基于物联网的智能火灾逃生系统

张凡 肖勤 彭梓齐

摘  要：在楼宇火灾中，报警系统报警方式单一、现场人员疏散缓慢及救援不及时是造成火灾人员伤亡的主要原因。传统火灾报警系统虽然能实现火情的监测与报警，但不能根据现场火情对人员疏散与火灾救援提供相应辅助。本文针对该问题提供了一个能多方式报警、辅助人员疏散与火灾救援的物联网解决方案。本系统将传感器采集的室内烟雾、求救信号等数据上传至云服务器，在失火时根据用户位置通过云端计算及时为用户提供最短的安全逃生路线，同时系统自动控制室内应急设备动作以及向救援部门发送求救信号报告失火点具体位置，及时合理处理火情，减少人员伤亡。

关键词：物联网  智慧消防  火灾逃生  救援

中图分类号：TU892                           文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）11（c）-0083-04

Intelligent System of Fire Escape Based on Internet of Things

ZHANG Fan1  XIAO Qin2  PENG Ziqi1*

（1.Hunan University of Arts and Science， Changde， Hunan Province， 415000 China;

2.Furong College， Hunan University of Arts and Science， Changde， Hunan Province， 415000 China）

Abstract： In building fires， the main causes of fire casualties are the single alarm mode of the alarm system， the slow personnel evacuating at the scene and the untimely rescue. Although the traditional fire alarm system can monitor the fire condition and alarm， it cannot provide corresponding assistance for personnel evacuation and fire rescue according to the fire situation at the scene. This article provides an Internet of things solution， which can alarm in multiple way and assist in personnel evacuation and fire rescue. This system will upload indoor smoke， distress signal and other data collected by sensors to the cloud server， then it uses cloud computing and provides users with the shortest safe escape route in time according to the user's location in the fire. At the same time， to reduce the casualties， the system will automatically control the actions of indoor emergency equipment and sends distress signal to the rescue department to report the specific location of the fire in order that the fire will be solved timely and suitably.

Key Words： Internet of things; Intelligent fire fighting; Fire escape; Rescue

據有关消防数据统计，2019年共发生火灾4.9万起，死亡642人，高层建筑发生火灾6974起，同比上升10.6%。通过分析，火灾事故常因疏散缓慢以及救援部门无法确定室内火情状况和受困人员分布，致使人员伤亡惨重。

针对当前消防报警产品功能的单一性及报警效果的时效性，通过与火灾现场的实际情况相结合，本文提出了一款智能火灾逃生系统。系统通过传感器网络实时监测建筑内部的火情信息，通过智能终端实现火灾预警，为用户规划逃生路线，为救援、管理人员提供救援路线，以及提供火场人员分布信息等功能，为火灾逃生救援工作开展提供极大地帮助，能够有效地减少人员伤亡。

1  系统设计原理

本系统采用STM32407VET6为主控制器，整体包括感知层、网络层、应用层三个部分，通过感知层传感器网络进行实时环境信息的采集，在网络层通过ZigBee模块无线组网传输数据，结合ESP8266模块与阿里云ECS云服务器进行通信，在应用层的APP终端、PC终端进行状态显示和设备操作。

传感网络通过zigbee终端节点采集室内烟雾浓度、人体红外、求救信号以及出口人数，将数据整合后发给zigbee协调器，主控制器通过串口接收zigbee协调器的数据，根据预先设置的模式控制室内的应急设备，同时将数据传输给云服务器，进行数据分析和终端设备的数据分配，用户端接收数据后将室内火情进行图形化显示以及为救援人员提供受困者位置等信息，在APP终端为用户规划最短的安全路线及失火地点。系统架构如图1所示。

2  系统硬件设计

硬件系统通过烟雾传感器、人体红外传感器、openmv摄像头、求救按钮采集环境信息，由ZigBee无线组网进行数据传输，主控制器负责与云服务器通信及控制语音播报装置等设备，太阳能供电装置作为备用电源确保系统正常运行。系统硬件框图如图2所示。

2.1 数据采集装置设计

MQ-2燃气检测模块具有检测范围广、灵敏度高、响应快、稳定性好等特点，适宜于烟雾和可燃性气体的检测。当检测到目标气体浓度增大时，其输出的电压也会增大，主控制器通过对接收的AD信号进行转换可精确的计算出当前气体浓度。

人体红外检测装置是基于红外线技术的自动控制模块，采用LH1778探头设计，具有灵敏度高、可靠性强、超低电压工作的特点，采用人体红外感应模块监测人员分布，确保了人群的安全疏散。

摄像头使用LBP算法分辨人脸并进行人数监测，LBP算法通过提取局部特征作为判断依据，原理如式（1）所示。

（1）

（xc，yc）代表3x3鄰域的中心元素，它的像素值为ic，ip代表邻域内其他像素的值。将一张人脸照片分为若干子区域，在子区域内根据LBP值统计其直方图，以直方图作为判别特征，可以避免一定范围内图像没有完全对准的情况，同时也对LBP做了降维处理[2]。

摄像头主控采用STM32H7，主频为400MHz，配备了OV7725标配摄像头模组，为提高图像识别的准确性，将openmv固定于出口位置调节颜色阈值，进行人脸检测及人数统计后，通过串口通信将数据传给STM32微控制器，从而根据各出口人数合理控制门禁装置及语音广播，避免了出口堵塞以及提高了疏散速度。

2.2 通信装置设计

ZigBee的网络拓扑结构采用簇状型网络，配置一个FFD节点作为网络协调器后将ZigBee终端节点与路由器节点或协调器节点建立连接，完成好网络组建。数据前4位用于区分不同终端设备，网络路由器将终端设备读取的数据转发至协调器，STM32微处理器将协调器的数据上传至云服务器后完成数据传输。使用ZigBee组网传递传感器信息及控制命令避免了有线传输在火灾现场的弊端，ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法保证了安全性;网络容量大，可容纳65000个设备;时延短，通常为15～30ms，工作频段灵活，适用于大型建筑的消防。

系统无线通信采用ESP8266 WIFI模块与云服务器进行通信，通过AT指令设置模块的工作模式为station模式，复位后发送指令AT+CIPMUX=0启动单连接加入移动网络，通过服务器IP地址连接云服务器，使用TCP协议进行通信。

2.3 处理装置设计

语音播报装置采用DC 5V、1A进行供电，内部带3W功放可满足大部分应用要求，支持FAT16/FAT32文件系统，具备标准3.5音频接口且支持音响和功放连接。STM32微控制器检测到不同区域的火情后加载对应的音频文件，通过控制语音播报模块及时通知火灾附近人群失火地点，解决了传统报警系统盲目报警和无效提醒的弊端，本系统即使火灾发生在凌晨也能唤醒熟睡人群及时撤离。

系统针对火灾受困者跳楼逃生及高楼层用户疏散缓慢等情况设计了逃生管道装置，逃生管道由三个不同材料的织物管构成，外层为防火材料，可以保护用户免受火焰的侵害，中间层是管道的工作层面，疏散者用手撑开管道，可增大身体与管道的摩擦力，延迟降落速度，反之加速，中间层与外层有一定间隙，可以起到隔热的效果。逃生管道装置的设计在减少火灾跳楼事件的同时，增加了逃生方式以及提高了疏散速度。

3  系统软件设计

3.1 桌面端程序设计

桌面端程序使用C#语言进行编写，在程序中使用Microsoft类库与服务器进行socket通信实现远程控制硬件设备，通过添加MySQL数据配置文件使程序能直接对数据库进行增删改查操作。PC端将火场信息进行图形化显示以及对室内应急设备进行远程控制，便于救援人员开展救援工作。PC端效果显示图如图3所示。

3.2 APP程序设计

在APP的注册/登录界面中，通过TCP协议与服务器建立连接，将用户输入的用户名和密码上传至服务器处理，并存储至数据库中，接收到注册/登录成功的信号后自动跳转至登录界面，若信息发生错误则提示注册/登录失败。进入用户界面后，将用户点击的自身位置及图片信息转化为地图数据传送至服务器，经服务器处理后返回地图路线和起火点等数据，然后将其转化为图片信息（canvas）进行图像化显示，APP为不同位置的用户规划最短安全路线以及发送火灾提醒信息有助于及时逃离火灾现场，在APP中增加了显示灭火器按钮，当用户点击后，应用canvas类将灭火器位置显示在地图上，便于及时灭火。

3.3 服务器的设计与部署

本系统采用阿里云ECS云服务器，将C#编写的服务器上传至云服务器中运行，使得PC终端和APP终端在网络连接下都能进行数据传输。使用socket监听所有客户端，在三次握手后，通过TCP协议建立连接，有利于在数据传输中降低死锁发生的可能性，防止数据丢失。

3.4 数据库设计

本系统使用MySQL数据库存储地图数据、用户、管理员以及救援人员的身份信息。避免因应用程序发送多个冗长的SQL语句，导致MySQL数据库存储过程减少了应用程序和数据库服务器之间的流量，数据库接口在存储过程中暴露给所有应用程序，不必开发存储过程中已支持的功能且性能卓越服务稳定，便于维护。

4  结语

本文通过分析影响火灾逃生的因素，并结合火灾现场的具体情况与传统设备进行对比，设计了基于物联网的智能火灾逃生系统。本系统利用传感器实时采集火场信息，通过物联网技术与云服务器进行通信，结合PC终端和APP终端为受困人员和救援人员提供了有效逃生设备和救援工具。

在火灾现场应用本系统，可以准确快速的确定失火地点和求救者位置，为救援人员的营救工作建立了基础条件。本系统性能好，稳定性高且成本低，适合推广使用。

参考文献

[1] 龚志.智能家居安防子系统的设计与实现[D].南京邮电大学，2012.

[2] 张瑛杰，彭亚雄.基于人脸和声纹的多生物特征融合技术研究[J].电子科技，2018（5）：4-4.

[3] 王宇杰.基于ZigBee的家庭火灾报警系统设计与实现[J].电子世界，2020（7）：118-119.

[4] 蔡改贫，邓涛，倪俊.基于手机客户端的智能家居火灾报警系统设计[J].消防科学与技术，2020，39（3）：377-380.

[5] 刘鑫，杨雪.建筑电气火灾自动报警系统的设计分析[J].大众标准化，2020（1）：60-61.

[6] 贺通京.试析高层火灾自动报警及联动灭火系统智能化设计[J].居舍，2019（28）：105+139.