摘要：目前，大型綜合性建筑與商業(yè)設施得到廣泛使用，在出現(xiàn)災害和險情時如何應對，并實現(xiàn)有效預警處置，是其正常運轉的關鍵。大數(shù)據(jù)時代，將物聯(lián)網(wǎng)技術、融合監(jiān)控系統(tǒng)、自動處置系統(tǒng)等技術相結合，將為城市防疫消防提供實時輔助決策，有效提升城市抵御各類災害的能力。

關鍵詞：大數(shù)據(jù);多傳感器;監(jiān)測系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集與分析

中圖分類號：TP274? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

年初的一場重大疫情，舉國上下為之高度重視。在這場始料不及的災害中，對公共場所的管控、大型建筑的有效封閉起到了至關重要的作用。大數(shù)據(jù)時代，如何提高城市建筑的緊急應變能力，提高對抗疫病、火災等險情的處置能力是驗證城市管理水平的重要指標。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術、融合傳感器、智能機器人、可穿戴防護裝備等新技術，為城市的發(fā)展提供了實時輔助決策，提升了城市抵御各類災害的能力。

1 基于大數(shù)據(jù)的建筑防控系統(tǒng)的設計

傳統(tǒng)建筑防護系統(tǒng)一般以安全、消防系統(tǒng)為主，缺少在出現(xiàn)重大疫情時的監(jiān)控能力，國內(nèi)大多數(shù)建筑的防護系統(tǒng)未與城市大數(shù)據(jù)系統(tǒng)相連接，而先進的建筑防護系統(tǒng)，一般都與城市警務消防系統(tǒng)相融合，這樣在出現(xiàn)險情時可以得到更專業(yè)的研判和處置。因此建筑防護系統(tǒng)在傳統(tǒng)的消防、安全系統(tǒng)之外，還應配置吸氣式探測系統(tǒng)、空氣濃度檢測系統(tǒng)、消毒噴淋系統(tǒng)等，實現(xiàn)防疫功能的覆蓋[1]。

要實現(xiàn)更廣泛的防護能力，需在兩個方面進行融合與提升，一是對數(shù)據(jù)的有效分析和智能處理;二是交叉學科領域的技術融合。利用建筑環(huán)境檢測系統(tǒng)來監(jiān)控室內(nèi)空氣的相關參數(shù)，如溫度、濕度、PM2.5、甲醛、苯和CO2濃度等含量，然后通過建筑環(huán)境模糊評價指標對建筑內(nèi)的現(xiàn)狀進行評估，并依據(jù)評估結果予以有效處置。

2 硬件設計

針對此次疫情，對建筑內(nèi)空氣顆粒和氣流的監(jiān)測至關重要，同時這也是消防監(jiān)控的重點。智能型環(huán)境監(jiān)測模塊融合多種精密傳感器，實現(xiàn)全天候對建筑內(nèi)溫濕度、氣流、空氣質量等數(shù)據(jù)的檢測，當數(shù)值出現(xiàn)異常波動時，會立即示警并通過無線通信（WIFI或4G）上傳數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)中心的反饋啟動應急系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)選用STC生產(chǎn)的STC89C52 單片機為控制器，進行數(shù)據(jù)的處理與分析，此單片機性能佳耗電量少，數(shù)據(jù)采集終端采用具有太陽能光伏發(fā)電裝置的蓄電池[2]。

2.1環(huán)境監(jiān)測模塊

環(huán)境監(jiān)測模塊主要實現(xiàn)對建筑內(nèi)環(huán)境以及空氣污染物濃度的檢測。建筑物中常見空氣污染物有甲醛、苯系蒸汽、煙霧、硫化物、烷類以及一氧化碳等氣體，此外還存在懸浮病菌和非正常光照污染。根據(jù)污染物的種類及危害，這些污染物可分成易燃易爆污染物和有毒有害污染物。本監(jiān)測模塊主要對這兩類污染物的濃度以及建筑物內(nèi)的溫濕度進行檢測[3]。

多傳感器融合，是使用信息技術將來自多個傳感器或多源的數(shù)據(jù)，經(jīng)過自動分析和綜合，完成所需要的決策預估而進行的數(shù)據(jù)處理過程。環(huán)境監(jiān)測模塊擬采用Dialog SmartBond的多傳感器套件，該組件將各種傳感器數(shù)據(jù)進行多層次、多空間的信息互補和優(yōu)化組合處理，完成對監(jiān)測環(huán)境的一致性解釋，利用多個傳感器相互協(xié)同操作的優(yōu)勢，綜合處理多數(shù)據(jù)源。

Dialog SmartBond的多傳感器套件，模塊集成了無線通信和ARM Cortex-M0處理器、陀螺儀、加速度計、環(huán)境傳感器等硬件。通過不同傳感器組，實現(xiàn)建筑物內(nèi)部環(huán)境監(jiān)控。系統(tǒng)可以收集懸浮污染物、光照度、溫濕度、氣體濃度、運動、聲音和磁場等各項環(huán)境數(shù)據(jù)，多樣的傳感功能完全適合系統(tǒng)的監(jiān)控需求，較目前其它設計方案具有更好的性價比，對今后的持續(xù)開發(fā)也有助益。

2.2無線通信模塊

無線通訊模塊采用4G模式的GRM530，它使用4G作為通訊手段，內(nèi)置網(wǎng)頁發(fā)布，一個模塊即可實現(xiàn)PLC的遠程監(jiān)控梯形圖，手機電腦瀏覽等，可以保證通訊的穩(wěn)定性和遠程調(diào)試的流暢。該模塊實現(xiàn)4G、短信、語音三重通訊相結合的方式，解決了傳統(tǒng)GPRS模塊不穩(wěn)定的問題。實現(xiàn)了PLC遠程下載，無需固定IP和綁定域名。同時以非透明傳輸?shù)姆绞?，實現(xiàn)多包采集、智能數(shù)據(jù)壓縮等先進算法，提高了系統(tǒng)響應速度[4]。

2.3控制反饋模塊

控制反饋模塊是軟件進行數(shù)據(jù)分析處理后，通過數(shù)據(jù)中心發(fā)布至建筑反應機制的模塊。

3 軟件設計

建筑環(huán)境檢測系統(tǒng)主要包括程序語言設計和仿真電路圖的搭建。采用keil軟件編寫，實現(xiàn)單片機程序的編寫、調(diào)試;使用 Proteus進行仿真。軟件系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析評估、數(shù)據(jù)處理等功能[5]。

進入主程序后，系統(tǒng)首先對各個傳感器以及電路模塊進行初始化，隨后軟件系統(tǒng)通過各傳感器對環(huán)境中的溫度、濕度以及空氣污染物的濃度進行檢測，并將獲得的參數(shù)發(fā)送到上位機，同時通過 TFT屏幕顯示氣體污染物的濃度。每進行一次數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)就會對采集的數(shù)據(jù)進行風險評估，來判斷當前環(huán)境是否存在溫濕度過高、有毒氣體濃度過高以及是否有火災風險等，并依據(jù)判斷結果來完成相應的操作。

3.1 數(shù)據(jù)采集與大數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對融合傳感器的產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行采集、儲存、上傳。為進一步得到準確的建筑環(huán)境信息，采樣后在內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸中采用直接內(nèi)存存取器（Direct Memory Access，DMA）的方式來提高數(shù)據(jù)的讀取速度。在數(shù)據(jù)采集的過程中，由于熱噪聲以及電磁噪聲的干擾，采集的數(shù)據(jù)有時會產(chǎn)生波動，在系統(tǒng)中同時使用數(shù)字濾波器來降低噪聲等因素對采樣結果的影響。

數(shù)據(jù)的采集與挖掘由過去單一的傳感器采集擴充到更廣范圍，大規(guī)模的融合傳感器終端采集的數(shù)據(jù)是海量的，普通關系型數(shù)據(jù)庫是無法完成如此大量的數(shù)據(jù)，只有基于Hadoop、Spark、Hbase分布式系統(tǒng)基礎架構才可以完成數(shù)據(jù)的并行計算。其數(shù)據(jù)集合支持數(shù)據(jù)中的聚合分析、因子分析、關聯(lián)性分析、指標分析和回歸分析等要求，實現(xiàn)對建筑環(huán)境現(xiàn)狀的分析報告[6]。

3.2風險評估與系統(tǒng)反饋

軟件系統(tǒng)根據(jù)相關評估標準，來對建筑環(huán)境的風險進行評估，并設定相應的反饋報警級別。根據(jù)當前建筑環(huán)境狀態(tài)判定級別，來確定建筑物是否存在風險。在符合規(guī)定的安全閾值內(nèi)標定為“無風險”級別;接近安全閾值附近時為“低風險”級別，可以由監(jiān)控人員進行甄別;高于安全閾值時確定為“高風險”，由系統(tǒng)直接開啟反饋應急系統(tǒng)，同時開啟報警對建筑內(nèi)人員進行警示和疏散。

大型建筑屬于人員密集區(qū)，一旦出現(xiàn)消防和疫情會造成較大損失。利用大數(shù)據(jù)和融合傳感器技術，大大提高了建筑安全防護等級。系統(tǒng)后期可以根據(jù)檢測目標的不同，增加相應的傳感器模塊來實現(xiàn)更加精準的監(jiān)測，具有比較強的可擴展性，實現(xiàn)建筑安全的全信息化管控[7]。

參考文獻

[1]付東杰.基于 STC89C52 單片機的空氣檢測系統(tǒng)[J].技術與市場，2019，26（9）：57-61.

[2]王旭東.基于WiFi的校園建筑消防系統(tǒng)設計[J].消防科學與技術，2017，35（11）：1560-1562.

[3]張月.基于SignalR- IoT技術的校園智慧消防平臺系統(tǒng)設計研究[J].電腦知識與技術，2019（28）：117-119.

[4]王旭東.通訊技術在校園能源管理系統(tǒng)中的設計及應用[J].中國化工教育，2013（11）：94.

[5]周浩.基于Wifi 無線傳感器網(wǎng)絡的水質監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015（5）：99-105.

[6]覃煜焱.基于STM32的實驗室空氣監(jiān)測與凈化系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2019（12）：94-98.

[7]王圣杰.數(shù)據(jù)中心消防系統(tǒng)的研究與應用[J].安徽建筑，2019（10）：60-61.

收稿日期：2020-01-22

作者簡介：王旭東（1971—），男，天津人，本科，工程師，研究方向：建筑用電及相關工程系統(tǒng)。

The Research and Application of Structural fire Protection and Epidemic Prevention system

WANG Xu-dong

（Tianjin University of Technology and Education，Tianjin? 300222）

Abstract：? The large comprehensive construction and commercial facilities have been widely used for now， but the warning and disposition when facing disasters or epidemic situations are not successfully settled. Dealing with emergencies effectively is the most crucial element to keep these places functioning normally. Combining the Iot technology， the fusion monitoring systems， the automatic disposal system in the era of big data， provides real-time auxiliary service for the urban epidemic prevention and fire control， further improves the ability for the city to against all kinds of disasters.

Keywords：? Big data， sensor fusion， monitoring system， data collection and analysis