基于物联网的火灾报警系统

胡冰冰 邱月友 崔月圆

（安徽工程大学，安徽 芜湖 241000）

0 前言

目前主要的火灾自动报警系统大多采用有线方式构建火灾传感器网络，这类方式耗材多、施工与维护复杂，扩展能力差，线路容易老化或腐蚀、磨损，故障发生率高，并且不易排查修理[3]。在实际的火灾消防工程中，传统的区域报警和集中报警系统多采用多线制和总线制连接，即探测器、报警器、控制器之间是采用两条或多条的铜芯电缆相连，其安装成本约占设备成本的33%～70%，且施工复杂，系统扩展性差，自成体系。在这些火灾自动报警系统中，主要以集中智能系统为主，巡检速度低，稳定性和可靠性差，大多数以温感、烟感探测器为主，存在比较突出的迟报、误报、漏报等现象，这些都制约着火灾自动报警系统的发展[1]。

本文提出的基于物联网的火灾自动预警系统（FAS）是楼宇自控系统（BAS）的分系统，服务于楼宇自控系统，它可以及时发现和通过3G 移动网络、无线网络等通报火情，实现对现场准确、实时监控，有效地预防火灾的发生，减小经济损失，并采取有效措施控制，提高建筑物的防灾自救能力。

1 物联网

“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备、按约定的协议，把任何物品与物联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。

物联网在体系结构上主要包括三层：感知层、网络层和应用层。其中感知层主要包括组成无线传感网络的普通传感节点，用于连接无线传感网络、移动通信网络和Internet 等；网络层主要是网络通信基础设施，包括移动通信网络和Internet 等；应用层主要涉及各种物联网应用，如环境监测、智能交通、远程医疗、智能城市管理和工业监控等，如图1 所示。

其中感知层由物理(PHY)层、媒体接入控制(MAC)层构成，两者之间通信采用通用的IEEE802.15.4 协议。感知层获得信息后上传至网络层和应用层，它们之间通信必须满足网络协议（如ZigBee 协议）。

目前物联网技术在移动通信技术方面可以使用GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术)、CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)、3G(3rd-Generation，第三代移动通信技术)等，在感知层中可以使用ZigBee，超低功耗蓝牙等技术，甚至是独立开发专用的网络协议，其基本的技术体系结构，都是通过泛化的感知层节点获取相关数据通过网络层传输至应用层来进行处理。

图1 物联网体系结构

2 运用物联网实现火灾报警

物联网是十二五规划的一项战略型产业，然而如今物联网因其巨大的应用而引起广泛的关注，它在消防安全方面的应用也越来越引起大家的关注。随着社会经济的发展，人们的生活水平的提高，我们居住的房子，我们办公的地方也越来越高。在这些建筑兴起的同时，火灾隐患也大大增加。于是，人们研究了各种各样的火灾探测器，并且结合已开发的火灾探测器针对高层建筑推出了多种联动设备，在一栋建筑中可以实现多点监测，在一定程度上实现了火灾预警。但是由于独立的联动设备需要使用市电和有线通信设施，当火灾发生时，电力供应的通信设施可能会损坏而无法工作，火情无法正确及时上报，导致火灾蔓延，造成重大的损失。

物联网火灾报警系统主要由无线终端设备、无线集中器和嵌入式服务器、3G 无线通讯单元、供电单元组成。其中包含烟雾和温度传感器，将无线传感器网络与传统计算机网络监测有机结合，并借助3G移动网络、无线网络，实现对现场准确、实时监控[3]。

图2 系统硬件框图

2.1 系统硬件

本系统主要对感知层的硬件进行设计。硬件框图如图2，主要是对感烟、感温传感器检测信号进行A/D 转换，对火灾点进行GPRS 定位，以及其他硬件的通信等。控制器MSP430F449 通过对传感器检测信号进行处理、火灾判断、声光报警，并建立与无线网关的通信。

AD 采集模块将烟感、温感等传感器检测的信号进行模数转换，由MSP430F449 单片机进行处理、判断、分析。当判断有火灾信息时，将信息传输到网络层，同时通过GPRS 模块将火灾点定位。当然，MSP430F449 单片机自带模数转换模块，但是为了检测更多的点，多路AD 还是应该通过扩展AD 转换模块来实现。其他模块的功能是，串行口模块主要完成电平转换；通信接口完成与网络层的通信；I/O 口模块完成报警、显示等；电源模块完成对最小控制系统的供电。

也就是说，本硬件电路主要是完成火灾点的检测、筛选和定位，并完成与网络层的通信，网络层再完成与应用层联络。

2.2 系统软件

系统软件主要是完成对各层的通信协议的编程。感知层的协议应用比较成熟的IEEE802.15.4 协议。感知层和网络层需要编写TCP/IP协议来实现，但是TCP/IP 协议过于复杂。然而并不是所有的TCP/IP协议都需要在网络服务器中实现，注意到TCP/IP 协议族中的许多协议在实际应用中完全可以不采用。因此需根据具体应用进行适当裁剪，几个必要的网络协议包括：APP 协议，它提供IP 地址和MAC 地址的转换，是TCP/IP 协议中不可缺少的部分：IP 协议，它用于网络层的数据传输，ICMP 协议，用于报告数据传送过程中的差错情况。

另外就是工作在网络层的TCP 协议，它是整个TCP/IP 协议的核心也最为复杂。TCP 协议分为4 层：链路层、网页层、传输层、应用层。链路层主要是由网关控制器来实现，其数据通信协议采用IEEE802.3 标准。网络层实现IP、APP 和ICMP 协议。IP 数据包的首部保留20 字节的基本控制信息，每个IP 数据包包含一个分片；实现完整的APP 协议，对于ICMP 协议，只实现ICMP 中类型号为0，代码为0 的PING 应答协议。传输层实现TCP 协议。在系统中，TCP 协议只用于支持HTTP 协议，由于在连接是一直处于被动服务的状态，因此在设计中让它一开始就处于LISTEN 状态，来监听客户端得连接请求，避免了主动打开的操作，可更高效的服务于客户机。应用层实现HTTP 协议。现场监测设备与用户的交互式数据交换通过HTTP 协议来实现。HTTP 在端口80 上使用TCP 的服务。系统需要监听网络状态，对以太网数据帧进行解包分析，根据结果分别进入处理程序，完成嵌入式TCP/IP 协议处理，将现场的监测数据发送到以太网，网内所有采用TCP/IP 协议的计算机都能收到此数据帧。

应用层服务器模块：嵌入式Web 服务器的实现是以TCP/IP 协议来传输数据，以HTTP 协议来进行客户端与服务器之间的请求和相应。Web 服务系统采用B/S 模式，由位于服务器的Web 服务器和位于客户端的Web 服务器的任务是等待客户机得连接。系统主要用HTTP协议，并使用URL，HTML 和CGL 等方法进行信息的定位，存储和显示。HTTP 协议是实现客户端到服务器之间的静态文件传输协议，采用请求/相应的握手方式，客户端向服务器

请求文件对象，服务器把文件对象发往客户端作为响应。HTTP采用TCP 连接，该连接状态仅在此次连接中保持，无论浏览器或服务器都不会记忆上次连接的状态。

本系统的实现需要硬件和软件共同完成，优化的软件设计方案可以很大程度的减轻硬件成本负担，只有软硬件同时达到优化才能使整个系统达到最高优化。整个系统的软件部分采用自上而下的模块化程序设计，各分支部分分别实现，其主要子程序如图3 所示。

图3 系统流程图

3 结束语

采用物联网技术，可以使火灾自动报警系统更加快速、准确地探测火灾的发生，提高火灾报警的准确性，降低误报率；采用物联网技术传递火警信息，可以极大地缩短报警时间，提高系统的稳定性，而且可以大幅度提高系统的兼容性和扩展性，便于系统维护升级和互联互通。

但是，物联网在火灾预防和报警中应用还没达到大规模的程度，当然在应用中还需要解决一些问题，如传感器的地址编码问题、与应急救援平台的联网问题、与已经在使用的火灾自动报警系统的兼容问题等等。随着研究人员不断探索和深入，相信这些问题都会得到解决，使得物联网在火灾报警系统的应用更加成熟。所以，当成熟的物联网火灾自动报警系统的应用，必然会在社会经济上产生巨大的效益[5]。

［1］张翔.基于物联网技术的火灾自动报警系统研究[J].防灾科技学院学报，2011，3.

［2］李振雷.物联网技术在火灾预警中的应用[D].青岛理工大学，2010，12.

［3］汪洋文杰，王楠，司轶芳.基于ZigBee 技术的火灾自动报警系统[J].电子技术，2010，5.

［4］王慧琚.基于物联网的火灾监测系统[D].兰州大学，2012，5.

［5］王忠敏.EPC 与物联网[M].北京：中国标准出版社，2004.