智慧城市感知消防系统的整体方案设计

郑春芳，钟君柳，张永亮，米志红

（1.广州航海学院，广东广州 510515；2.广东机电职业技术学院，广东广州 510515）

智慧城市感知消防系统的整体方案设计

郑春芳1，钟君柳2，张永亮2，米志红1

（1.广州航海学院，广东广州 510515；2.广东机电职业技术学院，广东广州 510515）

主要介绍一种基于智慧城市感知消防系统的整体方案设计过程。针对现有消防系统的技术限制，严格参照国标GB16806-2006《消防联动控制系统》要求，充分利用物联网以及其他通讯网络等新技术，提出了增加消防探测点数量、降低组网难度、扩大系统的组网覆盖范围和探测器自动组网的技术方案，突破消防系统探测点通信距离短、通信线路不可靠等技术难点。最后采用实验并搭建仿真模型的方法，验证所提出的技术方案的可行性，为未来智能的感知消防系统设计提供了一个技术参考。

智慧城市；感知消防系统；组网技术；系统模型

0 引言

随着社会的不断发展，人们生活水平的提高，家庭中的电器用品越来越多；装修档次越来越高；气体能源的使用越来越普及；从而使发生火灾的可能性，危险性也越来越大。据统计，我国70年代火灾年平均损失不到2.5亿元，80年代火灾年平均损失不到3.2亿元。进入90年代，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡2 000多人。特别是在城市，城市楼房密集，人口众多，一旦发生火灾，将会造成巨大的损失。因此，研究智慧城市消防感知控制系统具有重要的实际意义。

消防控制系统不但可以监控整个楼宇、小区、工厂或者其他的一些场所的消防安全，及早发现隐患，而且能够在发生火情的时候第一时间报警和通过各种声光信号警示人群进行疏散，并可以自动联动设备来进行灭火等功能，该系统产品性能的好坏直接影响着对火情的监控、预判、警示和灭火，因此现有市面上出售的消防控制系统都有严格的质量控制要求，所有产品都是遵循GB16806-2006《国家消防联动控制系统》标准、GB4715-2005《点型感烟火灾 探 测器》、GB4716-2005《点型感温火灾 探 测器》、GB4717-2005《 火 灾 报 警 控 制 器 》、GB19880-2005《手 动 火 灾 报 警 按 钮》、GB14003-2005《线型光束感烟火灾探测器》、GB16280-2005《线型感温火灾探测器》、GB14287-2005《电气火灾监控系统》等，而且都是要经过国家的3C强制认证，即必须经过沈阳消防研究所送检和北京3C强制认证的抽检，满足上述要求并达标之后才能在市面上进行销售。

纵观市面现有的消防报警系统技术及市面上销售的消防系统产品，不管是国内或者国外的产品，普遍存在联网探测点数偏少（一个大型控制系统也是12 700点数，如果采用拨码电路的方式，探测点数更少），增加探测点数困难（只能在火灾报警控制器内增加回路板），一般使用的232串口通信，CAN总线，或者是自己独有的总线技术（使用距离有限，最大传输距离为1 200 m），部分兼使用485总线，组网都比较困难，不易维护，自动识别故障困难等缺点，而且现有系统不具备无线通讯的能力。

因此，本文针对现有消防系统技术存在的缺点，提出智慧城市感知消防系统的模型，主要研究一种智慧城市的易增加探测点数、扩展探测范围，具有双向通讯能力、稳定可靠、实时性强的感知型消防报警控制系统。

1 智慧城市感知消防系统模型的方案设计

本系统系统模型主要由火灾报警控制器（主控制台）、点型感温探测器（从机）、点型感烟探测器（从机）、手动报警按钮（从机）、消火栓按钮（手动报警）、输出模块、输入输出模块、警铃（蜂鸣器）、扬声器（语音报警）、喷淋泵、双向通讯网络、后备太阳能电源、LED广告牌以及自动巡检的消防车等组成。系统模型结构图如图1，系统模型实物图如图2所示。本智慧城市感知消防控制系统的状态包括正常监控状态、故障检测状态、响应状态、运行状态都是根据国标的要求而设计的，系统模型满足国标的要求，具有运用于工程上的实际运用。

2 智慧城市感知消防系统模型工作过程

本消防控制系统利用51单片机自身的串行通信口设计，基于RS485的多机通信系统，实现多机通信的功能，除此之外，还研究了一种备用的双总线通讯的方式，并制作了样板模型，该双总线通讯比市面上消防控制系统传输的速率更快、能容纳更多的探测器和模块。本系统的主要工作过程如下。

图1 系统模型结构图

图2 系统模型实物图

（1）本消防控制系统模型采用主机巡检从机，从机应答主机的方式工作。主机相当于消防控制系统里面的主设备火灾报警控制器，如图1和图3所示。当主机（主控制台）巡检从机（包括各种感温、感烟探测器和各种输入输出模块），从机接收到来自主机的命令对监控的场所进行温度数据、烟雾数据等采集，同时读取手动报警按扭状态（相当于消防栓按钮），数据经过处理把打包后发回主机，主机通过对数据的处理与比较，识别出该探测点的各种状态，包括复位状态、监控状态、故障状态、报警状态等。从机通过传感器检测监控场所的温度和气体信号，当从机读到检测到火情，把数据传送给主机，主机根据GB4717-2005《火灾报警控制器》[1]，在10秒以内接受报警并做出反应。火灾报警控制器的主控板上的液晶屏幕上会显示发生火灾的街道、楼宇和房间号，蜂鸣器会响起，提示灯变为红色[2]，发生火情的房间的从机红灯会亮，GSM模块会发一条信息到已经设定好的手机号，提醒屋主发生火灾，并发信息通知消防局发生火灾的地点，同时把火警的详细信息发给计算机或火灾报警控制器的主机上，如果该楼宇有户外的LED广告牌，还可以连接广告牌，把火灾信息显示到广告牌上，再通过无线通讯技术，将火灾信息通过无线信号传输到巡检的消防车上，消防车接收到信号后会自动识别是那个房间发生火灾，通过红外对射管原理自动实现寻迹功能（而实际的消防车可以通过手机连接到GPS系统，确认火灾发生地点），准确找到火灾现场后，消防车会用车上的机械臂自动伸缩消防喉管，调整喷水口方向，利用抽水机抽取车自带的水源或者抽取消防水源进行喷水灭火，把火浇灭后，小车会自动回到出发点待命。

（2）本系统模型还设有一键手动报警按扭（类似于消防栓按钮），当监控人员发现火情情况，可通过主按制器上的一键报警按扭，进行语音报警，当行人在某处发现火情，通过附近从机的一键手动报警按扭向监控室报警。

（3）当主机处于正常监控状态，如图3所示，主机上的显示屏显示当前时间，报警灯长灭，通信指示灯按流水灯的形式闪烁，语音报警模块处于关闭状态。GSM模块处于等待接收信息状态，上位机接收来自主机定时发送过来的数据；当主机处于报警状态，主机上的显示屏显示详细的报警地址，如某街道某楼宇某房号，此时报警灯闪烁，蜂鸣器响起，相应的通信灯以红色的形式闪烁，其它正常状态的从机依然按照正常状态下的机制运作，并且上位机、GSM都会接收到相应的报警信息。当从机处于正常监控状态的时候，如图4所示，从机上的报警指示灯长灭状态，同时通信灯按以一定的时间间隔交替闪烁，从机实时监控温度探测器与感烟探测器的数据，排烟机与消防泵的喷洒系统处于待命状态；当从机处于报警控状态的时候，如图5所示，首先从机会把报警的信息发送给主机，激活主机报警机制，同时打开排烟机与消防泵的喷洒系统，报警红色灯亮起，同时自动进行消防广播。

图3 主机（主控制台）实物图

图4 从机正常监控状态

图5 从机报警状态

（4）根据火灾探测报警系统强制性国家标准[1-7]，报警灯应为红色。本系统模型报警灯设计成流水灯形态，红色绿色交替闪烁，从机的绿色信号灯每隔2秒种闪一次，表示正常，小车在出发点待命。

（5）当线路发生故障时，比如从机没有正常运作，线路开路、短路故障，从机系统没有通电，从机系统IP从总线上掉线，主机识别得到，并且把故障显示在主机显示屏上，点亮报警灯，利用上位或GSM报告给用户或监护人员，提高了系统的安全可靠性。

3 智慧城市感知消防系统主题模块设计

本系统系统模型主要由火灾报警控制器（主控制台）、从机（点型感温探测器、点型感烟探测器、手动报警按钮、消火栓按钮（手动报警）、输出模块、输入输出模块、警铃（蜂鸣器）、扬声器（语音报警）、喷淋泵、通讯网络）、自动巡检的消防车、后备太阳能电源以及LED广告牌等模块等组成。

3.1 火灾报警控制器（主控台）模块

本系统模型的主控台，即主机，如图3所示，相当起火灾报警控制器的作用。主机工作原理：由MCU读取时钟芯片的当前时间，通过通信芯片MAX485巡检从机的状态，等待从机的应答，把得到的数据经过处理后把在LED液晶屏中显示，如果有报警信号，主机能够在规定的时间内响应，把信息显示在液晶屏中，并通过LED灯、蜂鸣器、喇叭等声光信号指示，并能按照已经设置好的联动关系，命令从机启动相关设备进行灭火和疏散工作。如果存在故障信号，例如从机IP掉线，线路开路或者探测器故障，主机能识别，并能通过LED显示屏指示相应故障的类型和故障地点，并发出相应的声光信号。主机所有的信号设置、相应时间都是按照国标规定的设计。主机（主控制台）系统模型包括：MCU控制模块、液晶显示模块、广播模块、开关电源模块。其电路模型部分电路原理图如图6所示。

图6 主机（主控制台）模型部分电路图

3.2 从机模块图

从机是本系统模型的特色之处，现有的消防系统现有的系统都连到火灾报警控制器上，这样火灾报警控制器要处理任务繁重，而且由于总线挂载容量和能力有限、极大限制了消防控制系统探测点数的增加和探测范围的增大，本系统增加了从机作为协处理机，或者叫作中继处理，从机可以进行1 200米的长距离的传输，从机负责所监控区域的所有数据的采集，当主机只需要巡检每个从机的，巡检到的从机只需要应答主机，如果有故障和报警信息，则按照国标规定的时间上报给主机，这样主机工作量就大大减轻，效率更高，报警更及时可靠，同时也减少了出错的概率。

从机通过检测其线上的温度传感器和气体传感器（相当于感温探测器和感烟探测器）实时探测一定范围内[3-4]（探测面积由国标确定）的温度和空气的变化。如果有异常，比如检测到的数据异常，温度超过异常，从机经过算法的处理，对阈值进行判断，确认无误后，以第1优先级通过485传输的方式用网线传送到主机发送报警数据，主机接收到报警信息，确认无误后，可以命令从机的启动声光报警信号报警，如果有联动编程，在相应的时间内[3-4]，则根据编程关系从机可以启动相应设备，如启动抽水系统和排烟机，进行喷洒灭火和排烟。如果气体传感器（烟感探测器）检测到可燃性气体或二氧化碳等有害气体浓度超过相应的阈值[3-4]时，从机响应过程类似，会启动排气扇排走有害气体。从机模型的电原理图如图7、图8所示。

图8是从机模型的模拟响应电路，通过KEY1、KEY2来模拟从机上的温度传感器报警和气体传感器的报警。这个模拟按键的设置，可以方便测试系统响应，同时在实际的工程中，也能方便对从机、主机进行维护、调试、测试和验收。可以通过可编程器件，如CPLD和FPGA就能很方便对测试点轮流选通，容易对测试点数进行扩展，从而展示论文所研究的系统模型能够扩展探测点数量多，组网简单，覆盖范围广等功能。

从机的模型有烟雾传感器模块（感烟探测器）、温度传感器模块（感温探测器）、排烟系统模块、喷洒模块、应急灯模块组成。从机模型的模块框图如图9所示。

图7 从机模型电路图原理图一

4 结论

本文提出的基于智慧城市感知消防系统的整体方案设计主要创新之处：

第一，现有系统探测点数偏少，探测距离近的缺陷，提出使用485总线的方式，并使用从机（中继器）的概念，扩展探测点数和距离，每个探测点和每个从机都有自己的IP号，一旦线路有问题或者探测点下线，主机能自动识别并报出详细的故障信息；

第二：针对现有系统使用I2C或者电路板内置焊接FLASH形式，这样存储数据量少，一旦存储器损坏要拆卸整个系统进行更换，费时费力，会危及整个监控区域的安全问题，使用外部扩展的SD卡模式；

图8 从机模型电路原理图二

第三：加入消防小车的新概念，一旦有火情，主机（控制台）能自动发GSM信息或者通过无线模块方式（电台）发送信息到待命的消防车或者在城市里巡检的消防车，第一时间告知出现火情的具体情况，消防车能以最快时间到达火灾现场；

第四：充分利用城市里楼宇的LED显示屏，一旦有火情，主机或从机能把火情信息通过LED显示屏控制系统，把火情信息显示到LED广告屏上。

图9 从机模型的模块框图

［1］GB4717-2005.火灾报警控制器［S］.

［2］GB16806-2006.国家消防联动控制系统［S］.

［3］GB4715-2005.点型感烟火灾探测器［S］.

［4］GB4716-2005.点型感温火灾探测器［S］.

［5］GB19880-2005.手动火灾报警按钮［S］.

［6］GB14003-2005.线型光束感烟火灾探测器［S］.

［7］GB14287-2005.电气火灾监控系统［S］.

［8］深圳赋安安全系统有限公司.火灾产品设计手册V4［Z］.2008.

［9］孟帅.消防广播远程控制系统的研究及消防电话的系统集成［D］.成都：电子科技大学，2003.

Smart City-Based Perception of the Fire Control System Design Applications

ZHENG Chun-fang1，ZHONG Jun-liu2，ZHANG Yong-liang2，MI Zhi-hong1
（1.Guangzhou Maritime Institute，Guangzhou510725，China；2.Guangdong JiDian Polytechnic，Guangzhou510515，China）

This paper studies the perception-based smart city fire control system design applications.Contrary to the technical limitations of the existing fire protection system,strictly refer to national standard GB16806-2006"fire control system"requirements,make full use of the Internet of Things,and other communication networks and new technologies,this paper proposes a technology solution by increasing the number of fire detection points,reducing the difficulty of networking and expanding network coverage and the system automatically networking,which break through the technical difficulties such as short break-point communication distance,unreliable communication lines etc..Finally by the experiment and building a simulation model，verified the feasibility of proposed technical solutions，provides a technical reference for the future intelligent perception fire system design.

smart city；perception of fire protection systems；networking technology；system model

TP23 U467.4

A

：1009－9492(2014)01－0035－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.009

郑春芳，女，1978年生，江西泰和人，博士研究生，工程师。研究领域：电力电子及电力传动技术。已发表论文18篇。

(编辑：向 飞)

2013－07－06