基于物联网的消防应急疏散系统

 

基于物联网的消防应急疏散系统[1]

 

崔铁良   魏金鹤

（1 山东省聊城市公安消防支队，山东 聊城 252000

2 中国科学院计算研究所济宁分所，山东 济宁 272000）

摘  要：消防应急疏散是评价建筑安全水平高低的重要标准之一，本系统采用物联网技术设计消防应急疏散系统确保火灾中的人员能够安全疏散。近几年来，物联网技术作为新一代信息技术得到了大力发展，物联网也逐渐应用于消防安全。本系统把物联网技术应用与现代智能家居中，设计内容包括：火情感知子系统、火情自动处理子系统、火灾辅助救助子系统、网络与网关子系统、后台服务器子系统。系统实现了建筑智能防火、火灾现场环境实时监控、辅助决策、人员和器材装备管理等，提高消防工作的水平和效率。

关键词：消防；应急疏散；物联网；传感器网络

 Cui Tie-liang, Wei Jin-he

Liaocheng Fire Detachment, Liaocheng, Shandong, 252000

Abstract：Fire emergency evacuation is one of the security level of an important criterion for evaluation of building, can be ensure that the fire evacuate safely. The Internet of Things technology is an important part of modern information technology, widespread concern, based on the Internet of Things technology in fire safety in building intelligent fire prevention, the scene of the fire environment is real-time monitoring, decision support, personnel and equipment and equipment management, etc. and improve the level of fire control work and efficiency.

Keywords：fire protection; emergency evacuation; internet of things; sensor network

 

1 引言

火灾是城市灾害中一个突出方面，随着科技的进步，现代建筑的自动化及智能化水平的提高,人们的安全意识不断加强，对消防安全要求越来也越高^[1]。物联网技术逐渐成熟发展起来，并应用于各个行业，它向传统住宅产业以及人们现代生活渗透成为一种必然结果^[2-5]。随着智能化住宅和智能小区近年来取得的快速发展，建立新一代智能化消防应届疏散系统势在必行^[6-7]。

本文主要介绍基于物联网的消防应急疏散系统的原理及应用。本系统是融合现代物联网技术，通过设计各个子系统后，实现对火灾的感知、处理以及对人员疏散，有效防止人员伤亡和国家财产损失。系统能够实现在发生火灾时做到安全的消防应急疏散功能，能够对整个现场进行监控和实现统一管理。

2 消防安全融合物联网技术

物联网简称 IOT（The Internet of Things），它集合了射频识别技术、传感器技术、全球定位系统、互联网技术等^[9-10]。对消防安全系统中的每个监测对象进行编码，将消防系统中的每个实体通过互联网连接起来，实现监测实体之间的信息交换和通讯，并通过消防疏散系统实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理。

在建筑物火灾中，消防应急安全疏散是指在火灾烟气、火焰热等尚未危害人员生命的状态之前，把建筑物种的所有人员通过设定的路线进行撤离，撤离到安全范围内^[11-13]。消防应急疏散设计是指在系统设定的火灾条件之下，针对灾害及疏散形式的预测，采取一系列防火措施保证人员的安全和防止国家财产的巨大损失。消防应急疏散系统提供多种疏散方式，保证在任何时间、任何位置的所有人员都能够自由的进行疏散和人员的安全。消防应急疏散系统通过合理的疏散设计或改造减少火灾给人员带来的危险，提高火灾中人员的安全性，提高消防工作的水平和效率。

建立消防应急疏散系统的目的是在火灾发生时安全、准确、迅速地引导人员疏散^[14]。通过各种不同的灯具和报警系统，使用消防应急疏散系统及时探测火势信息并采用其中通讯方式，帮助人员在火灾中逃生。现在消防应急设备主要是以单体形式独立存在的，因此在火灾中指导人员逃生存在滞后现象^[15],对于身在火灾中的人员是极大地危害。因此建立新型消防应急疏散系统，实现统一管理成为必然趋势。 

基于物联网的消防应急疏散系统，实现消防系统中的每个实体通过互联网连接起来，每个监测实体之间能够信息交换和通讯，对楼宇内的消防应急标志灯统一管理和监控，实时监控系统内的每个灯具，以及正常维护。并从实际建筑物的结构和环境出发，提出相应的火灾应急疏散预案。楼宇消防应急疏散指标可以分为疏散指标、引导系统、疏散路线和管理措施四个方面。

3 基于物联网的消防应急疏散系统的构成及功能

本系统采用计算机、通讯等技术将楼宇内的消防应急灯接入统一的物联网通讯平台。消防应急疏散系统由五个子系统构成，即火情感知、火情处理、火灾救助、网络与网关、后台管理等子系统，主要组件包括：处理器，通讯路由设备，传感器，消防应急标志灯具，消防应急疏散系统组成构架如图2所示。




图2 消防应急疏散系统组成架构

各子系统设计如下：

（一）火情感知子系统：探测火焰并对火源进行定位。

火焰探测器：热红外传感器+MCU+无线收发模块

烟雾探测器：烟雾传感器+MCU+无线收发模块

温湿度探测器：温湿度传感器+MCU+无线收发模块

热红外视频采集编码器：红外和视频传感器+DSP+宽带无线发送模块

上述各种探测器的定位功能（带定位感知模块）

（二）火情自动处理子系统：记录火情、分析火势、火情预警、火焰自动隔离。

火情记录仪（火情黑匣子）：CPU+宽带无线接收模块+存储器

火情警报器：MCU+无线收发模块+警报蜂鸣器

火焰隔离卷闸门：控制器（MCU+无线收发模块）+ 电动卷闸门

火情报警处理：根据感知子系统的数据分析进行短信报警（集成到GSM/3G无线模块的智能网关里和外接短信 modem）

火势分析处理：火灾现场火势分析——前端（集成到智能网关里）或后端（后台服务器完成）

（三）火灾辅助救助子系统

强发光标签：MCU+无线收发模块+发光材料（地脚线或地面）

应急激光指示器：MCU+无线收发模块+应急激光灯+语音模块

穿透型激光灯：MCU+无线收发模块+穿透型激光灯+语音模块

逃生路线规划算法：根据火情感知和火势分析规划逃生路线

（四）网络与网关子系统

支持多种网络接入的智能物联网关：

IP方式：以太网/电力线/WiFi/GPRS/3G

非 IP方式：433M/Bluetooth/Zigbee

异构网络协议栈

核心算法集成：

火情报警处理算法

火势分析处理算法

传输控制：

无缝传输与控制方法

报警控制

电动卷闸门控制

逃生路线指示控制

（五）后台服务器子系统（传感器数据收集、系统维护与管理）

MTalk协议：跨网传输

传感器云 Sensor-cloud：传感器数据收集与管理

录播服务器管理：数据管理与再现

本系统主要包括以上五部分火情感知、火情处理、火灾救助、网络与网关、后台管理等子系统。由热红外传感器、红外和视频传感器、温湿度传感器、烟雾传感器以及他们的定位模块等组成的火情感知子系统，可以在发生火灾时，通过无线收发模块把火灾源头传输到本系统中进行及时定位。由火情记录仪、火情警报器、火势分析处理、火情报警处理和火焰隔离卷闸门组成的火情处理子系统，可以在发生火灾时，自动对火情进行记录并且做出相应报警以及火势分析。由强发光标签、逃生路线规划算法、穿透型激光灯、应急激光指示器等消防产品组成的火灾救助子系统可以根据火灾现场情形给人员提供最佳逃生路线。系统支持多种网络协议，各种消防产品均可应用于本系统中，实现对火灾现场网络化监控管理。该网关不仅支持多种协议接入，比如WiFi、433协议等，便于消防无线产品的扩展。还实现了对这些协议的抽象融合，最终实现对基于这些协议的设备进行统一的监控和控制。后台服务器子系统实现对传感器数据的收集，并对火灾现场各种数据进行记录和管理。

通过传感器感知火情状况，通过应急疏散指示灯疏散人员，通过XMPP协议连接消防应急疏散系统中的各个设备，实现各个设备之间的互联互操作。并通过无线通讯设备，把采集到的建筑物内的状况及时发送到第三方监控端，实现第三方对火灾现场的监控和管理，使在火灾发生时，更有效的指挥人员的疏散。

4 系统的使用及维护

本消防应急疏散系统和报警系统连接在一起，把报警系统中的每个产品联系起来。在建筑物出口处设置语音安全出口标志灯，走道内设置低位双向可调标志灯，大空间内设置智能应急照明灯具。在日常维护中报警显示各种设备的故障，只需在消防应急疏散系统中心检查故障灯具即可，无需到现场排查，提高了消防工作效率。疏散灯具采用电子编码方式，每个标志灯都有唯一的地址编码，主机通过灯具的唯一地址24小时不间断地对灯具进行巡检，检测其故障、连线的开路、短路等情况，以便于及时进行维护。

火灾发生时，消防应急疏散系统主机通过无线数据收发模块或标准串行端口（RS232）连接^[16-17]，接收来自火灾报警系统的联动信息，确定火灾危险区域的位置，选择相应的应急预案；同时实时监控底层设备的工作状态信息；改变相关双向可调标志灯具和语音灯具的工作状态，打开应急照明灯具，语音和频闪作用增强了对烟雾的穿透力，实现安全疏散。

 

5 结论

本系统以物联网技术为基础建立了五个子系统即火情感知、火情处理、火灾救助、网络与网关、后台管理子。系统包括传感器、微处理器、无线收发模块、消防报警产品以及语音模块，实现对火源定位、火灾记录以及规划救助路线。通过消防建审、施工、验收环节后，投入运行。表明消防应急疏散系统既可以应用到消防产品的日常维护中，也可以在火灾发生时，启动报警系统，通过信号灯为逃生人员自动指示最佳逃生路线。系统有效的提高了消防工作的效率，提高了人员在火灾现场的逃生生存几率。

 

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