基于物联网的大型公共建筑消防火灾自动报警系统

摘 要：常规系统主要使用环形二总线接线法传输消防报警指令，但该方法易受联动控制作用影响，导致部分节点报警异常，为解决这一问题，基于物联网设计了一种全新的大型公共建筑消防火灾自动报警系统。硬件部分设计了二总线烟温复合火灾探测器和SCU火灾报警控制器，软件部分首先生成了消防火灾自动报警通信协议，再利用物联网设计了建筑消防火灾自动报警功能模块，从而实现了大型公共建筑消防火灾自动报警。系统测试结果表明，设计的系统在不同节点ID下均能正确进行报警，证明了设计的系统应用效果较好。

关键词：物联网；大型公共建筑；消防火灾自动报警系统；二总线烟温复合火灾探测器；SCU火灾报警控制器；消防火灾自动报警通信协议

中图分类号：TP311；TU892 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）02-00-03

0 引 言

在建筑技术不断发展的背景下，我国的大型公共建筑越来越多，功能越来越复杂[1]。与其他类型建筑相比，大型公共建筑对结构设计的要求较高，需要节约资源，兼顾质量，不能对环境造成严重的负面影响。同时，要根据具体的建筑目的来设计建筑结构[2]，以满足人们的需要。大型公共建筑内部的人员较多，分布较密集，且楼层较高，一旦发生火灾，无法短时间内完成人员撤离，会造成严重的人员伤亡事故，因此需要预先进行火灾报警，提前采取撤离行动[3]。研究表明，大型公共建筑产生火灾的原因较多，包括电器设备火灾、燃气火灾、吸烟引发的火灾、施工不规范引发的火灾等，因此，为了降低大型建筑的火灾风险，最大程度上减少火灾造成的损伤，需要设计一种有效的消防火灾自动报警系统[4-5]。大多数火灾自动报警系统配备有监测和记录功能，能够记录火灾发生时的各种参数，如烟雾体积分数、温度变化等[6-7]。这些数据对于事后的火灾调查和分析非常重要，有助于了解火灾发展过程，改进针对大型公共建筑的防火措施。相关研究人员也针对自动报警要点设计了几种常规的公共建筑消防火灾自动报警系统，但大多数系统易受联动控制作用的影响，导致部分节点报警异常。为了解决该问题，本文基于物联网设计了一种全新的大型公共建筑消防火灾自动报警系统。

1 硬件设计

1.1 二总线烟温复合火灾探测器

本文设计的系统选取二总线烟温复合火灾探测器作为重要的探测硬件。该探测器具有多样化探测周期，可以形成规律的方波脉冲，用于获取探测结果。当进入自动报警周期后，该探测器可以立即控制内部通信状态，形成有效的探测规律。二总线烟温复合火灾探测器见表1。

由表1可知，该探测器可以形成稳定的数字脉冲信号，最大程度降低外界干扰对自动报警造成的影响，以提高自动报警系统的综合性能。

1.2 SCU火灾报警控制器

报警控制器可以根据反馈信号进行声光报警，有效进行信号传递，因此，本文选取SCU火灾报警控制器作为核心控制器。SCU火灾报警控制器组成结构如图1所示。

由图1可知，该报警控制器可以有效连接电气接口，防止电源反接，提高了火灾自动报警系统的报警灵敏性，符合设计系统的报警控制要求。

2 软件设计

2.1 消防火灾自动报警通信协议

本文设计的大型公共建筑消防火灾自动报警系统使用一对多模式进行通信传输。消防火灾自动报警通信协议如图2所示。

由图2可知，该通信协议主要支持3种不同的身份，即指令的发布者、报警的代理者、处理订阅者。在通信过程中，需要利用MQTT进行推动处理，调整数据包的格式，控制自动报警报文的结构，使其满足有效载荷要求。除此之外，该通信协议主要利用Socket方式入网，与客户端和服务器完成连接，生成双向传输通道，从而快速发布Keep Ping报警命令，提高报警一致性[8-9]。

2.2 建筑消防火灾自动报警设计

本文基于物联网设计了建筑消防火灾自动报警功能模块。首先需要对自动报警原始数据进行整合，如式（1）所示：

（1）

式中：wi代表卷积层计算权值；Bi代表整合偏置值。整合完毕后，可以通过特征值进行计算归纳，此时计算的自动报警权值ΔW如式（2）所示：

（2）

式中：λ代表预设报警值；α代表动量因子；ζ代表相对误差。通过获取的自动报警参数进行自动报警设计。当火灾发生时，通过体积分数检测程序、温度检测程序等进行数据融合计算，将最终的环境参数输入至报警中心。若判断有火灾发生，立即进行声光报警；反之，则需要持续观察。

3 系统测试

为验证设计的基于物联网的大型公共建筑消防火灾自动报警系统的综合性能，本文选取了符合测试需求的测试平台，将其与文献[6]、文献[7]中常规的消防火灾自动报警系统进行了对比实验。

3.1 测试准备

根据消防火灾自动报警系统测试要求，本文选取PAN ID进行组网，构建了符合测试要求的系统测试平台。在测试开始前，需要检查系统的连接状况，避免出现短路与断路问题，再将设计的系统与仿真实验平台有效连接，调整传感节点、周期、阈值等参数，生成系统测试数据处理流程。系统测试数据处理流程如图3所示。

由图3可知，在正式启动测试模式前，需要选择有效的测试信道。若此时相应设备能有效收到测试信息，证明测试网络建设成功；若无法收到测试信息，证明测试网络响应失败，需要重新申请权限，进行二次处理[10]。本文使用Packet Sniffer软件进行信标帧处理，调整协调器接收节点，重新完成测试入网关联，测试上位模块采用SQL Sever 2000数据库。测试操作关系如图4所示。

由图4可知，根据上述的测试操作关系可以快速编写MFC/Qt界面，打开SmartRF Flash Programmer测试软件，上传测试命令，从而得到可靠的系统测试结果。

3.2 测试结果与讨论

根据上述测试准备，可以进行消防火灾自动报警系统测试，即在设置的测试平台中生成不同的报警测试节点，记录各个节点的扩展信息。此时，分别运行本文设计的基于物联网的大型公共建筑消防火灾自动报警系统、文献[6]中考虑无线传感的消防火灾自动报警系统，以及文献[7]中基于LoRa和GPRS的消防火灾自动报警系统，记录3种系统在不同节点ID下的报警状态。消防火灾自动报警系统测试结果见表2。

由表2可知，在不同节点ID下，本文设计的基于物联网的大型公共建筑消防火灾自动报警系统均能正确完成报警，且报警时延偏低；文献[6]中考虑无线传感的消防火灾自动报警系统，以及文献[7]中基于LoRa和GPRS的消防火灾自动报警系统在部分节点ID下无法正常报警，或报警时延较高。上述结果证明，本文设计的大型公共建筑消防火灾自动报警系统的性能良好，具有较高的可靠性与较广阔的应用前景。

4 结 语

随着城市化进程的加速和公共设施的日益完善，我国的大型公共建筑越来越多。然而，这些建筑由于规模大、人流密集、设备众多等特点，一旦发生火灾，后果不堪设想。因此，如何有效地预防和应对火灾成为了一个亟待解决的问题。大型公共建筑消防火灾自动报警系统作为一种重要的火灾防控手段，逐渐引起了人们的关注。因此，本文根据大型公共建筑的火灾报警特点，基于物联网设计了一种全新的大型公共建筑消防火灾自动报警系统，并进行了系统测试。结果表明，设计的大型公共建筑消防火灾自动报警系统性能良好，具有较大的应用价值，为降低事故风险、保障人民生命财产安全、更好地应对城市化进程中面临的消防安全挑战做出了一定贡献。

参考文献

[1]赖振贵，刘福光，梁景晖，等.白云国际机场三期扩建工程航站区给排水设计介绍—消防系统设计及智慧消防技术应用[J].给水排水，2023，59（5）：134-139.

[2]戴维涛，高扬扬.基于复合功能理念的城市人行地下通道消防策略—以杭州钱江新城新业路人行地下通道为例[J].浙江建筑，2023，40（2）：30-32.

[3]张欢，史杨华，李百毅.基于Pathfinder的大型商业综合体消防疏散策略研究—以扎哈事务所成都“独角兽岛园区项目”为例[J].城市建筑，2023，20（2）：104-107.

[4]富宁，乔博，邵世琦.医疗类历史建筑活化利用中的消防设施改造设计—以辽宁中医药大学附属医院门诊楼改造工程为例[J].中国医院建筑与装备，2023，24（10）：48-52.

[5]朱琪，王炎松.广西三江侗寨民族建筑消防现状及防火策略—以广西三江侗族自治县林溪镇高秀村为例[J].今日消防，2023，8（9）：7-9.

[6]纪百一.基于无线传感的物联网火灾报警系统应用研究[J].水上安全，2023（14）：43-45.

[7]齐斌，胡兵，王小娟.基于LoRa和GPRS的无线火灾报警系统设计[J].消防科学与技术，2021，40（2）：242-245.

[8]雷兴豪，董雷. NLP在智能消防接处警系统中的应用研究[J].电子设计工程，2023，31（3）：43-48.

[9]黄广国，晋广庆，胡志诚.物联网技术在智慧建筑消防工程中的应用研究[J].物联网技术，2023，13（3）：122-124.

[10]崔海明，鲁广斌，暴二平，等.某大型公共建筑火灾自动报警系统设计特点分析[J].智能建筑电气技术，2016，10（2）：10-14.

作者简介：傅 玉（1989—），女，江苏盐城人，工程师，研究方向为医院安全生产及消防安全管理。

收稿日期：2024-01-17 修回日期：2024-02-29