謝景榮，李寧寧

(1.陜西省消防總隊，陜西 西安 710018； 2.公安部沈陽消防研究所，遼寧 沈陽 110034)

關于聯(lián)網(wǎng)型獨立式感煙火災探測器應用的思考

謝景榮1，李寧寧2

(1.陜西省消防總隊，陜西 西安 710018； 2.公安部沈陽消防研究所，遼寧 沈陽 110034)

聯(lián)網(wǎng)型獨立式感煙火災探測報警器的全面推廣應用，是有效防范“九小場所”以及社區(qū)、農村居住場所火災，尤其是遏制養(yǎng)老服務機構及居家養(yǎng)老、“空巢老人”、分散養(yǎng)老特困人員等弱勢人群居住場所火災的一個有效技術手段。分析了目前聯(lián)網(wǎng)型獨立式感煙火災探測器的技術現(xiàn)狀，并以WiFi型獨立式感煙火災探測器為例，提出聯(lián)網(wǎng)型獨立式感煙火災探測器的總體設計方案、硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，將為減少火災事故、有效遏制“小火亡人”高發(fā)頻發(fā)的勢頭起到積極的作用。

獨立式感煙火災探測器；聯(lián)網(wǎng)；消防安全

2015年，公安部、民政部、住建部、保監(jiān)會、老齡辦、殘聯(lián)等國家六部委聯(lián)合下發(fā)《關于積極推動發(fā)揮獨立式感煙火災探測報警器火災防控作用的指導意見》(公消〔2015〕289號)，要求各地充分認識獨立式感煙火災探測報警器在火災防控中的重要作用，鼓勵加大推廣力度，有效減少火災事故發(fā)生。通過在全國各地推廣應用獨立式感煙火災探測器，對穩(wěn)控火災形勢起到了一定的作用。但是從近幾年全國火災形勢來看，社區(qū)、農村居(村)民居住場所以及“九小場所”(小商場、小學校、小醫(yī)院、小餐飲場所、小旅館、小歌舞娛樂場所、小網(wǎng)吧、小美容洗浴場所、小生產加工企業(yè))火災高發(fā)頻發(fā)，尤其是這些場所“小火亡人”事故多。2017年春節(jié)后的1個月時間，全國居(村)民居住場所共發(fā)生火災1.3萬余起，死亡117人，分別占火災總起數(shù)和亡人總數(shù)的45%和66%，“九小場所”的火災起數(shù)也一直居高不下。分析具體原因，一方面與這些場所火災發(fā)生后報警晚、居住人員未及早采取滅火自救措施有很大關系，另一方面是這些場所中有的雖然安裝了獨立式感煙火災探測器，但使用非聯(lián)網(wǎng)型的居多。這種探測器無法向外傳遞報警信號，雖然本室人知道，但仍不能避免“樓下著火，樓上亡人，樓上著火，樓下遭殃”的后果。尤其是隨著人口的老齡化，居家養(yǎng)老、“空巢老人”、分散養(yǎng)老特困人員家庭內，行動不便、反應慢的老人即使聽到報警，仍無法采取及時有效的滅火措施。聯(lián)網(wǎng)型獨立式感煙火災探測報警器是基于WiFi、Zigbee、GSM、大數(shù)據(jù)、云計算等物聯(lián)網(wǎng)技術提出的，使獨立式感煙火災探測器的作用發(fā)揮更加完善與可靠，大大提高了此類場所的火災早期預警水平。

1 技術現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，目前無線火災報警系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的主要技術為：433 MHz射頻、Zigbee和GSM。其中433 MHz射頻通信技術采用的波長較長，具有信號繞射能力強、受障礙物干擾影響小的特點，一般情況下可以做到點對點通信，室內應用距離約50 m左右，與Zigbee和WiFi的2.4 GHz通信以及GSM的900 MHz至2.0 GHz通信相比，具有很大的優(yōu)勢，而且433 MHz射頻通信技術設備的單個成本與系統(tǒng)整體成本都較其他方式低廉，架設簡單。因此，對于建筑規(guī)模小，具有多個房間的場所，如“九小場所”，基于433 MHz射頻通信的無線式火災報警系統(tǒng)可以作為應用首選，但是要發(fā)揮好系統(tǒng)的優(yōu)勢，仍要借助WiFi或GSM通信網(wǎng)絡實現(xiàn)系統(tǒng)對外通信。Zigbee技術在具有大規(guī)模節(jié)點無線傳輸需求、且對信號傳輸及時性要求不高的場所應用比較廣泛，但在建筑規(guī)模小的場所火災探測方面，其大規(guī)模的優(yōu)勢特點無法得到發(fā)揮，反之由于其屬于通用Mesh協(xié)議架構，協(xié)議復雜度高，維護難度大。GSM技術是手機移動通信網(wǎng)絡技術，特別適宜遠程通信，在探測器分散距離較大，或者系統(tǒng)內點數(shù)較少且需要遠程傳輸?shù)膱鏊浅＿m宜，缺點是SIM卡運營成本較大，每個探測器都需繳納流量費用，而且在建筑內手機信號無法穿透的地方不能通信。

目前在物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等領域前瞻性研究方面，除比較先進的5G無線傳輸技術外，還有IPv6及 NB-IoT技術。IPv6除了可以使接入速率更高、傳輸和處理速度更快外，由于地址資源豐富，每個探測器都可以有一個唯一的IP地址，這樣就可以實現(xiàn)地址溯源，進行網(wǎng)絡對象身份識別和訪問授權，能夠實現(xiàn)安全傳輸，也使網(wǎng)絡對每個聯(lián)網(wǎng)對象的控制更加精細，提供有序的管理、有效的運營和及時的維護。NB-IoT技術目前還沒有正式商用，在聯(lián)網(wǎng)型獨立感煙火災探測器的使用上，NB-IoT具備三大優(yōu)點：一是覆蓋廣，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡增益20 dB，覆蓋面積擴大100倍；二是具備支撐海量連接的能力；三是功耗更低，NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年。這兩種新技術的發(fā)展對于改進接入物聯(lián)網(wǎng)的獨立式感煙火災探測器也會起到重要作用。因此，在推廣應用聯(lián)網(wǎng)型獨立式感煙火災探測器時，應根據(jù)應用場所、對象、運維方式的不同，選擇適合的無線組網(wǎng)方式。同時，應緊跟5G、IPv6、NB-IoT等技術發(fā)展動態(tài)，使聯(lián)網(wǎng)型的獨立式感煙火災探測器更加完善。

2 技術實現(xiàn)

2.1 總體方案設計

聯(lián)網(wǎng)型獨立式感煙火災探測器設計的總體結構主要包括：核心主控芯片STM32，紅外煙霧探測模塊，聲光報警模塊和無線傳輸模塊。當紅外煙霧探測模塊檢測到火災煙霧時，會將報警信息發(fā)送給主控芯片，并由主控芯片向報警模塊發(fā)出聲、光報警信號。同時，報警信息通過無線傳輸模塊發(fā)送給用戶或控制中心。無線傳輸模塊可以用目前被廣泛使用的通信協(xié)議，例如WiFi、Zigbee、Bluetooth等。本設計以WiFi無線傳輸模塊為例。系統(tǒng)模塊結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊結構

2.2 系統(tǒng)硬件設計

2.2.1 紅外煙霧檢測電路設計。這部分電路主要由紅外傳感器和主控芯片STM32通信連接，通過傳感器接收數(shù)據(jù)，由主控芯片完成煙霧濃度檢測及判斷算法，定時檢測濃度是否超標。電路設計框圖，如圖2所示。

圖2 紅外煙霧檢測電路框圖

2.2.2 聲光報警電路設計。此部分電路主要用于在檢測到煙霧濃度異常或電池低壓時，發(fā)出聲、光報警信號，對附近人群起到提示警告作用。電路設計框圖，如圖3所示。

圖3 聲光報警電路框圖

2.2.3 WiFi無線傳輸模塊設計。本無線模塊設計基于ESP8266無線模塊，通過串口與主控芯片通信，在發(fā)生報警時，主控芯片會通過WiFi模塊發(fā)送信息給用戶或控制中心。如圖4所示。

圖4 WiFi無線信息傳輸電路框圖

2.3 系統(tǒng)軟件設計

2.3.1 煙霧檢測軟件設計。程序開始時，先進行初始化操作，之后進入休眠。定時開啟檢測煙霧，當煙霧濃度超標時，發(fā)出聲、光報警信號。具體軟件流程，如圖5(a)、(b)所示。

(a)主流程

(b)煙霧檢測流程

2.3.2 無線通信軟件設計。當主控芯片檢測到煙霧濃度異常時，將煙霧報警通知信號通過WiFi發(fā)送給用戶或控制中心。具體軟件流程，如圖6所示。

3 應用效果

從2016年6月起，在某公司的辦公樓、宿舍以及部分出租屋共安裝基于WiFi的獨立式感煙火災探測器531個，信號收集器74個，管理面積共計9 388 m2。

經(jīng)近1年的運行，系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，如表1所示。表1中存在誤報率的主要原因是出租屋內存在在探測器下做飯的情況，目前已解決。故障率主要是電池問題、設備自身故障以及信號收集器由于斷電存在的探測器掉線問題，由于“消防云”系統(tǒng)的存在，可以及時發(fā)現(xiàn)故障，及時解決，保證系統(tǒng)的可靠運行。通過小面積的試點證明，安裝基于WiFi的獨立式感煙火災探測器，可在火災發(fā)生的初期階段發(fā)現(xiàn)火災，并通過無線通信的方式聯(lián)動響應，對周圍的報警器進行預警，提示人員進行疏散，同時可以通過移動設備通知管理人員及相關部門幫助人員進行疏散，及時把火災告知該區(qū)域內相關人員。

圖6 WiFi無線通信軟件流程圖

表1 系統(tǒng)運行統(tǒng)計表

4 前景與展望

聯(lián)網(wǎng)型的獨立式感煙火災探測報警器的檢測信號可傳入?yún)^(qū)域云端服務器或遠程云端服務器的“消防云”，供物業(yè)管理部門、消防技術服務機構或公安機關消防機構指揮中心對信號進行監(jiān)管，實現(xiàn)對保護場所的實時監(jiān)控，及時把火災告知該區(qū)域內相關人員，還可為消防救援人員和火因鑒定人員提供相關信息支持。此外，通過對云端大數(shù)據(jù)的處理與挖掘，可為研發(fā)新產品、提升產品性能提供數(shù)據(jù)支持，也為相關部門制定政策法規(guī)及標準規(guī)范提供依據(jù)。由于不需要布線施工，目前的家庭住宅及各類小場所增設聯(lián)網(wǎng)型的獨立式感煙火災探測器非常方便，便于大面積推廣及使用。推廣實施后將使全國家庭住宅、各類小場所的火災防控工作提升到新高度，產品的生產企業(yè)不僅可提供“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的高端產品，還將提供可持續(xù)大數(shù)據(jù)時代的相關服務，拉動地區(qū)經(jīng)濟，提高地區(qū)安全等級和地區(qū)服務產業(yè)等級，為城鎮(zhèn)建設提供安全保障。

[1] 關于積極推動發(fā)揮獨立式感煙火災探測報警器火災防控作用的指導意見：公消〔2015〕289號[Z].2015.

[2] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.獨立式感煙火災探測報警器：GB 20517—2006[S].北京：中國標準出版社，2006.

[3] 郭鍵，王汝琳.火災探測技術的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].遼寧工程技術大學學報，2004，23(2)：208-210.

[4] 疏學明，袁宏永，趙建華．光電探測器及其在火災探測中的應用[J]．消防科學與技術,2002，21(1)：31-33.

[5] 李鵬.光電感煙火災探測器的結構設計[J].消防技術與產品信息,2008(9):46-47.

[6] 單夫來.智能型光電感煙火災探測器的設計[J].建筑設備控制與管理,2008,2(4):73-76.

[7] 孫爽．點型光電感煙火災探測器的靈敏度[J]．消防科學與技術，2002，21(6)：39-41.

[8] 王殊，竇征.火災探測及其信號處理[M].武漢：華中理工大學出版社，1998.

(責任編輯 李 蕾)

Thoughts on the Application of Networked Stand-alone Smoke Detectors

XIE Jingrong1, LI Ningning2

(1. Fire Corps of Shanxi Province, Xi’an 710018, China; 2. Shenyang Fire Research Institute of the Ministry of Public Security, Liaoning Province 110034, China)

The wide application of networked stand-alone smoke detectors is an effective means to prevent fires in “nine small places”, communities, and rural residential places. In particular, it is an effective measure to curb fires in the residential areas with vulnerable people, such as pension service institutions, home care, empty nest elderly, and decentralized poor old people. This paper analyzes the technical status quo of the networked stand-alone smoke detectors, with stand-alone smoke detectors with WiFi as an example, and proposes the implementation process of overall design, hardware and software system for networked stand-alone smoke detectors in order to decrease fire incidents and effectively curb the high frequency of small fires causing casualties.

stand-alone smoke detectors; network; fire control safety

2017-04-16

謝景榮(1974— )，男，陜西鳳翔人，高級工程師； 李寧寧(1979— )，女，山東寧津人，副研究員。

TU892

A

1008-2077(2017)08-0059-04