需求设计了相应的物联网拓扑结构。为构建家庭消防安全监控系统，分别对传感器模块、ZigBee无线传感网、终端设备和数据中心等进行了详细设计。结合上述模块体系，设计出系统逻辑处理流程。最后按照设计思路，从物联网的角度完成了系统实现。本系统的设计与实现，能为家庭消防安全提供实时监控和及时预警支撑，同时也能有效避免家庭消防事故的发生。

家庭消防；ZigBee；无线传感网；安全监控

0 引言

消防安全问题历来是家庭日常生活关注的焦点之一，其与人民的生命与财产安全息息相关。近年来，随着国民生活水平的提高，家庭内装修材料更加多样化，各种用电设备急剧增加，各种燃气设备的使用更加普遍化，尤其燃气灶、热水器等大功率电器的频繁使用，稍有不慎均可能会导致火灾、燃气泄漏等安全问题，甚至还会引发严重的爆炸事故，使目前许多家庭居住环境面临严重的安全隐患。

同时计算机技术、网络技术和传输技术蓬勃发展，陆续出现了各种无线通信协议标准，从无线广域网到基于IEEE 802.11的无线局域网，以及基于蓝牙和ZigBee的无线个域网。这些无线协议标准将安全监控系统的发展带入了一个新的阶段。尤其是各类设备的互相连接不再局限于有限连接，且具备了良好的移动性能，使得系统对室内拥有更全方位的监控的同时还能满足美观的需求，为解决家庭消防安全监控提供了可行的技术支撑。

家庭消防安全监控系统用于加强家庭消防安全，可实时监控家中的环境数据，包括温度、可燃气体浓度及烟雾浓度等，用户可实时查看各项环境数据，还可以通过更直观的查看图片的方式来了解家中的实时情况，当家中发生火警、燃气泄漏等消防安全事件时，家庭成员可以受到报警信息并及时核实警情，采取相应的措施，避免因发现不及时而造成更大的生命财产损失。

1 系统功能需求

1.1消防监控功能

家庭安全消防监控系统是集ZigBee、计算机、通信和网络等技术于一体的智能化的消防安全系统。室内的实时环境数据通过家庭内部的终端设备通过互联网发送给数据中心，数据中心对数据进行存储、整理和分析，实时监控家中消防情况，给出用户相应的监控数据及分析结果，用户通过互联网可在手机或浏览器端查看实时的室内情况、环境数据，还可发出指令拍摄室内照片，更直观地了解家中情况。

1.2消防报警功能

数据中心接收到用户家中发来的室内环境数据，对其进行存储、整理，数据与预先设定好的阈值比对后，得出目前室内的情况，当数据超过临界值，启动报警系统，数据中心像用户发送报警信息，用户收到报警信息后，可发出拍摄照片的命令进行确定，便于及时采取措施，防止造成更严重的人身财产损失。

2 系统拓扑结构设计（如图1）

感知识别层：主要通过各种类型的传感器对室内物质性质、环境状态等信息开展大规模、长期、实时的获取。本系统中的传感器包括温度传感器、湿度传感器、可燃气体传感器、烟雾传感器、CO传感器、摄像头等。

图 1 系统拓扑结构

网络传输层：这层的主要作用是把感知识别层的设备接入互联网，供上层服务使用。本系统中该层涉及到的硬件设备有CC2530、终端设备、网关、路由器等综合服务应用层：该层的主要作用是对数据进行存储，并将数据高效、可靠地组织起来，在通过各类应用软件为用户提供服务。该层的硬件设备有云服务器、手机、PC机等。

3 系统模块设计

3.1传感器模块设计

该系统的传感器主要包括温度传感器、烟雾传感器及可燃气体传感器等，这些传感器可以实时采集家中环境数据，然后利用ZigBee组网技术，采用星型拓扑结构，先将这些传感器安装到ZigBee终端模块，然后ZigBee终端模块读取传感器数据并发送到ZigBee中央协调器模块，ZigBee中央协调器模块对数据进行读取及封装，并发送到串口。

3.2ZigBee无线传感网

传感器节点散落于被监测区域，以自组织形式形成无线传感器网络，采用星型拓扑结构。各节点收集采集数据，并将数据通过多跳中继的方式路由至信息收集点（sink），最终借助长距离或临时建立的sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。

3.3终端设备

终端设备可以使用PC机或嵌入式技术开发，终端设备安装在用户家中，用来接收无线传感器网络传来的数据信息，即通过串口接收数据信息，并把实时数据信息存储在本地数据库中，如果使用的是嵌入式开发，可使用嵌入式数据库，如果使用的是PC，可使用SQL Server、Oracle、MySQL等数据库。此外，终端设备还需要将数据库中存储的数据发送到数据中心，以便对数据进行进一步的处理。

3.4数据中心

数据中心包含通信服务器、数据库服务器及WEB服务器三部分。终端设备将数据传送给通信服务器，通信服务器接收到传感器数据信息、报警信息或照片信息后，将数据信息和报警信息存储在数据库服务器中，将照片信息发送给用户。同时，通信服务器还可以接收用户发出的拍摄照片的命令，并将这个命令发送给终端设备。用户可通过WEB服务器，使用手机端或WEB浏览器来查询家中实时环境数据，当家中发生火警、燃气泄漏等消防安全事件时，WEB服务器接到报警信息，会立即发送信息给用户。

3.5终端及WEB页面模块

手机终端和WEB页面是直接面向用户的，用户成功注册后，可以选择在手机终端或WEB页面登录来查看家中实时环境数据和报警信息，也可发出拍摄照片的命令，通过图片查看室内状况。

3.6系统流程设计

如图2所示为消防安全监控系统流程设计图。

传感器信号可以输入到ZigBee终端模块的数据采集端口，使用C语言编程采集这个端口的数据信号及报警信号，以自定义的一种数据格式通过ZigBee协议向位于终端设备的中央协调器发送数据，中央协调器收到数据后按事先定义的协议格式进行封装。程序编译运行无误后，将ZigBee终端模块，ZigBee中央协调器模块通过USB线连接到PC机上，使用IAR将程序下载到这些硬件模块上，通电打开开关后即可进入工作状态。终端设备通过串口从ZigBee中央协调器接收数据信息和报警信息，对其进行存储并通过互联网发送到数据中心，数据中心的通信服务器接收数据，数据库服务器将数据存储在数据库中，手机端开发微信等内置的应用小程序或Android及iOS版本的APP，然后再进行前端页面及web系统开发，用户通过手机端和web浏览器访问web服务器，即可获取所需信息。

图2 系统流程设计

4 系统实现

图3 系统登录页面

如图3所示为系统登录页面，只有通过验证的用户才有权限查看和控制家庭消防安全监控系统。

如图4所示为系统的立体监控实现模块，其主要通过红灯警报、黄灯预警和绿灯安全三个模块来支持物联网监控与预警，用户可在此页面全方位地查看室内概况，及时掌握家庭室内的消防安全状况。

图4 首页

图5 数据页面

如图5所示为系统数据页面，用户可分别查看各房间对应传感器的实时数据和历史数据，并提供各传感器详细信息查看，以便进一步掌握家庭消防相关的历史状况。

5 结束语

本文所研究的家庭安全消防监控系统，着重点为消防安全，各种硬件软件的设计与安排均是围绕消防安全而展开，尤其是对室内消防环境进行全方位的监控，为解决无人化的家庭消防安全监控提供了可行的技术应用支持。

然而家庭安全涉及诸多方面，未来还有更多工作有待进一步研究。由于各硬件设施和网络基本完备，未来可考虑对系统进行拓展。例如部署室内空气监控模块，尤其是增加测量甲醛、苯等有毒有害气体浓度的传感器节点，用户便可实时掌握家庭室内空气状况。此外，防盗也是家庭室内安全的另一关注点，对此可在现有设施的基础上在门窗附近安装几个红外线传感器和门磁传感器节点，当室内无人或用户在室内处于睡眠状态时将这些节点开启，当有人进入时便会触发红外线传感器和门磁传感器，迅速响起警报并发送报警信息给用户，以便用户及时采取应对措施。

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四川省教育厅重点项目(17ZA0069)、成都信息工程大学科研基金资助项目(KYTZ201618)。