鄭春芳，鐘君柳，張永亮，米志紅

（1.廣州航海學(xué)院，廣東廣州 510515；2.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510515）

智慧城市感知消防系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

鄭春芳1，鐘君柳2，張永亮2，米志紅1

（1.廣州航海學(xué)院，廣東廣州 510515；2.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510515）

主要介紹一種基于智慧城市感知消防系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)過程。針對現(xiàn)有消防系統(tǒng)的技術(shù)限制，嚴(yán)格參照國標(biāo)GB16806-2006《消防聯(lián)動控制系統(tǒng)》要求，充分利用物聯(lián)網(wǎng)以及其他通訊網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，提出了增加消防探測點(diǎn)數(shù)量、降低組網(wǎng)難度、擴(kuò)大系統(tǒng)的組網(wǎng)覆蓋范圍和探測器自動組網(wǎng)的技術(shù)方案，突破消防系統(tǒng)探測點(diǎn)通信距離短、通信線路不可靠等技術(shù)難點(diǎn)。最后采用實(shí)驗(yàn)并搭建仿真模型的方法，驗(yàn)證所提出的技術(shù)方案的可行性，為未來智能的感知消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個技術(shù)參考。

智慧城市；感知消防系統(tǒng)；組網(wǎng)技術(shù)；系統(tǒng)模型

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，人們生活水平的提高，家庭中的電器用品越來越多；裝修檔次越來越高；氣體能源的使用越來越普及；從而使發(fā)生火災(zāi)的可能性，危險性也越來越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國70年代火災(zāi)年平均損失不到2.5億元，80年代火災(zāi)年平均損失不到3.2億元。進(jìn)入90年代，火災(zāi)造成的直接財產(chǎn)損失上升到年均十幾億元，年均死亡2 000多人。特別是在城市，城市樓房密集，人口眾多，一旦發(fā)生火災(zāi)，將會造成巨大的損失。因此，研究智慧城市消防感知控制系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義。

消防控制系統(tǒng)不但可以監(jiān)控整個樓宇、小區(qū)、工廠或者其他的一些場所的消防安全，及早發(fā)現(xiàn)隱患，而且能夠在發(fā)生火情的時候第一時間報警和通過各種聲光信號警示人群進(jìn)行疏散，并可以自動聯(lián)動設(shè)備來進(jìn)行滅火等功能，該系統(tǒng)產(chǎn)品性能的好壞直接影響著對火情的監(jiān)控、預(yù)判、警示和滅火，因此現(xiàn)有市面上出售的消防控制系統(tǒng)都有嚴(yán)格的質(zhì)量控制要求，所有產(chǎn)品都是遵循GB16806-2006《國家消防聯(lián)動控制系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)、GB4715-2005《點(diǎn)型感煙火災(zāi) 探 測器》、GB4716-2005《點(diǎn)型感溫火災(zāi) 探 測器》、GB4717-2005《 火 災(zāi) 報 警 控 制 器 》、GB19880-2005《手 動 火 災(zāi) 報 警 按 鈕》、GB14003-2005《線型光束感煙火災(zāi)探測器》、GB16280-2005《線型感溫火災(zāi)探測器》、GB14287-2005《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》等，而且都是要經(jīng)過國家的3C強(qiáng)制認(rèn)證，即必須經(jīng)過沈陽消防研究所送檢和北京3C強(qiáng)制認(rèn)證的抽檢，滿足上述要求并達(dá)標(biāo)之后才能在市面上進(jìn)行銷售。

縱觀市面現(xiàn)有的消防報警系統(tǒng)技術(shù)及市面上銷售的消防系統(tǒng)產(chǎn)品，不管是國內(nèi)或者國外的產(chǎn)品，普遍存在聯(lián)網(wǎng)探測點(diǎn)數(shù)偏少（一個大型控制系統(tǒng)也是12 700點(diǎn)數(shù)，如果采用撥碼電路的方式，探測點(diǎn)數(shù)更少），增加探測點(diǎn)數(shù)困難（只能在火災(zāi)報警控制器內(nèi)增加回路板），一般使用的232串口通信，CAN總線，或者是自己獨(dú)有的總線技術(shù)（使用距離有限，最大傳輸距離為1 200 m），部分兼使用485總線，組網(wǎng)都比較困難，不易維護(hù)，自動識別故障困難等缺點(diǎn)，而且現(xiàn)有系統(tǒng)不具備無線通訊的能力。

因此，本文針對現(xiàn)有消防系統(tǒng)技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出智慧城市感知消防系統(tǒng)的模型，主要研究一種智慧城市的易增加探測點(diǎn)數(shù)、擴(kuò)展探測范圍，具有雙向通訊能力、穩(wěn)定可靠、實(shí)時性強(qiáng)的感知型消防報警控制系統(tǒng)。

1 智慧城市感知消防系統(tǒng)模型的方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)系統(tǒng)模型主要由火災(zāi)報警控制器（主控制臺）、點(diǎn)型感溫探測器（從機(jī)）、點(diǎn)型感煙探測器（從機(jī)）、手動報警按鈕（從機(jī)）、消火栓按鈕（手動報警）、輸出模塊、輸入輸出模塊、警鈴（蜂鳴器）、揚(yáng)聲器（語音報警）、噴淋泵、雙向通訊網(wǎng)絡(luò)、后備太陽能電源、LED廣告牌以及自動巡檢的消防車等組成。系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖如圖1，系統(tǒng)模型實(shí)物圖如圖2所示。本智慧城市感知消防控制系統(tǒng)的狀態(tài)包括正常監(jiān)控狀態(tài)、故障檢測狀態(tài)、響應(yīng)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)都是根據(jù)國標(biāo)的要求而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)模型滿足國標(biāo)的要求，具有運(yùn)用于工程上的實(shí)際運(yùn)用。

2 智慧城市感知消防系統(tǒng)模型工作過程

本消防控制系統(tǒng)利用51單片機(jī)自身的串行通信口設(shè)計(jì)，基于RS485的多機(jī)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信的功能，除此之外，還研究了一種備用的雙總線通訊的方式，并制作了樣板模型，該雙總線通訊比市面上消防控制系統(tǒng)傳輸?shù)乃俾矢臁⒛苋菁{更多的探測器和模塊。本系統(tǒng)的主要工作過程如下。

圖1 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)模型實(shí)物圖

（1）本消防控制系統(tǒng)模型采用主機(jī)巡檢從機(jī)，從機(jī)應(yīng)答主機(jī)的方式工作。主機(jī)相當(dāng)于消防控制系統(tǒng)里面的主設(shè)備火災(zāi)報警控制器，如圖1和圖3所示。當(dāng)主機(jī)（主控制臺）巡檢從機(jī)（包括各種感溫、感煙探測器和各種輸入輸出模塊），從機(jī)接收到來自主機(jī)的命令對監(jiān)控的場所進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)、煙霧數(shù)據(jù)等采集，同時讀取手動報警按扭狀態(tài)（相當(dāng)于消防栓按鈕），數(shù)據(jù)經(jīng)過處理把打包后發(fā)回主機(jī)，主機(jī)通過對數(shù)據(jù)的處理與比較，識別出該探測點(diǎn)的各種狀態(tài)，包括復(fù)位狀態(tài)、監(jiān)控狀態(tài)、故障狀態(tài)、報警狀態(tài)等。從機(jī)通過傳感器檢測監(jiān)控場所的溫度和氣體信號，當(dāng)從機(jī)讀到檢測到火情，把數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)，主機(jī)根據(jù)GB4717-2005《火災(zāi)報警控制器》[1]，在10秒以內(nèi)接受報警并做出反應(yīng)?；馂?zāi)報警控制器的主控板上的液晶屏幕上會顯示發(fā)生火災(zāi)的街道、樓宇和房間號，蜂鳴器會響起，提示燈變?yōu)榧t色[2]，發(fā)生火情的房間的從機(jī)紅燈會亮，GSM模塊會發(fā)一條信息到已經(jīng)設(shè)定好的手機(jī)號，提醒屋主發(fā)生火災(zāi)，并發(fā)信息通知消防局發(fā)生火災(zāi)的地點(diǎn)，同時把火警的詳細(xì)信息發(fā)給計(jì)算機(jī)或火災(zāi)報警控制器的主機(jī)上，如果該樓宇有戶外的LED廣告牌，還可以連接廣告牌，把火災(zāi)信息顯示到廣告牌上，再通過無線通訊技術(shù)，將火災(zāi)信息通過無線信號傳輸?shù)窖矙z的消防車上，消防車接收到信號后會自動識別是那個房間發(fā)生火災(zāi)，通過紅外對射管原理自動實(shí)現(xiàn)尋跡功能（而實(shí)際的消防車可以通過手機(jī)連接到GPS系統(tǒng)，確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)），準(zhǔn)確找到火災(zāi)現(xiàn)場后，消防車會用車上的機(jī)械臂自動伸縮消防喉管，調(diào)整噴水口方向，利用抽水機(jī)抽取車自帶的水源或者抽取消防水源進(jìn)行噴水滅火，把火澆滅后，小車會自動回到出發(fā)點(diǎn)待命。

（2）本系統(tǒng)模型還設(shè)有一鍵手動報警按扭（類似于消防栓按鈕），當(dāng)監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)火情情況，可通過主按制器上的一鍵報警按扭，進(jìn)行語音報警，當(dāng)行人在某處發(fā)現(xiàn)火情，通過附近從機(jī)的一鍵手動報警按扭向監(jiān)控室報警。

（3）當(dāng)主機(jī)處于正常監(jiān)控狀態(tài)，如圖3所示，主機(jī)上的顯示屏顯示當(dāng)前時間，報警燈長滅，通信指示燈按流水燈的形式閃爍，語音報警模塊處于關(guān)閉狀態(tài)。GSM模塊處于等待接收信息狀態(tài)，上位機(jī)接收來自主機(jī)定時發(fā)送過來的數(shù)據(jù)；當(dāng)主機(jī)處于報警狀態(tài)，主機(jī)上的顯示屏顯示詳細(xì)的報警地址，如某街道某樓宇某房號，此時報警燈閃爍，蜂鳴器響起，相應(yīng)的通信燈以紅色的形式閃爍，其它正常狀態(tài)的從機(jī)依然按照正常狀態(tài)下的機(jī)制運(yùn)作，并且上位機(jī)、GSM都會接收到相應(yīng)的報警信息。當(dāng)從機(jī)處于正常監(jiān)控狀態(tài)的時候，如圖4所示，從機(jī)上的報警指示燈長滅狀態(tài)，同時通信燈按以一定的時間間隔交替閃爍，從機(jī)實(shí)時監(jiān)控溫度探測器與感煙探測器的數(shù)據(jù)，排煙機(jī)與消防泵的噴灑系統(tǒng)處于待命狀態(tài)；當(dāng)從機(jī)處于報警控狀態(tài)的時候，如圖5所示，首先從機(jī)會把報警的信息發(fā)送給主機(jī)，激活主機(jī)報警機(jī)制，同時打開排煙機(jī)與消防泵的噴灑系統(tǒng)，報警紅色燈亮起，同時自動進(jìn)行消防廣播。

圖3 主機(jī)（主控制臺）實(shí)物圖

圖4 從機(jī)正常監(jiān)控狀態(tài)

圖5 從機(jī)報警狀態(tài)

（4）根據(jù)火災(zāi)探測報警系統(tǒng)強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)[1-7]，報警燈應(yīng)為紅色。本系統(tǒng)模型報警燈設(shè)計(jì)成流水燈形態(tài)，紅色綠色交替閃爍，從機(jī)的綠色信號燈每隔2秒種閃一次，表示正常，小車在出發(fā)點(diǎn)待命。

（5）當(dāng)線路發(fā)生故障時，比如從機(jī)沒有正常運(yùn)作，線路開路、短路故障，從機(jī)系統(tǒng)沒有通電，從機(jī)系統(tǒng)IP從總線上掉線，主機(jī)識別得到，并且把故障顯示在主機(jī)顯示屏上，點(diǎn)亮報警燈，利用上位或GSM報告給用戶或監(jiān)護(hù)人員，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

3 智慧城市感知消防系統(tǒng)主題模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)系統(tǒng)模型主要由火災(zāi)報警控制器（主控制臺）、從機(jī)（點(diǎn)型感溫探測器、點(diǎn)型感煙探測器、手動報警按鈕、消火栓按鈕（手動報警）、輸出模塊、輸入輸出模塊、警鈴（蜂鳴器）、揚(yáng)聲器（語音報警）、噴淋泵、通訊網(wǎng)絡(luò)）、自動巡檢的消防車、后備太陽能電源以及LED廣告牌等模塊等組成。

3.1 火災(zāi)報警控制器（主控臺）模塊

本系統(tǒng)模型的主控臺，即主機(jī)，如圖3所示，相當(dāng)起火災(zāi)報警控制器的作用。主機(jī)工作原理：由MCU讀取時鐘芯片的當(dāng)前時間，通過通信芯片MAX485巡檢從機(jī)的狀態(tài)，等待從機(jī)的應(yīng)答，把得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后把在LED液晶屏中顯示，如果有報警信號，主機(jī)能夠在規(guī)定的時間內(nèi)響應(yīng)，把信息顯示在液晶屏中，并通過LED燈、蜂鳴器、喇叭等聲光信號指示，并能按照已經(jīng)設(shè)置好的聯(lián)動關(guān)系，命令從機(jī)啟動相關(guān)設(shè)備進(jìn)行滅火和疏散工作。如果存在故障信號，例如從機(jī)IP掉線，線路開路或者探測器故障，主機(jī)能識別，并能通過LED顯示屏指示相應(yīng)故障的類型和故障地點(diǎn)，并發(fā)出相應(yīng)的聲光信號。主機(jī)所有的信號設(shè)置、相應(yīng)時間都是按照國標(biāo)規(guī)定的設(shè)計(jì)。主機(jī)（主控制臺）系統(tǒng)模型包括：MCU控制模塊、液晶顯示模塊、廣播模塊、開關(guān)電源模塊。其電路模型部分電路原理圖如圖6所示。

圖6 主機(jī)（主控制臺）模型部分電路圖

3.2 從機(jī)模塊圖

從機(jī)是本系統(tǒng)模型的特色之處，現(xiàn)有的消防系統(tǒng)現(xiàn)有的系統(tǒng)都連到火災(zāi)報警控制器上，這樣火災(zāi)報警控制器要處理任務(wù)繁重，而且由于總線掛載容量和能力有限、極大限制了消防控制系統(tǒng)探測點(diǎn)數(shù)的增加和探測范圍的增大，本系統(tǒng)增加了從機(jī)作為協(xié)處理機(jī)，或者叫作中繼處理，從機(jī)可以進(jìn)行1 200米的長距離的傳輸，從機(jī)負(fù)責(zé)所監(jiān)控區(qū)域的所有數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)主機(jī)只需要巡檢每個從機(jī)的，巡檢到的從機(jī)只需要應(yīng)答主機(jī)，如果有故障和報警信息，則按照國標(biāo)規(guī)定的時間上報給主機(jī)，這樣主機(jī)工作量就大大減輕，效率更高，報警更及時可靠，同時也減少了出錯的概率。

從機(jī)通過檢測其線上的溫度傳感器和氣體傳感器（相當(dāng)于感溫探測器和感煙探測器）實(shí)時探測一定范圍內(nèi)[3-4]（探測面積由國標(biāo)確定）的溫度和空氣的變化。如果有異常，比如檢測到的數(shù)據(jù)異常，溫度超過異常，從機(jī)經(jīng)過算法的處理，對閾值進(jìn)行判斷，確認(rèn)無誤后，以第1優(yōu)先級通過485傳輸?shù)姆绞接镁W(wǎng)線傳送到主機(jī)發(fā)送報警數(shù)據(jù)，主機(jī)接收到報警信息，確認(rèn)無誤后，可以命令從機(jī)的啟動聲光報警信號報警，如果有聯(lián)動編程，在相應(yīng)的時間內(nèi)[3-4]，則根據(jù)編程關(guān)系從機(jī)可以啟動相應(yīng)設(shè)備，如啟動抽水系統(tǒng)和排煙機(jī)，進(jìn)行噴灑滅火和排煙。如果氣體傳感器（煙感探測器）檢測到可燃性氣體或二氧化碳等有害氣體濃度超過相應(yīng)的閾值[3-4]時，從機(jī)響應(yīng)過程類似，會啟動排氣扇排走有害氣體。從機(jī)模型的電原理圖如圖7、圖8所示。

圖8是從機(jī)模型的模擬響應(yīng)電路，通過KEY1、KEY2來模擬從機(jī)上的溫度傳感器報警和氣體傳感器的報警。這個模擬按鍵的設(shè)置，可以方便測試系統(tǒng)響應(yīng)，同時在實(shí)際的工程中，也能方便對從機(jī)、主機(jī)進(jìn)行維護(hù)、調(diào)試、測試和驗(yàn)收。可以通過可編程器件，如CPLD和FPGA就能很方便對測試點(diǎn)輪流選通，容易對測試點(diǎn)數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，從而展示論文所研究的系統(tǒng)模型能夠擴(kuò)展探測點(diǎn)數(shù)量多，組網(wǎng)簡單，覆蓋范圍廣等功能。

從機(jī)的模型有煙霧傳感器模塊（感煙探測器）、溫度傳感器模塊（感溫探測器）、排煙系統(tǒng)模塊、噴灑模塊、應(yīng)急燈模塊組成。從機(jī)模型的模塊框圖如圖9所示。

圖7 從機(jī)模型電路圖原理圖一

4 結(jié)論

本文提出的基于智慧城市感知消防系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)主要創(chuàng)新之處：

第一，現(xiàn)有系統(tǒng)探測點(diǎn)數(shù)偏少，探測距離近的缺陷，提出使用485總線的方式，并使用從機(jī)（中繼器）的概念，擴(kuò)展探測點(diǎn)數(shù)和距離，每個探測點(diǎn)和每個從機(jī)都有自己的IP號，一旦線路有問題或者探測點(diǎn)下線，主機(jī)能自動識別并報出詳細(xì)的故障信息；

第二：針對現(xiàn)有系統(tǒng)使用I2C或者電路板內(nèi)置焊接FLASH形式，這樣存儲數(shù)據(jù)量少，一旦存儲器損壞要拆卸整個系統(tǒng)進(jìn)行更換，費(fèi)時費(fèi)力，會危及整個監(jiān)控區(qū)域的安全問題，使用外部擴(kuò)展的SD卡模式；

圖8 從機(jī)模型電路原理圖二

第三：加入消防小車的新概念，一旦有火情，主機(jī)（控制臺）能自動發(fā)GSM信息或者通過無線模塊方式（電臺）發(fā)送信息到待命的消防車或者在城市里巡檢的消防車，第一時間告知出現(xiàn)火情的具體情況，消防車能以最快時間到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場；

第四：充分利用城市里樓宇的LED顯示屏，一旦有火情，主機(jī)或從機(jī)能把火情信息通過LED顯示屏控制系統(tǒng)，把火情信息顯示到LED廣告屏上。

圖9 從機(jī)模型的模塊框圖

［1］GB4717-2005.火災(zāi)報警控制器［S］.

［2］GB16806-2006.國家消防聯(lián)動控制系統(tǒng)［S］.

［3］GB4715-2005.點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測器［S］.

［4］GB4716-2005.點(diǎn)型感溫火災(zāi)探測器［S］.

［5］GB19880-2005.手動火災(zāi)報警按鈕［S］.

［6］GB14003-2005.線型光束感煙火災(zāi)探測器［S］.

［7］GB14287-2005.電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)［S］.

［8］深圳賦安安全系統(tǒng)有限公司.火災(zāi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)手冊V4［Z］.2008.

［9］孟帥.消防廣播遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究及消防電話的系統(tǒng)集成［D］.成都：電子科技大學(xué)，2003.

Smart City-Based Perception of the Fire Control System Design Applications

ZHENG Chun-fang1，ZHONG Jun-liu2，ZHANG Yong-liang2，MI Zhi-hong1
（1.Guangzhou Maritime Institute，Guangzhou510725，China；2.Guangdong JiDian Polytechnic，Guangzhou510515，China）

This paper studies the perception-based smart city fire control system design applications.Contrary to the technical limitations of the existing fire protection system,strictly refer to national standard GB16806-2006"fire control system"requirements,make full use of the Internet of Things,and other communication networks and new technologies,this paper proposes a technology solution by increasing the number of fire detection points,reducing the difficulty of networking and expanding network coverage and the system automatically networking,which break through the technical difficulties such as short break-point communication distance,unreliable communication lines etc..Finally by the experiment and building a simulation model，verified the feasibility of proposed technical solutions，provides a technical reference for the future intelligent perception fire system design.

smart city；perception of fire protection systems；networking technology；system model

TP23 U467.4

A

：1009－9492(2014)01－0035－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.009

鄭春芳，女，1978年生，江西泰和人，博士研究生，工程師。研究領(lǐng)域：電力電子及電力傳動技術(shù)。已發(fā)表論文18篇。

(編輯：向 飛)

2013－07－06