基于物联网技术的防火工程网络设计

摘 要：随着传感器技术和网络技术的快速发展，防火技术也发生改变。为保障大型建筑的消防安全，本文提出了一种基于物联网架构的防火工程网络。整个防火工程网络设计分为3个层次，在最下层配置多种类型的传感器，可以检测监控现场的防火信息；在中间层进行无线通信设计，打通各节点之间的信息交互通道；在最上层通过上位机，配置终端操作软件，实现总体功能。在基于物联网技术的防火工程网络覆盖下进行验证性试验，试验结果显示：本文提出的防火物联网可以在大型建筑空间中精准地确定火源位置并及时报警，大大提高了防火效果。

关键词：防火工程；物联网；上位机；无线通信

中图分类号：D 542 " " " " " " 文献标志码：A

为了增加内容空间的需求，现代建筑物的规模和高度都不断增加，从而可以容纳更多的人员[1]。在大型建筑中存在更多的消防安全隐患。如果不能采取有效的防火监控措施，就会导致重大的安全问题或严重的生命财产损失。传统的防火模式离散性特征明显，监测节点少、覆盖范围小、各节点之间信息交流不畅[2]。在这样的情况下需要设计新的防火工程网络，提升监测节点的测量准确率，并增加节点数量扩大防火覆盖范围。各节点之间必须进行充分的信息交流，这样才能发现问题并及时处理[3]。显然，基于多传感器构成的物联网技术可以满足适应新时代的防火需求。在物联网技术框架下，各种类型的传感器可以有效地监测现场的火情火险指标，并通过高效通信手段实现各节点之间的信息交流。基于这种考虑，本文提出基于物联网技术的防火工程网络框架，并对传感器、节点配置、通信和上位机软件等进行详细设计。

1 基于物联网的防火工程网络的框架设计

为了对现场进行立体化防火监控，本文在物联网技术框架下提出一种3层的防火工程网络结构。在整个防火工程网络的最底层配置多个监控节点，每个节点都带有一种或几种特定的传感器，其作用是对现场环境的烟雾浓度等信息进行监测。在中间层配置一定数量联络各监控节点的通信节点，每个通信节点都可以与附近的底层监控节点进行通信，通信方式以无线通信技术为主。在最上层配置1个性能较高的上位机，上位机可以通过通信节点获得整个网络的全部信息，并给出报警、救援调度等处理。在底层的监控节点上，为了对现场环境进行防火监控，主要给每个节点配置两类传感器。第一类传感器是用于测量现场环境温度的温度传感器。一旦现场发生火灾，火焰灼烧就会使现场的环境温度急剧增加，因此实时监测现场温度有助于发现火情。第二类传感器是用于测量现场气体浓度的气体传感器。一旦现场发生火情，充分燃烧和不充分燃烧就会产生成分复杂的气体。其中，对人体危害最大的是CO气体。因此选择CO气体检测传感器。为了实现中间层通信节点和底层监控节点的通信，采用无线通信技术方案。考虑到整个防火工程网络的搭设成本，这里的无线通信模块以技术成熟度高、成本低和功耗低的ZigBee模块作为无线通信模块。

为了合理选择底层监控节点和中间层通信节点的数量，需要根据监控总面积进行计算，如公式（1）所示。

（1）

式中：NodeB为防火工程网络覆盖下的全部底层监控节点的总数；AreaW为防火工程网络覆盖下的监控总面积；AreaNB为每个底层监控节点可以覆盖的监控面积；NodeM为防火工程网络覆盖下的全部中间层通信节点的总数；AreaNM为每个中间层通信节点可以覆盖的监控面积。

除了上述根据面积的计算方法，还可以通过通信带宽来计算节点总数，如公式（2）所示。

（2）

式中：Node'B为防火工程网络总通信带宽能满足的全部底层监控节点的总数；BWDW为防火工程网络总通信带宽；BWDNB为每个底层监控节点需要使用的通信带宽；Node'M为防火工程网络总通信带宽能满足的全部中间层通信节点的总数；BWDNM为每个中间层通信节点需要使用的通信带宽。

采用覆盖面积和带宽需求2种手段计算监控节点总数和通信节点总数后，可以选择最大值作为实际节点数目，以满足防火工程网络的技术需要，如公式（3）所示。

（3）

式中：NB为防火工程网络最终配置的底层监控节点数目；NM为防火工程网络最终配置的中间层通信节点数目。

在确定底层监控节点数目和中间层通信节点数目后，配置一个防火工程网络结构，防火工程网络的示意结构如图1所示。由图1可知，在防火工程网络中一共包括10个独立的监控区域，每个区域对应大型建筑的一个房间，这些监控区域再通过楼道完成关联。在每个监控区域内都配置一个底层的监控节点。楼道内配置2个中间层的通信节点，这2个通信节点可以与上位机进行通信。

2 基于物联网技术的防火工程网络硬件设计

在上一节的工作中构建了基于物联网技术的防火工程网络体系结构，形成一个清晰的三层结构。在接下来的工作中，根据这三层次的体系结构对各层进行硬件设计。因为工作原理和任务需求的差异，所以不同层次的硬件设计思路也有所不同。对于最底层的部分来说，最关键的部分为射频设计，以便和中间层通信节点建立无线通信。中间层主要是实现网络协调功能，既能与最底层节点进行通信，又能与最顶层的上位机建立联系。

从功能上看，底层的监控节点主要负责对监控范围内的火情火险信息的数据采集。因为本文中主要考虑了温度信息和CO气体信息的采集，所以也应该配置对应的温度传感器和CO气体传感器。底层监控节点除了配置上述2个传感器外，还需要配置射频收发模块，以便与中间层通信节点进行无线通信。中间层通信节点负责上传下达的通信任务，在3个层次的物联网结构中起到了枢纽作用。因此，中间层通信节点首先要配置无线通信模块，以便实现其通信功能。其次，中间层节点还要配置多任务协调的实时管理模块，以便与周围的多个底层监控节点进行对接。根据分析，3个层次的物联网防火工程网络结构硬件配置概念图，如图2所示。

从图2可以看出，从左到右依次是底层监控节点的硬件配置、中间层通信节点的硬件配置、顶层上位机节点的硬件配置。在底层监控节点的硬件模块化配置中，无线通信模块负责和中间层的通信节点进行对接，建立通信链路、完成数据和信息传送；数据采集模块和数据处理模块，负责将自身的温度传感器和CO气体传感器的数据进行采集并简单处理；供电模块负责底层监控节点的能源供给，应用程序模块负责底层监控节点的简单程序设置。在中间层通信节点的硬件模块化配置中，无线通信模块负责和底层的监控节点进行地界，完成通信；应用程序模块负责中间层通信节点的简单程序设置，实时多任务管理模块负责和多个底层监控节点的任务协调。

3 基于物联网技术的防火工程网络性能测试

在前面的工作中，针对大型建筑的防火工程网络设计问题提出基于物联网的体系结构设计方案和硬件模块化配置方案，从3个层次构建一个具有多路传感、网络协调和上位总处理的防火网络架构。在接下来的工作中，通过进行验证性测试，验证本文所构建的防火工程网络的有效性。在这个试验过程中，为了驱动各硬件有效的工作，选择了典型的物联网驱动软件平台进行组网和软件控制，软件处置总体流程如图3所示。在图3的显示流程中，当大型建筑的物联网防火工程网络组网成功时，底层的监控节点就会显示时间数据、温度数据等基本信息。同样，中间层的通信节点也成功建立了与上位机总结点的联系，表明组网成功。

根据图1的监控体系，在房间一的区域内进行火源点燃，同时测试10个房间区域的情况，整个防火工程网络得到的传感器监控结果见表1。

从表1的数据可以看出，区域1的温度和CO含量不断升高，而其他几个区域则维持在正常水平，表明防火工程网络得到有效的监测结果。进一步观测记录不同传感器配置下的报警响应时间，如图4所示。根据图4中显示的结果可知，防火工程网络同时采用CO气体传感器和温度传感器，对于火情报警的响应速度会更快。

4 结论

针对大型建筑的防火问题提出一种多传感器多节点多层次的防火工程网络。整个防火工程网络依托物联网技术，进行3个层次的体系结构设计。在该基础上对底层监控节点、中间层通信节点、顶层上位机进行硬件模块化设计。以10个房间作为监控区域，在物联网驱动软件平台下完成防火工程网络组网。随着试验进行，温度传感器和CO气体传感器实现了有效信息回传，上位机也根据传感器数据对1号房间的火情区域进行实时报警。

参考文献

[1]邵云飞，戚华辉.基于物联网设计的三维消防安全系统构建方法和具体应用[J].科技视界，2022，29（3）：301-303.

[2]魏小明.基于物联网平台的中小型林场智慧化防火系统建设策略[J].中文科技期刊数据库（全文版）农业科学，2022，12（4）：44-48.

[3]侯茸.智慧城市建设中物联网和大数据在消防灭火救援中的运用[J].中国科技纵横， 2022，31（12）：58-64.