基于物联网的高校消防安全管理系统

王文强

（山东服装职业学院 信息工程系，山东 泰安 271000）

高校宿舍具有房间多、人员多、固体可燃物多、电器设备多的特点，同时面临电气线路老化、杂物随意摆放、学生违规用电、违规吸烟等现实问题，具有较高的火灾安全隐患和管理难度。传统的高校宿舍消防配置的报警器、灭火装置等装备互不关联，需要以“人”作为中间环节联结各个信息孤岛。“人”的反应速度和处理水平对火灾的预防和处理至关重要，也制约了高校宿舍消防水平的进一步提升。为解决以上问题，文章设计了基于物联网技术的高校宿舍消防安全管理平台，平台以LoRa无线通讯技术为纽带建立物联网络，针对高校宿舍消防特点进行软硬件设计，实现消防设备、消防管理主体、消防管理客体间的互联互通。

1 多功能火灾信息探测器

消防工作的开展需遵循“预防为主、防消结合”的方针。对火灾隐患产生环境进行准确的实时监测，在日常监测中减少火灾隐患，在灾害发生时第一时间发现，可以最大程度上消除隐患或使得火灾因素可防可控，也能够在火灾发生初期进行灭火，这就需要一个多功能、高效率的火灾信息探测器，以此探测器作为终端节点，结合物联网技术连点成线、连线成网，组成具备火灾隐患监测、火灾报警、防人为触碰、物联网无线通讯等功能的火灾预警网络。多功能火灾信息探测器是高校消防安全管理系统的核心功能部件，针对高校消防特点，对多功能火灾信息探测器进行如下模块设计。

（1）区域电流实时监测模块，电气火灾是中国高校最常见的火灾类型之一，对宿舍用电进行监测是预防宿舍火灾的重要途径。多功能火灾信息探测器通过专门的计量电路实现区域电流实时监测，该电路以RN8209C单相电量计量芯片为核心，通过串口通信与STM32进行连接，通过该电流检测模块可以对学生宿舍等场所进行全天候用电监测，结合学生行为逻辑判断宿舍是否存在使用大功率电气、无人时对电池进行充电等违规用电行为。

（2）有毒有害气体监测模块，该检测模块借助高精度有毒有害气体传感器进行探测，借助信号放大电路对探测信号进行放大，将放大后的信号通过串口和STM32进行通信连接，再对气体信号进行三点温湿度补偿，最后再借助标准气体计量值进行数据校准得到监测结果，该模块可以对高校实验室以及高校宿舍堆放杂物的场所进行监测，避免出现危化品泄露或者实验气体泄露等情况，及早发现及早处理。

（3）烟雾监测模块，通过烟雾探测模块来进行烟雾探测，烟雾探测模块采用MQ-2烟雾传感器，烟雾探测器可以探测烟雾浓度，烟雾浓度越大，输出模拟信号就越大。通过其输出电压与门限电压来比较从而输出结果，输出结果可设置高低两种阈值，对于高校宿舍来说，高阈值可以设置为火灾报警阈值、低阈值可以设置为抽烟警告阈值。

（4）防触碰模块，针对高校宿舍存在人为破坏烟雾报警器的行为，设计防触碰模块，该模块通过震动传感器捕捉探测器震动信号。一旦探测器启用后，对探测器的人为触碰将会触发警报信号，从而避免人为因素导致探测器失效。

（5）物联网无线通讯模块，该模块通过串口通信与STM32互联，在单片机对前面所述的各模块反馈的信号进行逻辑处理后，通过物联网无限通讯模块将处理的隐患监测信号、有毒有害气体信号、人为触碰信号、火灾报警信号等信息准确、实时的对外传输，同时也能够将多功能火灾信息探测器本身的状态信号向上传递，同时借助物联网通讯技术，还能够远程对探测器进行主动检测和实时控制。

（6）警报模块，通过声光报警对火灾进行现场警报，并能够实现远程语音播报功能。

2 总体设计

如图1所示，以多功能火灾信息探测器为终端节点、LoRa星型网络结构为构架、高性能工控机为核心、结合互联网云服务器建立高校消防安全管理硬件系统。据校园宿舍分布情况设置多个LoRa无线网关，这些无线网关在有效传输距离内将多个多功能火灾信息探测器进行互联，形成星形拓扑结构。中继网关再通过标准IP与工控机相连，建立基于LoRa技术的消防安全硬件网络系统。采用LoRa技术建立的火灾信息传递网络，可实现多通道并行信号传递和处理，大大增加了信息传递效率和网络冗余性，使火灾信息的传递更加安全可靠。

图1 高校消防安全管理系统总体设计

在硬件系统基础上建立消防物联网软件平台。软件平台安装在高性能工控机上并与互联网云服务器互联，平台包括信息采集端、消防主控端、消防云控端三部分。如图2所示为高校消防安全管理系统信息处理流程图，多功能火灾信息探测器将火灾异常信息向消防中控室传递，平台的信息采集端对实时采集的消防安全信息进行分析，将采集到的信息按照火灾预警信息、安全管理信息两方面进行筛选、分类，并将信息向消防主控端进行传递。消防主控端自动将分类后的信息以可读化或可视化的语言在主界面上显示，并对信息进行智能处理，包括警报、传递、归档等处理工作。消防云控端通过云服务器，将主控端与web客户端、手机App、紧急联络电话等远程设备相连，能够进一步地将消防信息向消防管理或校园管理人员进行远程呈现，并接受远程人员的操作指令。

图2 高校消防安全管理系统信息处理流程图

3 系统测试和分析

在高校内划定半径1.5 km作为测试区域，在测试范围内选取60个分布在不同位置的房间设置多功能探测器终端，并架设5个LoRa中继网关通过网线与消防中控室的工控机相连，经测试60个探测器终端均能与网关和消防中控室正常通信。在此基础上对高校消防安全管理系统进行功能测试。

（1）消防物联网系统网络测试。在60个探测终端中选取其中10个终端进行系统网络测试，其中包括全链路丢包率测试、网络延时测试、射频信号稳定性测试三项，经测试该系统传输速率搞、网络连接稳定，详见表1。

表1 网络测试结果

（2）模拟火灾预警测试。对高校消防安全管理系统进行综合模拟测试，利用液体石蜡气溶胶发生器模拟初起火灾产生的烟雾，选取6个测试房间，每个房间进行连续6次响应试验，测试试验现场探测器警报情况、测试消防中控室和手机App警报情况。经测试系统运行良好，现场探测器和消防中控室均能在起烟5 s内进行响应，手机App可以在8 s内收到警报信息，详见表2。

表2 模拟火灾预警测试结果

（3）违规用电管理测试。防火减灾离不开“人”的因素，将高校消防管理系统与学生管理相结合才能够更好地从根源上杜绝火灾的发生。选取5个高校班级进行该项测试，测试时间为两个月，首先通过高校消防安全管理系统对这5个班级对应的宿舍用电情况进行监测，第一个月只进行监测和记录。第二个月在监测的同时将宿舍违规用电信息每天发送到班级管理人员的手机，并由管理人员进行处理。经测试，在该系统运行第二个月，5个班级的违规用电情况均大幅度下降，详见表3。

表3 违规用电管理测试结果

4 结语

高校消防安全管理系统将传统消防感知技术与物联网、云计算、移动互联网等新一代信息技术相结合，打破原有单点或局域网式的消防警报器的区域和功能局限，形成大范围、全覆盖、智能化、多层次响应的消防物联网平台。在具体应用中该平台将消防预警与高校学生管理相结合，实现了对火灾隐患的实时监测和提前管控，防火于未然；通过全区域多层次的消防信息传递和处理，实现早发现、早灭火，并能够进行智能化的信息统计和归档，有助于在高校中落实预防为主、防消结合的消防政策方针，同时更好地为智慧校园和智慧城市的建设提供助力。