基于物联网的建筑消防设备电源监控控制系统设计研究

摘要：本文针对建筑消防设备电源监控控制需求，设计一种基于物联网的消防设备电源监控控制系统。该系统利用物联网技术，实现了对建筑消防设备电源的实时监测、数据采集、对消防动力设备的远程控制。通过传感器和网络连接，系统可以监测设备的运行状态、温度、湿度等参数，并及时发出警报和采取措施，必要时直接控制消防动力设备，以保障建筑物的消防电源供电安全、稳定。

关键词：物联网；建筑消防；动力设备；监控系统

引言

随着城市建设的不断发展，建筑物的规模和复杂性也在不断增加，建筑消防安全是保障人民生命财产安全的重要任务。而建筑消防设备电源作为消防系统的核心组成部分，其运行状态的监控和管理对于消防安全至关重要。根据调研，现有市场上传统的消防设备电源监控系统通常为独立系统，监控主机一般设置于消防控制室，监控模块设置于消防动力设备端，该系统成本较高，布线复杂冗余，但是建筑通过消防验收后，消防设备电源监控系统往往就会沦为摆设，业主单位要么直接断电，要么对监测报警视而不见。主要是因为传统的监控手段存在着系统独立、无法融合到现有的物联网监控平台、管理不便等原因，无法满足现代建筑消防需求。因此，设计一种基于物联网的建筑消防设备电源监控系统，并考虑在传统的消防设备电源监控系统中增加对消防动力设备的远程控制。

一、系统设计原理

（一）传感器节点设计

传感器节点是基于物联网的建筑消防设备电源监控控制系统中的重要组成部分。为实现对设备的实时监测，可选择高精度的传感器来获取各种参数数据。温度传感器可采用型号为TMP36的模拟温度传感器，其测量范围为-40℃至+125℃，精度为±2℃。湿度传感器可选用DHT22数字湿度传感器，其测量范围为0%RH至100%RH，湿度精度为±2%RH。比传统的消防设备电源监控系统增设温度、湿度传感器，可以有效对设备的工作环境尤其对处于地下室、消防水泵房、屋面消防水箱等处的消防设备进行实时监测。电压、电流等运行状态传感器则可采用霍尔传感器，能够检测消防电源的运行状态等^[1]，可选择性增加控制模块，必要时对消防动力设备进行远程控制。

（二）网络通信设计

在基于物联网的建筑消防设备电源监控控制系统中，网络通信起着关键作用。选择无线通信技术来实现传感器节点与数据中心之间的数据传输，采用的无线通信技术为LoRaWAN（低功耗广域网），其具有广覆盖、低功耗和远距离传输的特点^[2]。在系统中，传感器节点通过LoRaWAN协议将采集到的数据传输到网关设备，网关设备负责接收传感器节点的数据，并通过互联网将数据发送到数据中心。数据传输协议采用MQTT（消息队列遥测传输）协议，以确保数据的可靠传输和实时性。网络架构设计采用星型拓扑结构，其中数据中心作为中心节点，与多个传感器节点和网关设备进行连接。

（三）数据处理与分析

在基于物联网的建筑消防电源监控控制系统中，数据处理与分析是保障系统正常运行和提供决策支持的重要环节。采集到的传感器数据经过数据采集与存储模块进行存储，以确保数据的完整性和可追溯性。数据处理与分析算法主要包括数据清洗、特征提取和异常检测等步骤。通过对传感器数据进行清洗和处理，提取出有用的特征信息，并利用机器学习算法进行异常检测，可以及时发现设备运行异常或故障情况^[3]。数据可视化与报警模块将处理后的数据以直观的图表形式展示，使用户能够直观了解设备的运行状态。

（四）远程控制与管理

相比较于传统的建筑消防设备电源监控控制系统，基于物联网的建筑消防设备电源监控控制系统具备远程控制和管理的能力，通过远程监控与控制模块，用户可以实时监测设备的运行状态、温度、湿度等参数，并远程控制设备的开关状态、调节设备的运行模式等^[4]。远程维护与管理模块提供了对系统的远程维护和管理功能，用户可以通过远程方式对设备进行维护和升级，避免了现场操作的不便和风险。

二、系统实现方法

（一）硬件设计

硬件设计是基于物联网的建筑消防电源监控控制系统中的关键环节之一。在传感器节点的硬件设计中，选择适用于物联网的建筑消防电源监控系统的高性能硬件组件。针对温度监测，选用TMP36温度传感器。该传感器的测量范围为-40℃至+125℃，精度为±2℃。它采用模拟输出方式，输出电压与温度成线性关系，可以通过模数转换器（ADC）将其转换为数字信号^[5]。为了实现湿度监测，采用DHT22数字湿度传感器。该传感器的湿度测量范围为0%RH至100%RH，湿度精度为±2%RH。它还具备温度测量功能，温度测量范围为-40℃至+80℃，精度为±05℃。为监测电源及设备的运行状态，选用霍尔传感器。霍尔传感器能够检测设备的开关状态、转速等信息。它通过感应磁场的变化来实现状态检测，具有高灵敏度和快速响应的特点。在硬件设计中，考虑到传感器节点的供电和通信模块的工作需求，为保证节点的长时间运行，采用低功耗的微控制器作为控制核心，并配备了适当的电源管理电路。通信模块则采用无线方式，如Wi-Fi或蓝牙，以实现与网络的连接和数据传输。

由图1可知，通过选择适用的传感器和配备合适的供电和通信模块，能够实现对建筑消防动力设备的实时监测和数据采集，这为后续的网络通信、数据处理和远程控制提供了可靠的硬件基础。

（二）软件设计

采用嵌入式系统作为传感器节点的操作系统，嵌入式系统具有高效、稳定的特点，能够满足实时数据采集的需求。选择基于Linux的嵌入式操作系统，并进行了定制化开发，以适应系统的需求。

在软件设计中，采用多线程编程模型来实现并行处理，通過多线程的方式，能够同时进行数据采集、传输、处理和分析，提高系统的响应速度和效率。例如，可以将一个线程用于数据采集，另一个线程用于数据传输^[6]。为实现数据的实时传输，采用消息队列技术。传感器节点将采集到的数据通过消息队列传输到数据中心，以确保数据的可靠性和实时性。选择RabbitMQ作为消息队列的实现工具，它具有高性能、可靠的特点，能够满足系统需求。此外，为保证系统的安全性，采用加密技术对传输数据进行保护，通过使用TLS/SSL协议，我们能够对数据进行加密和解密，防止数据在传输过程中被恶意篡改或窃取。

总之，通过合理的软件设计，能够实现传感器数据的高效采集、传输、处理和分析，为建筑消防动力设备监控系统提供可靠的支持作用。

（三）系统集成与测试

系统集成与测试是基于物联网的建筑消防设备电源监控控制系统开发的重要环节。通过系统集成与测试，可以确保各个组件和模块之间的协调运行以及整体系统的稳定性和可靠性。在硬件方面，将传感器节点与主控单元连接，并进行电路连接和供电测试。确保传感器能〖HJ2.1mm〗够正常采集数据，并通过通信接口将数据传输给主控单元。在软件方面，将嵌入式系统与传感器节点的驱动程序和数据处理算法进行整合。测试数据采集、传输和处理功能能够确保软件正确接收传感器数据并进行相应处理。在功能测试中，验证系统的各项功能是否正常工作。例如，测试温度传感器是否能够准确测量温度、湿度传感器是否能够准确测量湿度等。还需要测试数据传输的稳定性和可靠性，确保传感器数据能够准确传输到主控单元。在性能测试中，评估系统在不同工作负载下的性能表现，模拟不同温度和湿度条件下的数据采集和处理情况，并测试系统的响应时间和资源利用率。同时，进行长时间运行测试，以验证系统的稳定性和可靠性。进行整体系统的验证和验收测试，将系统部署在实际的建筑消防动力设备监控场景中，并进行实际运行测试。监测系统的运行状态，观察是否存在异常情况，并进行必要的调整和优化。通过系统集成与测试，确保基于物联网的建筑消防设备电源监控控制系统的各个组件和模块协调运行以及整体系统的稳定性和可靠性，这为系统的正式部署和应用提供了有力支持^[7]。

三、结果讨论与改进

在物联网建筑消防设备电源监控控制系统的软件设计和系统集成与测试过程中，取得了一些重要结果。在结果讨论过程中，发现一些改进空间。对于软件设计，可以进一步优化多线程编程模型和消息队列技术，以提高系统处理和传输数据的效率。在系统集成与测试中，可以进一步加强对系统稳定性和可靠性的验证和测试，以确保系统在长时间运行和复杂环境下的稳定性。系统响应时间和数据传输稳定性的对比结果如表1和表2内容所示。

通过以上数据对比分析，可以看到改进后的系统在响应时间和数据传输稳定性方面都取得了显著改善，这些结果进一步验证了在前文中提到的软件设计和系统集成与测试的有效性。

为进一步改进系统，可以考虑以下方向：进一步优化多线程编程模型和消息队列技术的实现，加强系统的稳定性和可靠性验证和测试以及持续监测和优化系统的性能表现。通过不断改进和优化，可以进一步提升物联网建筑消防动力设备监控系统的性能和可靠性，为建筑消防安全提供更好支持^[8]。

结语

综上所述，本文设计一种基于物联网的建筑消防设备电源监控控制系统，通过传感器节点、网络通信、数据处理与分析以及远程控制与管理等模块的设计与实现，实现了对建筑消防设备电源的实时监测、对消防设备的远程控制。实验结果表明，该系统具有良好的稳定性和可靠性，能够满足建筑消防需求。未来，可以进一步改进和优化系统，提高其性能和功能，以适应不断发展的建筑消防安全需求。

参考文献

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作者简介：冯长江（1986- ），男，汉族，江苏宿迁人，本科，高级工程师，研究方向：建筑电气、消防电气。