基于监测数据“云共享”的火灾预警系统设计

杨珂 谭艳萍 郭伟

摘  要：针对贵州省木质民宅易失火问题，借助物联网技术与OneNET云平台，设计了一种基于监测数据“云共享”的火灾预警系统。通过布置多个传感器节点采集可燃性气体、烟雾、温度、火焰等环境数据，再以ZigBee通信方式将采集的环境数据汇集到ZigBee协调器上，ZigBee协调器以无线传输方式即采用4G模块通过MQTT协议将数据传送到OneNET云平台进行保存，并通过Web界面对OneNET云平台数据进行实时远程查看与控制。当检测的数据超过设定阈值时，可触发报警装置，并及时发送短信给相关人员，达到降低火灾损失的目的。

关键词：物联网技术;火灾预警;ZigBee;OneNET云平台

中图分类号：TP277    文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）12-0087-04

Abstract： Aiming at the fire prone problem of wooden houses in Guizhou Province， a fire early warning system based on monitoring data "cloud sharing" is designed with the help of internet of things technology and OneNET cloud platform. Collect environmental data such as combustible gas， smoke， temperature and flame by arranging multiple sensor nodes， and then collect the collected environmental data to the ZigBee coordinator in the way of ZigBee communication. The ZigBee coordinator uses 4G module， in the way of wireless transmission， to transmit the data to OneNET cloud platform for storage through MQTT protocol， and real-time remote viewing and control of OneNET cloud platform data are carried out through Web interface. When the detected data exceed the set threshold value， the alarm device can be triggered， and the short message can be sent to the relevant personnel in time， so as to achieve the purpose of reducing the fire loss.

Keywords： internet of things technology; fire early warning; ZigBee; OneNET cloud platform

0  引  言

近年來，贵州这个少数民族居多的省份频频发生火灾，造成了难以挽回的损失，主要是目前有相当一部分少数民族的居民居住在木质民宅中，而他们所居住的木制民宅是火灾风险较高。在2014年，拥有300多年历史的贵州报京侗寨失火，烧毁房屋100余栋;同年同月，贵州久吉苗寨发生火灾，大火导致已有200年历史的久吉苗寨严重焚毁。对于贵州的少数民族来说，火灾的发生往往造成巨大的经济损失和人员伤亡，这不仅影响了政府对于少数民族人们生命财产安全的保护，而且在某种程度上会阻碍当地乡村振兴战略的推进，这个问题亟待解决。

随着物联网技术的不断发展，各类物联网设备层出不穷，可通过物联网技术与产业融合来助推各行各业进行产业升级。英特尔中国在2020年的中关村论坛上披露，预计到2025年，全球物联网设备数量将达到1 000亿台，这些设备或用于老百姓的日常生活中，或用于军事、航天航空等领域。

借助物联网技术来为贵州少数民族木质民宅实现火灾预警，具有重大意义。火灾发生时常伴随着可燃性气体、热量、有毒有害气体、烟雾及火焰等明显特征，而这些特征完全可以作为具有鉴别意义的环境数据用于火灾预警系统的设计使用。目前，传统的火灾检测器不论是设计还是使用均较为成熟，但其大多以单一的火灾参数作为检测和判断依据，非常容易造成火灾失判和误判。鉴于火灾发生时有多种环境数据产生，为了提高火灾检测识别的准确性，可以利用各类传感器检测多种火灾参数，综合考量每一个火灾参数来判定火灾是否发生。为了方便居民和当地政府及时在线查看并接收到火灾预警信息，将使用OneNET云平台实现监测数据的“云共享”。借助OneNET云平台可实现火灾监测数据的云保存，并可通过Web界面实现监测数据的实时在线可视化查看。

木质民宅一般面积较大，且有上下几层楼房，则需要因地制宜根据其空间位置进行合理地安装部署多个物联网感知层传感器节点，并且每个传感器节点能实现火灾发生时多环境参数的一体化采集。各传感器节点通过ZigBee组网连接在一起，其中核心系统作为关键节点，负责收集其他传感器节点采集的数据，并完成数据处理，起着协调器的作用[1，2]。本文设计的基于监测数据“云共享”的火灾预警系统主要包含数据采集分析处理模块、数据“云共享”模块、实时远程数据查看与控制模块、声光报警模块、液晶显示模块等。当预警系统检测到相关火灾参数时，通过与设定阈值的比对来确定是否做出火灾发生的判定，若达到火灾发生条件，则启动声光报警器，并通过OneNET云平台及远程监控端Web界面向居民及政府相关工作人员的手机终端发送火灾预警信息，且可以在Web界面上实时查看到居民家中火灾环境信息情况。

1  系统总体结构

本系统包含多个环境数据采集传感器节点（温度、烟雾、可燃性气体、火焰等采集模块）、多个ZigBee终端节点、一个数据汇集节点（ZigBee协调器）、OneNET云平台、远程监控端Web界面、声光报警模块以及液晶显示模块。系统结构图如图1所示。

本设计主要实现的功能有：

（1）系统搭载了温度传感器、烟雾传感器、可燃性气体传感器、火焰传感器等用于实时采集环境数据来判定火灾是否发生。

（2）采用ZigBee通信实现多个传感器节点自组网及数据汇总上传到ZigBee协调器。

（3）系统配备了液晶显示模块、声光报警模块，主要用于实现现场环境数据的显示、报警等功能。

（4）采用4G模块通过MQTT协议将ZigBee协调器上的数据上传到OneNET云平台进行云保存，为实现远程监控，可通过Web界面将云平台中的数据进行实时展示，并可以在远程端实现预警参数设计及相关控制信息的设定等。

2  系统关键技术分析

2.1  传感器节点设计

火灾预警系统中的传感器节点即图1中的温度、烟雾、可燃性气体、火焰等采集模块和ZigBee终端节点，其一方面能实现数据采集和处理，另一方面能实现数据融合和路由。单个传感器节点主要由ZigBee无线通信模块、传感模块和电源模块组成。ZigBee无线通信模块选用RF收发器CC2530 ZigBee芯片，CC2530本身属于能够同SOC兼容的芯片，能够对ZigBee PRO以及ZigBee等标准进行支持[3]。ZigBee无线通信模块上电后自动检测网络并加入指定网络，通过CC2530硬件外设对各个传感器进行控制并读取传感器数据[4]。传感模块中主要包含温度传感器、烟雾传感器、可燃性气体传感器、火焰传感器等。电源模块作为传感器节点的基础模块，直接关系到传感器节点的寿命、成本和体积，电池供电是传感器节点目前最为常见的供电方式，本系统采用锂电池为传感器节点提供所需电能。单个传感器节点的硬件结构图如图2所示。

2.2  ZigBee协调器

由于木质民宅面积一般较大，需要布置多个数据采集传感器节点。ZigBee是一种短距离、低功耗、低速率、低成本的无线自组网通信技术，传感器节点通过ZigBee通信方式将采集的数据汇集到ZigBee协调器后再向OneNET云平台上传输。ZigBee协调器是本系统中各传感器节点信息的汇聚点，是网络的核心节点，负责组建、维护和管理网络，并采用4G模块通过MQTT协议实现ZigBee协调器与OneNET云平台之间的数据传递。本系统中的ZigBee协调器主要包括MCU模块，其选用MSP430F1611芯片作为MCU，ZigBee无线通信模块即RF收发器CC2530和电源模块，未包含传感器模块，并通过外接声光报警模块以及液晶显示模块，实现报警、环境数据显示功能等。电源模块主要为ZigBee协调器提供所需电能。ZigBee协调器及外接设备硬件结构图如图3所示。

2.3  OneNET云平台

OneNET云平台是中国移动物联网的开放平台。用户能按照需要在OneNET云平台中选择适合的訪问协议进行物联网系统开发设计，且OneNET云平台适用于各种物联网设备访问协议。云平台提供的API接口是用来进行开发智能硬件的，并且也支持智能硬件和终端设备的快速访问[5]。OneNET云平台最大优点是可以直接在云中进行系统设计并实现上层计算机软件监控界面，且其具有强大的云计算能力以及数据存储和转发功能[6]。本系统为实现火灾监测数据“云共享”功能，接入了OneNET云平台。4G模块通过MQTT协议将温度、烟雾、可燃性气体及火焰等环境数据上传到OneNET云平台进行保存。接入OneNET云平台基本流程如图4所示。

2.4  远程监控端Web界面设计

本系统中的远程监控端Web界面主要用于火灾预警信息的实时显示与控制，OneNET云平台通过B/S模式在用户端（电脑/平板/手机）上进行监测数据的显示、火灾阈值设定、火灾预警信息的短信发送等。OneNET云端接入用户端的结构图如图5所示。

3  软件设计

从整个系统的无线传感网络软件来看，其重点是协调器控制程序和终端节点控制程序。终端节点完成搜索同时添加到网络中，再接收协调器传输至此的数据帧，然后读取传感器数值并将其发送到协调器上。如果发送成功，则继续接收协调器下一个时间段传送过来的数据帧，如果发送不成功，则继续发送传感器读取到的数据给协调器直至发送成功。终端节点控制程序流程图如图6所示。

4  结  论

近年来，贵州省少数民族居民的木质民宅时常发生火灾，不仅给居民带来生命财产安全的损失，更给当地政府实现乡村振兴以及保障人民生命财产安全带来了极大挑战。本文设计的基于监测数据“云共享”的火灾预警系统虽然暂未实际应用于贵州省木质民宅的火灾预警之中，但是从思路上提供了一种解决问题的可能，今后将根据实际情况将此系统付诸实践，切实为保障贵州省少数民族木质民宅居民的生命财产安全提供更加智能化、便捷化的物联网技术应用解决方案。

参考文献：

[1] 刘海洋，王春光，陈智，等.基于MC13213的无线风蚀数据采集器的设计 [J].内蒙古农业大学学报（自然科学版），2013，34（4）：96-100.

[2] 李志军，张文祥，杜丽，等.基于物联网的智能农业监控系统设计 [J].内蒙古农业大学学报（自然科学版），2021，42（2）：93-98.

[3] 张沛.基于物联网的智慧农业大棚的发展与应用 [J].农家参，2019（13）：33.

[4] 刘鑫淼.ZigBee无线通信网络节点设计与组网实现 [J].数字通信世界，2016年（10）：38-60.

[5] 闫敏.基于OneNet物联网平台的家用智能断路器系统 [D].新乡：河南科技学院，2021.

[6] 公茂法，公鑫，张敏，等.基于OneNet平台的电力负荷监测系统的研究 [J].电测与仪表，2017，54（15）：65-68+74.

作者简介：杨珂（2001.05—），女，汉族，江西九江人，本科在读，研究方向：物联网技术应用;谭艳萍（1990.04—），女，汉族，湖南邵阳人，讲师，硕士研究生，研究方向：物联网技术应用;郭伟（1999.09—），男，汉族，贵州遵义人，本科在读，研究方向：物联网技术应用。