独立烟感报警监控与辅助值守系统设计＊

张云明，刘毅

独立烟感报警监控与辅助值守系统设计＊

张云明，刘毅

（中国人民警察大学，河北 廊坊 065000）

针对住宅和分散的小微场所火灾防治和监督管理问题，探讨了基于窄带物联网的独立烟感报警器联网管理技术方案。开发了独立烟感报警监控与辅助值守系统，阐明了系统设计思路，开展了系统软硬件架构设计和功能设计，完成住宅小区和城乡结合部两类典型建筑场所功能设计和应用研究。

独立烟感报警器；窄带物联网；智能监控；通信技术

1 引言

随着国民经济的快速发展，人们的安全需求也日益强烈，生产生活各个领域的安全设施也逐渐普及。按照国家法律法规和技术标准要求，中国大型公共建筑、人员密集场所和高危险性工厂仓库等场所均装设有火灾报警和固定灭火系统，而大多数住宅和分散的小微建构筑物无相关依据和管理措施[1]。

近年来，由于“小火亡人”的现象时有发生，“三合一”和住宅场所的火灾危险性越来越大，为了应对这些问题，独立式烟感报警器在小微场所得到大力推广和应用[1]。由于独立式报警装置缺少集中监管，设备无人值守，因此又存在误报频繁、故障不易发现、维护费用高等诸多新问题[2]。

为了解决独立烟感报警器的管理和使用问题，同时避免基于Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等高速短距通信技术在大范围分散系统使用中的弊端[3]，按照低成本、低功耗大范围网络化远程集中管理基本思路[4]，以窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）低功耗广域网蜂窝数据连接技术为支撑，提出基于NB-IoT的独立烟感报警集中监控与辅助值守系统。

2 系统设计思路

系统以分散布置的独立烟感报警器为硬件基础，通过加设NB-IoT模块，实现独立烟感探测器网络化，利用“智慧消防”运营监控中心系统平台，构建一套基于NB-IoT技术的烟感探测集中管理与辅助值守系统，从而最大限度地解决三级消防单位和“九小场所”火灾防控存在的问题[5]。对火灾隐患较大的小微场所采用新的窄带物联网技术进行实时监控，随时了解监控场所火灾隐患状况。在棚户区、宿舍、出租屋、养老院、木质建筑等监管弱、小火多、易亡人场所安装NB-IoT智能烟感报警器，火灾发生初期，系统自动通过语音、短信或软件消息推送向附近业主、物业、社区、微型消防站发出警报，预警火灾或者指导在场人员逃离火灾现场[6]，安全管理人员也可以第一时间到场查看、处置扑救和疏散人群，充分调动基层社区群众力量。该系统上行连接物业、微型消防站的消防管理层，下行连接NB-IoT的独立报警终端，所接收的报警信息被确认为火警后，还会直接发送至智慧消防监控中心，从而帮助专业消防人员处理火情。该系统还可以为一二类重点消防单位消控室人员提供监控，通过该系统管理人员可随时查看消控室人员的工作状态、监管消控室的人员动向，防止值班人员出现溜班现象，切实保障系统的有效运营。建设基于NB-IoT的独立式烟感报警系统，能够为社会单位、物业管理单位和消防部门的实时监督和管理提供高效的管理手段。

3 系统架构设计

本系统按照用户、物业、消防部门三个层次应用需求设计系统硬件和软件架构。

3.1 系统硬件架构

系统硬件架构主要包括前端烟感报警器等传感器、NB-IoT模块、云服务器、应用终端，如图1所示。系统数据的采集主要依靠传统的独立式光电烟感报警器，当报警器检测范围内的烟雾密度达到一定值时，烟雾进入到光电迷宫中，通过光的散射原理，将光束散射到接收光元件上，从而使电路正常工作发出报警。NB-IoT模块主要用于独立传感器的联网，在传统独立烟感报警器网络接口处通过加装NB-IoT物联网芯片，能够将检测到的烟雾信号通过eNodeB基站进行联网，把IoT相关的业务数据发送到IoT平台进行处理。系统利用智慧消防云平台，经由数据库服务器收集、存储从IoT平台上接入的数据，再通过分发系统将相应信息转发至对应业务服务器上进行再处理，最终IoT数据全部汇集在应用服务器上，然后再根据不同对象的要求进行数据处理操作。在用户终端，通过主动查询或被动接收，可以获得服务器发送的告警和指导操作信息。用户终端显示装置主要包括住户手机终端APP、物业等中间消防管理部门的消防报警系统显示以及智慧消防监控中心的终端显示系统。

图1 系统硬件架构

3.2 系统软件架构

系统软件架构分为智慧感知层、传输通讯层、核心网、运营商IoT平台、物联云、应用服务层，如图2所示。其中智慧感知层为逻辑架构的底层，用于部署基础硬件设施包括传感器、低功耗器件、电源、信号处理等。传输通讯层主要负责数据流的传输控制，当传感器被触发后会按照需求产生一定量的数据流。数据流通过基于NB-IoT网络传输到基站之后再连接至因特网或其他外部网络都需要传输层。系统传输核心网NB-IoT是一个可与移动运营商蜂窝网融合的具备高可靠性和安全性的低成本广域网物联网，通过移动公网现有基站升级改造实现NB-IoT数据接入。IoT平台是对物联数据进行存储、加工并提供数据推送功能的对外接口。物联云平台可以为系统管理用户提供设备的管理和监控、设备的检测，以及接警处理等界面功能。系统最高层为系统功能展示和操作的应用服务层，主要提供例如设备监控、报警监控、辅助值守等应用功能。

图2 系统软件架构

4 系统功能设计

4.1 系统服务对象

本系统是一套面向各社会开放的共享服务平台，为了保证系统的实用性和有效性，基于窄带物联网的烟感系统服务对象主要包括社会群众、物业部门和辖区的消防部门。基于NB-IoT技术的独立式烟感报警系统主要为服务对象提供直接的火警信息以及逃生、灭火提示信息。三种主要服务对象火灾时的信息需求如表1所示。

表1 系统服务对象

对象信息需求 用户及时获得火警信息，帮助逃生和减少火灾损失。需要了解的火灾信息包括：火灾是否发生了，如何减少火灾损失，如何尽快逃生 物业获取火灾信息，帮助住户进行逃生和初期灭火。需要了解的火灾信息包括：火灾是否发生，火灾发生的确切方位，周围可用水源及固定灭火设施 消防部门在接收到报警信息后到达火灾现场，了解火场信息。需要了解的火场信息包括：火灾发生部位，火灾持续时间，火灾现场附近可利用的水源

4.2 系统功能模块

4.2.1 巡检及故障跟进功能模块

系统能够实时对管理区域内的烟感报警器和其他消防设备的运行情况进行监测，对检查处的故障隐患，通过信息推送功能实现用户自行设备故障维护和检测，在线跟踪故障排除情况，第一时间对监控范围内的故障设备进行状态监测和更新，有效保证各设备的完整有效[6]。

4.2.2 联动功能模块

系统能够通过接收报警信号对现场的其他监控点的报警器的报警信息进行监控，并且可以通过人工与系统双方同时对火警信息进行确认，以方便其他住户也能够第一时间了解。另外，对已经确认为火警的报警信息能够在系统中及时显示，保证火警的及时、准确[6]，并且可以对火灾现场周围的水源情况进行监控，实时了解动态信息。

4.2.3 管理功能模块

系统根据日常的报警统计，辖区内消防部门再对联网单位进行季度的检查，确认所有的报警信息都得到及时地处理，还能够随时掌握单位建筑消防设备的运行情况和消防控制室人员在岗情况，能够协助消防部门进行不定时防火监督检查，从而提高单位的消防安全管理水平。

4.2.4 监督功能模块

消防部门进行日常的消防监督检查时，需要按照规定到单位现场进行相关的检查，而通过建立智慧消防监控系统，系统能够配合消防部门进行设备监控和人员管理，提供监督部门的监控接口，方便消防监督部门随时登录系统对单位的设备状态和值守情况进行监控和检查。

5 典型场所应用

“三合一场所”“九小场所”一直以来都是小火亡人事故的主要发生地点，系统围绕城乡结合部和住宅小区这两类主要应用场所，通过系统功能应用，设计主要业务流程和应用逻辑。

5.1 住宅小区的功能需求

住宅小区也是目前日常救火中遇到的比较多的火灾类型，由于住宅建筑内没有足够的防灭火设施，对于初期火灾的防控需求非常大，要求住宅小区内能够在最短时间内对火警信息进行识别、警报和处置。因此安装独立式烟感报警系统实施早期探测和防控火灾意义重大。

由于住宅小区的火灾情况的特殊性，需要考虑建筑的密集性及人员的集中性、楼层高度、安全出口的数量和位置等，要使独立式烟感报警系统在小区中发挥更大的作用，必须针对住宅小区的特点设计特殊使用功能，还要结合住宅小区中的住户、物业、消防队三方的协同功能。需要考虑住宅小区里面的建筑模式是建筑群体式的，可以将整个住宅小区里的每栋建筑里的烟感设备都关联起来，形成网络化的管理，再通过小区内的物业和辖区消防队建立起报警管理系统；住宅小区内有灭火设施，考虑灭火设施的位置和使用方法的提示，用户在开启消息推送之后可以获取小区内的固定灭火设施的位置和启用方法，这个功能主要供物业部门和消防队使用，当物业部门到达灾害发生现场之后，可以通过这个提示迅速找到小区内的固定灭火设施和一些基础的消防设施，可以有效地减少火灾的损失。当消防部队到达现场之后，可以与物业部门联合处理火灾，运用固移结合的原则，将固定灭火设施和移动式的灭火设施结合使用，可以使火灾的处理效果更好，同时还需要考虑与物业部门联合处理初期火灾。

5.2 城乡结合部的功能需求

城乡结合部是一种分布在城市边缘地区的一片建筑群类型，这类建筑的分布方式与城市建筑高度集中不同，大多是零散分布的耐火等级建筑。在城乡结合部中由于存在着大量的农村居民和流动人口，人口密集度高、人员组成复杂、可燃物品堆积随意性大，甚至存在“三合一”厂房的重大火灾隐患，而且绝大部分的人员缺乏消防意识。在日常的消防监督检查过程中，由于地形、人口分布的复杂化，导致消防部门对这样的建筑群体缺少相应检查；另一方面，在发生火灾时，由于城乡结合部地理位置具有的特殊性，往往消防队到达现场的时间较长，很多时候消防部队很难对具体的着火位置进行准确的定位和及时扑救。

考虑到城乡结合部的特殊性，通过加装带有NB-IoT技术的独立烟感报警器，实现零散独立式烟感报警器无线网络化，可以为城乡结合部假设虚拟消防中控室，即实现用户对自身的管理，也实现了区域集中管理。

如果要将独立式烟感报警系统应用其中，必须有城乡结合部使用者的特殊使用功能。需要减少误报的功能，因为在城乡结合部中很多时候会由于人们日常烧饭做菜产生烟雾，报警装置在固定的时间段检测到相应的烟雾信号，会严重影响消防队的接出警任务；需要对这些零星的建筑物进行地图监控，可以与电子地图和交通管理部门进行结合，当有其中的一个地方发生火灾后，可以第一时间提供电子地图的优化路线，消防队可以借助这一功能快速到达灾害现场，避免在途中浪费时间；附近的消防水源的管理和利用，当火灾发生时，移动端的软件会同时推送对前期火灾进行控制处理的消息，并且具备对周围的消防水源的提示功能，帮助使用者能够第一时间找到附近的水源；需要与临近的微型消防站联系，形成有效的联动功能，从而能够快速到达火灾发生现场实施初期的灭火救援工作。

［1］李岩，陈硕.“三合一”场所的火灾防控对策［J］.科技创新与应用，2012（22）：327.

［2］丁鸿凯.以“互联网+”实现独立式感烟报警器的智能化［J］.建筑工程技术与设计，2016（22）：2914.

［3］WEN H D，LI W，GUANG Z Y，et al.Design of wireless automatic fire alarm system［J］.Procedia Engineering，2016（135）：412-416.

［4］傅永财.探索大数据思维下的智慧消防［J］.消防科学与技术，2016（12）：1758-1762.

［5］孟琮.将独立式火灾探测报警装置推广到小场所及住宅的技术思考［J］.消防技术与产品信息，2016（5）：64-65.

［6］桓宗圣.智慧消防应用中多设备联动火灾报警系统［J］.电脑知识与技术，2017（3）：77-78.

F273.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.001

2095－6835（2019）24－0001－03

张云明（1979—），男，湖北武汉人，博士，主要从事火灾监控与灭火救援方面的研究工作。

廊坊市科学技术研究与发展计划项目“基于CPS的消防监控与辅助值守装置研发”（编号：2019013069）；武警学院智慧消防专项课题“基于CPS的智能消防监督管理系统研制”（编号：ZHXF2017001）

〔编辑：张思楠〕