基于物联网的智慧消防管控系统设计与实现

周塑镇

摘要：针对传统消防管控系统在传输管控传输指令时，数据量丢失较多，导致管控系统的吞吐率较大，文章设计基于物联网的智慧消防管控系统并进行实现。硬件部分采用芯片STM32F103RC作为核心处理器，设计管控主控器结构，采用8路结构的LED电源驱动电路，构建物联网电路结构。软件部分以SQL数据库作为结构支持，设计消防数据库，以物联网体系架构作为基础，采用自动化的方式，设定管控执行流程，最终实现管控系统的管控功能。准备两种传统管控系统与设计管控系统进行测试，结果表明：所设计管控系统的吞吐率数值63.94%左右，吞吐数据的能力最强。

关键词：物联网;智慧消防管控系统;管控传输指令;执行流程

物联网技术采用射频识别作为信息传感设备，在连接互联网后，实现智能化识别管理。管控系统是指构成管理行为的计划[1]。在管理过程中，利用已存在的权责结构，调配消防管控系统，能够增强消防任务的效率。在消防管控系统中应用物联网技术，利用先进的信息处理技术，综合各项消防信息，不断强化消防监控策略，将原有消防管控系统处理为智慧化消防模式，将各个位置的消防信息处理为网络资源，按照不同的区域建立多种消防数据库，在多区域内建立智慧化管控系统[2]。为此，设计基于物联网的智慧消防管控系统并实现其管控功能[3]。国外研究智慧消防管控系统较早，在嵌入式技术的支持下，使用传感器技术采集各项消防数据，建立智慧控制过程。国内研究智慧消防管控系统较晚，采用了开放式的集成接口，统筹消防管控任务后，实现对消防管控任务的调控。

1  智慧消防管控系统硬件设计

1.1  设计管控主控器结构

消防管控具有调配功能，在设计主控器结构时，采用芯片STM32F103RC作为核心处理器，设计的主控器结构如下图所示：

在上图1所示的主控器结构下，选用AC220V端子作为强电继电器，调配驱动电路为达林顿驱动方式，并控制继电器为反向感应电动势。在继电器与核心控制芯片之间连接一个指示灯[4]。在控制器下层参考平面上，连接一根传输线，将该传输线作为微带线。在控制器的底面设定一个铜面基面，保持主控器零件稳定。无线连接模块内选定50Ω的铜线作为发射天线，在收发天线与主控芯片之间连接一个10K的电阻作为硬件电平转换[5]。为了保持电阻连接线正常连接，在连接线上放置一个10K大小的电阻。在控制主控器的外部干扰时，在连接线与电阻之间放置一个下拉电阻。控制器开关采用光耦隔离的方案，连接前级导通电压后，串联一个1Ω的电阻。在RS485通讯接口处，连接PT4115的3号管脚，采用PWM调节方式，实现对主控器的管控。在设计主控器结构后，构建智慧电路结构。

1.2  构建物联网电路结构

在主控器结构控制下，采用8路结构的LED电源驱动电路，控制电路的驱动功率为8W，采用RA485通讯电路结构连接主控器[6]。

在上述引脚功能下，控制引脚P1.0连接一个物理网型的集控器，连接一个SPI总线后，在总线外部连接4个引脚，并在SCK脚上串联一个8位串行移位寄存器。定义引脚P1.1为互联型接口后，连接一个型号为LM2596S的集成器，在稳定电路的输出电流数值后，固定电路的输出电压数值，平衡电路的精度。连接TCP的端口后，连接一个卡接口，串行一个大容量的储存端口。管控硬件设计完毕后，搭建智慧消防管控系统软件。

2  智慧消防管控系統软件设计

2.1  设计消防数据库

智慧化的消防数据库以SQL数据库作为结构支持，以消防报警信息、用户信息以及功能操作作为管控对象，对应管控字段名称，定义消防数据类型，形成的信息表如下表1所示：

按照上表1所示的数据库信息表处理采集得到的各项管控数据，在物联网型控制器内规定不同消防数据的设备地址，并将识别得到的数据归纳为规约，以数值01的数据包作为消防设备的管控功能码，对应不同的字段，形成多个管控数据包格式。当管控码变换为06时，表明数据库中的消防数据收集完毕。消防数据库结构设计完毕后，实现管控系统的管控功能。

2.2  管控功能实现

在实现管控功能时，使用物联网内的体系架构作为基础，采用自动化或半自动化的方式，设定一个流程执行过程。在该过程内，使用JAVA编程建立一个责任逻辑关系，设定不同的阈值作为等级划分的节点，由消防管控单位负责人确认保密管理制度。在管控系统登录时，根据不同任务的阈值大小，设定管控任务的优先级。在管控内网中接入CoAP服务，利用该服务连接一个VPN网关。为了消除单行消息列队对消防数据交互产生的延误，采用Topic规范的方式下发管控命令，将相同管控时间周期内的指令规范为一个管控下发流程，在每个下发流程内，添加不同的序列号，控制管控指令数据传输过程中产生的数据丢失。当设备端准确接收到数据ACK包之后，采用两次网络握手的方式，实现系统的管控功能。综合上述处理过程，最终完成对基于物联网的智慧消防管控系统的设计与实现。

3  仿真实验

3.1  实验准备

准备两台服务器作为系统承载设备，内置WinServer 2014操作系统后，设定系统的软件运行环境。

調用消防管控的调光控制策略，调用管控系统中的灯光模块，设定灯光的调光参数如表2所示，选定3个LED灯管进行管控，设定灯光的管控方式以及命令发送次数。

在上表所示的灯光参数下，设定灯光的管控方式以及命令发送次数，设定的测试管控命令如下表3所示：

根据设定的管控命令参数，组合不同参数的照明信息进行测量，准备两种传统管控系统以及所设计管控系统进行实验，调试三种管控系统的参数后，对比三种管控系统的性能。

3.2  结果及分析

基于上述实验准备，调用设定的管控命令后，根据数据管控类型获取不同类型的原始数据，设定数据上传周期后，对应管控指令名称，以灯光管控时间周期作为统计周期，向三种管控系统发送10～150k的数据集，以三种管控系统的响应时间作为对比指标，最终实验结果如下表4所示：

由上表4所示的实验结果可知，在三种管控系统的控制下，传统管控系统1平均响应时间在4.4912s左右，管控系统的响应时间较长，传统管控系统2的平均响应时间在6.144s左右，实际的管控时间最长。而设计得到的管控系统的平均响应时间在2.2614s左右，与设计的管控系统相比，所设计的管控系统的响应时间最短。

保持上述实验环境不变，准备500k的数据集作为处理对象，重复上传15次数据集后，以一项数据集作为一次上传方案，统计三种管控系统可接收的数据集，定义管控系统接收到的数据与设定的数据集之比为系统的吞吐率，在三种管控系统处理下，三种管控系统最终的吞吐率结果如下表5所示：

在三种管控系统控制下，重复向管控系统发送相同大小的数据集，根据上述定义的吞吐率数值，计算统计得到的数值，传统管控系统1平均吞吐率在25.83%左右，管控系统的吞吐率最小。传统管控系统2的平均吞吐率数值在42.42%左右，该种管控系统的吞吐率数值较大。而设计得到管控系统的平均吞吐率数值在63.94%左右，与两种传统管控系统相比，所设计的管控系统的吞吐率数值最大，管控系统的吞吐率最大。

4  结语

在物联网技术的发展下，研究构建智慧型的管控系统逐渐成为了研究热点。设计并实现智慧消防管控系统，能够改善传统管控系统吞吐率较小的不足，能够为今后设计管控系统提供研究基础，但所设计的消防管控系统并未对消防设备进行改善优化，在使用性能上还需不断研究改进。

参考文献：

[1]丁雷.基于物联网的智能楼宇沙盘控制系统设计与实现[J].电视技术，2019，43（22）：32-35+75.

[2]连民杰，王占楼，马龙，等.基于物联网的富全铁矿智能生产管控系统开发与应用[J].中国矿业，2019，28（01）：122-128.

[3]汤华清.基于物联网技术的城市消防安全管理监测平台[J].消防科学与技术，2019，38（07）：1031-1034.

[4]王高弟，白皓然，宋晨勇，等.基于物联网的水肥精准管控系统设计[J].农机化研究，2020，42（08）：207-211+217.

[5]王培平，陈朝阳，管佳林，等.基于物联网技术的消防安全管理创新实践[J].工业安全与环保，2020，46（11）：74-77.

[6]邱荣洲，赵健，池美香，等.基于物联网的害虫智能监测系统设计与实现[J].福建农业学报，2020，35（02）：235-242.

Design and implementation of intelligent fire control system based on internet of things

Zhou Suzhen

Baihe County Fire and Rescue Section of Ankang Municipal

Abstract：In view of a large amount of data loss when the traditional fire control system transmits control transmission instructions， which leads to a larger throughput rate of the control system. The paper designs and implements a smart fire control system based on the internet of things. The hardware part uses the chip STM32F103RC as the core processor， designs the control main controller structure， and uses the 8-channel structure of the LED power drive circuit to construct the internet of things circuit structure. The software part uses SQL database as the structural support， designs the fire control database， uses the internet of things system architecture as the basis， adopts an automated way， sets the control execution process， and finally realizes the control function of the control system. Two traditional control systems and designed control systems are prepared for testing. The results show that the throughput rate of the designed control system is about 63.94%， and the data throughput capacity is the strongest.

Keywords： internet of things; intelligent fire control system; control transmission instructions; flow of execution