肖廣兵 陳有超 孫寧 陳勇

摘要：對火災現(xiàn)場進行全方位、實時的環(huán)境因素監(jiān)測，充分掌握火災現(xiàn)場環(huán)境信息，可以有效降低火災發(fā)生時的人員傷亡概率，減少經(jīng)濟損失。研發(fā)以JN5139芯片為核心控制單元的火災監(jiān)測系統(tǒng)，采用Zigbee無線傳輸技術(shù)將多個傳感節(jié)點組織為無線傳感網(wǎng)絡，可在家用供電電路損壞、密閉空間等極端環(huán)境中有效采集煙氣含量、濕度、溫度等數(shù)據(jù)，并由監(jiān)測主節(jié)點將相關數(shù)據(jù)匯總至監(jiān)測中心作進一步分析處理，從而實時顯示當前區(qū)域的火災態(tài)勢，指導火災救援作業(yè)。

關鍵詞：火災監(jiān)測系統(tǒng);JN5139模塊;Zigbee;無線傳感網(wǎng)絡;實時監(jiān)測

DOI：10.11907/rjdk.191742

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）012-0138-04

0引言

在火災現(xiàn)場等高危環(huán)境中，若缺乏對現(xiàn)場環(huán)境因素的評估而貿(mào)然采取救援行動，將引發(fā)嚴重的安全隱患。因此，在進行火災救援前，充分掌握現(xiàn)場環(huán)境狀況對保證相關人員人身安全具有重要意義。

傳統(tǒng)火災報警器功能較為單一，文獻[1]提出一種基于傳統(tǒng)火災報警器的預警方案，能在火災發(fā)生初期及時進行預警。但監(jiān)測節(jié)點只是作為一個相對孤立的預警節(jié)點，沒有形成由點及面的監(jiān)測網(wǎng)絡對整體火災態(tài)勢進行分析，因此在火災救援過程中難以很好地配合救援工作，且容易受到電路損壞等因素影響，監(jiān)測穩(wěn)定性不佳。

近年來，在電子技術(shù)與信息技術(shù)迅猛發(fā)展的大背景下，火災監(jiān)測系統(tǒng)逐步形成了集信息采集、信息傳輸與信息分析功能三位一體的綜合性系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)更加智能化、集成化與系統(tǒng)化。

在信息采集方面，主流技術(shù)包括針對林場等大范圍監(jiān)測的紅外熱成像技術(shù)等，如文獻[2]研發(fā)了一種以紅外熱成像技術(shù)為核心的防火監(jiān)控體系，該體系在大空間區(qū)域防火監(jiān)控中具有明顯優(yōu)勢，但對于局部災情，特別是室內(nèi)等被建筑物遮擋的盲區(qū)監(jiān)測效果不佳;在信息傳輸方面，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)脱訒r、高保真的傳輸要求一直是待突破的難點，目前的Zigbee技術(shù)基本能保證傳輸要求，未來的5G通訊技術(shù)也會是另外一個突破點;在信息分析方面，如黃卓提出運用大數(shù)據(jù)分析方法，提高火災監(jiān)測系統(tǒng)的輔助決策能力。

本文設計的無線火災監(jiān)測系統(tǒng)，可在有線通訊線路損壞的情況下，以無線傳感網(wǎng)絡為通訊平臺，將各監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)匯總至災情監(jiān)控部門，災情監(jiān)控部門通過監(jiān)測系統(tǒng)對相關數(shù)據(jù)進行分析、處理，進而作出更合理的決策，為救援人員規(guī)劃最佳救援路線，以有效保障救援人員及受困人員安全。該系統(tǒng)成本低、實用性強，可實現(xiàn)動態(tài)災情監(jiān)控，從而降低救災過程中的人員傷亡概率。

1系統(tǒng)設計與工作原理

如圖1所示，無線火災監(jiān)測系統(tǒng)主要分為3個功能模塊：①監(jiān)測子節(jié)點模塊，主要用于采集居民樓各區(qū)域的煙氣含量、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，以及轉(zhuǎn)發(fā)其它監(jiān)測子節(jié)點數(shù)據(jù);②監(jiān)測主節(jié)點模塊，其一方面具備長距離傳輸信息的條件，可將監(jiān)測子節(jié)點中的數(shù)據(jù)匯總并上傳至監(jiān)測中心，另一方面可實時監(jiān)測樓棟各節(jié)點煙氣含量、溫度及濕度三大環(huán)境因素，達到系統(tǒng)預設的閾值時則觸發(fā)報警器;③監(jiān)測中心模塊，主要功能是接收來自監(jiān)測主節(jié)點的數(shù)據(jù)，并進行實時分析與處理，生成各節(jié)點溫度趨勢圖和火災現(xiàn)場整體環(huán)境質(zhì)量圖，供決策人員參考。

火災發(fā)生初期，監(jiān)測主節(jié)點模塊根據(jù)接收自監(jiān)測子節(jié)點的信息觸發(fā)樓棟火災報警器，為居民爭取盡可能多的逃生時間，同時將數(shù)據(jù)上傳至消防部門監(jiān)測中心。監(jiān)測中心根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)實時生成火災態(tài)勢分析圖，消防部門依據(jù)火災態(tài)勢派遣消防人員及時到達火災現(xiàn)場。救援過程中，消防人員根據(jù)火災態(tài)勢分析實時圖制定相應救援方案，從而最大程度地降低人員傷亡。

2災情監(jiān)測預警

相關研究表明，火災最佳逃生時間僅有90。所以在建筑物內(nèi)外部建立一套全方位的實時災情監(jiān)測系統(tǒng)進行實時監(jiān)測與預警，才能為火災逃生盡可能多地爭取時間。火災中，煙氣、缺氧和熱量三大因素是造成人員傷亡的主要原因。其中煙氣危害最大，統(tǒng)計結(jié)果表明，火災中85%以上的遇難者是由于火災過程中吸入了煙塵及有毒氣體昏迷后而致死的;其次是缺氧給人體帶來的危害，當氧氣在空氣中的含量由21%的正常水平下降到15%時，人體的肌肉協(xié)調(diào)能力會明顯受到影響;熱量相比前兩者對人體造成的傷害較小。當有火災發(fā)生跡象時，即煙氣、缺氧和熱量檢測值達到系統(tǒng)預設閾值時，火災監(jiān)測預警系統(tǒng)則會觸發(fā)報警器。然后監(jiān)測中心會根據(jù)接收到環(huán)境數(shù)據(jù)，按照煙氣、缺氧、熱量三大因素對監(jiān)測子節(jié)點環(huán)境進行評估，生成火災現(xiàn)場環(huán)境質(zhì)量圖。救援人員依據(jù)火災現(xiàn)場環(huán)境質(zhì)量圖選擇最佳的救援線路及救援方案，從而在有效節(jié)省救援時間的前提下盡可能提高救援質(zhì)量。

3硬件電路設計

如圖2所示，監(jiān)測子節(jié)點的硬件電路主要包括：供電模塊、傳感電路、JN5139模塊、電路防雷保護電路，以及串口電路和數(shù)據(jù)存儲電路。

3.1供電模塊設計

為預防火災發(fā)生時電路損壞對火災災情監(jiān)測系統(tǒng)造成的影響，提高系統(tǒng)魯棒性，系統(tǒng)采用220V家用供電和蓄電池供電兩種供電方式。在使用220V家用供電時，接口采用電容濾波和U7LM1117穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，將波動的家用電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的3.3V供電電壓。該電路具備防反接設計，通過D12二極管的單向?qū)щ娦?，保證只有在電源正接的前提下才能有效供電。蓄電池供電接口采用可充電式3.3V電池，同樣具備防反接設計。在保證蓄電池電量充足的前提下，供電模塊會優(yōu)先選擇220V家用供電接口。當家用電路被火災破壞時，則自動選用蓄電池供電，以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

3.2傳感電路設計

傳感電路負責采集環(huán)境信息并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號，是整個火災監(jiān)測系統(tǒng)的基礎。因此，傳感電路設計與傳感器選型顯得尤為重要。本文在保證傳感電路性能的前提下，兼顧經(jīng)濟因素。由于煙氣含量監(jiān)測和氧含量監(jiān)測在功能上具有重復性，所以本系統(tǒng)傳感電路僅采用煙霧監(jiān)測傳感器實現(xiàn)該功能。另外采用一個集成的溫濕度傳感器實現(xiàn)溫度與濕度數(shù)據(jù)采集。

3.3JN5139模塊

JN5139模塊基于標準IEEE802.15.4.Zigbee PRO規(guī)范，是一種近距離的雙向無線通訊芯片，其功耗、復雜度、數(shù)據(jù)傳輸率與成本均較低，具有短距離、多點、多跳、自動組網(wǎng)的無線通訊特點。JN5139模塊通過D1012、D1013、D1014、D1015與傳感電路相連，經(jīng)過一定處理后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至下一節(jié)點。JN5139模塊最小系統(tǒng)如圖5所示。

4軟件設計

監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計主要包括監(jiān)測子節(jié)點程序設計、監(jiān)測主節(jié)點程序設計與監(jiān)測中心軟件設計。

4.1監(jiān)測節(jié)點程序設計

監(jiān)測子節(jié)點程序設計的核心是通過向JN5139芯片寫入嵌入式代碼，實現(xiàn)網(wǎng)絡初始化、信號調(diào)理、無線數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。監(jiān)測主節(jié)點程序根據(jù)接收自監(jiān)測子節(jié)點的信息判斷當前樓棟安全狀況，并將數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至監(jiān)測中心。

如圖6（a）所示，監(jiān)測子節(jié)點接通電源時，主程序開始運行并初始化網(wǎng)絡。網(wǎng)絡初始化成功后，監(jiān)測子節(jié)點即開始采集相關數(shù)據(jù)，同時轉(zhuǎn)發(fā)與主節(jié)點連接不良的子節(jié)點數(shù)據(jù)，然后統(tǒng)一上傳至監(jiān)測主節(jié)點。在未接收到終止命令時，該過程會周而復始地進行，以達到實時采集數(shù)據(jù)的要求。如圖6（b）所示，監(jiān)測主節(jié)點初始化流程與監(jiān)測子節(jié)點一致。初始化成功后，開始接收來自監(jiān)測子節(jié)點的數(shù)據(jù)并進行初步處理，判斷當前樓棟安全狀況是否正常。若情況正常，則直接將數(shù)據(jù)通過遠程網(wǎng)絡上傳至監(jiān)測中心;若發(fā)現(xiàn)異常，則先觸發(fā)樓棟報警器，再將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測中心。數(shù)據(jù)上傳完成后，若沒有得到終止命令，則跳轉(zhuǎn)至“接收子節(jié)點數(shù)據(jù)”步驟進行下一輪循環(huán)。

4.2監(jiān)測中心軟件設計

圖7為采用Visual Basic 6.0開發(fā)環(huán)境編寫的監(jiān)測中心軟件。監(jiān)測中心軟件根據(jù)接收自監(jiān)測主節(jié)點的信息，實時生成各節(jié)點溫濕度趨勢圖與樓棟整體火災態(tài)勢分布圖，并根據(jù)需求進行展示。例如，當某一小區(qū)3號樓的2樓和3樓發(fā)生火災時，軟件會自動標記發(fā)生火災的區(qū)域，然后調(diào)出2樓的火災態(tài)勢分布圖查看當前火災現(xiàn)場狀況。根據(jù)軟件顯示結(jié)果，1號出口比2號更加安全，可選為救援或逃生路線。

5結(jié)語

本文創(chuàng)新性地將無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)應用于火災態(tài)勢監(jiān)控中，以實現(xiàn)對火災現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)測。在對煙氣含量、溫度和濕度數(shù)據(jù)進行分析的基礎上，建立火災預警系統(tǒng)與火災態(tài)勢監(jiān)測系統(tǒng)，可在火災發(fā)生前及時預警，在火災發(fā)生中可靠地傳輸并處理環(huán)境數(shù)據(jù)，供救援人員選擇最佳救援方案，從而有效提高救援質(zhì)量，減少人員傷亡。

未來可對該火災監(jiān)測系統(tǒng)作進一步優(yōu)化與完善，如將監(jiān)測節(jié)點集成至智能家居中，作為智能家居的一個附加功能，不僅有助于該技術(shù)的普及使用，還能節(jié)省安裝成本。另一方面，監(jiān)測中心數(shù)據(jù)除配合現(xiàn)場救援外，還可用于大數(shù)據(jù)分析，形成基于大數(shù)據(jù)的輔助決策系統(tǒng)，以降低人員主觀評價帶來的偏差。