基于物聯網的家庭消防安全監控系統

◆王菁藝 李斌勇 姚 瑤

基于物聯網的家庭消防安全監控系統

◆王菁藝 李斌勇 姚 瑤

（成都信息工程大學網絡空間安全學院 四川 610225）

針對居民家庭的消防安全問題，分析了潛在的消防安全隱患。圍繞這些消防隱患，提出了基于家庭無線局域網的家庭消防監控與預警的系統方案。在此基礎上分析了系統的功能需求，并結合系統需求設計了相應的物聯網拓撲結構。為構建家庭消防安全監控系統，分別對傳感器模塊、ZigBee無線傳感網、終端設備和數據中心等進行了詳細設計。結合上述模塊體系，設計出系統邏輯處理流程。最后按照設計思路，從物聯網的角度完成了系統實現。本系統的設計與實現，能為家庭消防安全提供實時監控和及時預警支撐，同時也能有效避免家庭消防事故的發生。

家庭消防；ZigBee；無線傳感網；安全監控

0 引言

消防安全問題歷來是家庭日常生活關注的焦點之一，其與人民的生命與財產安全息息相關。近年來，隨著國民生活水平的提高，家庭內裝修材料更加多樣化，各種用電設備急劇增加，各種燃氣設備的使用更加普遍化，尤其燃氣灶、熱水器等大功率電器的頻繁使用，稍有不慎均可能會導致火災、燃氣泄漏等安全問題，甚至還會引發嚴重的爆炸事故，使目前許多家庭居住環境面臨嚴重的安全隱患。

同時計算機技術、網絡技術和傳輸技術蓬勃發展，陸續出現了各種無線通信協議標準，從無線廣域網到基于IEEE 802.11的無線局域網，以及基于藍牙和ZigBee的無線個域網。這些無線協議標準將安全監控系統的發展帶入了一個新的階段。尤其是各類設備的互相連接不再局限于有限連接，且具備了良好的移動性能，使得系統對室內擁有更全方位的監控的同時還能滿足美觀的需求，為解決家庭消防安全監控提供了可行的技術支撐。

家庭消防安全監控系統用于加強家庭消防安全，可實時監控家中的環境數據，包括溫度、可燃氣體濃度及煙霧濃度等，用戶可實時查看各項環境數據，還可以通過更直觀的查看圖片的方式來了解家中的實時情況，當家中發生火警、燃氣泄漏等消防安全事件時，家庭成員可以受到報警信息并及時核實警情，采取相應的措施，避免因發現不及時而造成更大的生命財產損失。

1 系統功能需求

1.1消防監控功能

家庭安全消防監控系統是集ZigBee、計算機、通信和網絡等技術于一體的智能化的消防安全系統。室內的實時環境數據通過家庭內部的終端設備通過互聯網發送給數據中心，數據中心對數據進行存儲、整理和分析，實時監控家中消防情況，給出用戶相應的監控數據及分析結果，用戶通過互聯網可在手機或瀏覽器端查看實時的室內情況、環境數據，還可發出指令拍攝室內照片，更直觀地了解家中情況。

1.2消防報警功能

數據中心接收到用戶家中發來的室內環境數據，對其進行存儲、整理，數據與預先設定好的閾值比對后，得出目前室內的情況，當數據超過臨界值，啟動報警系統，數據中心像用戶發送報警信息，用戶收到報警信息后，可發出拍攝照片的命令進行確定，便于及時采取措施，防止造成更嚴重的人身財產損失。

2 系統拓撲結構設計（如圖1）

感知識別層：主要通過各種類型的傳感器對室內物質性質、環境狀態等信息開展大規模、長期、實時的獲取。本系統中的傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、可燃氣體傳感器、煙霧傳感器、CO傳感器、攝像頭等。

圖 1 系統拓撲結構

網絡傳輸層：這層的主要作用是把感知識別層的設備接入互聯網，供上層服務使用。本系統中該層涉及到的硬件設備有CC2530、終端設備、網關、路由器等綜合服務應用層：該層的主要作用是對數據進行存儲，并將數據高效、可靠地組織起來，在通過各類應用軟件為用戶提供服務。該層的硬件設備有云服務器、手機、PC機等。

3 系統模塊設計

3.1傳感器模塊設計

該系統的傳感器主要包括溫度傳感器、煙霧傳感器及可燃氣體傳感器等，這些傳感器可以實時采集家中環境數據，然后利用ZigBee組網技術，采用星型拓撲結構，先將這些傳感器安裝到ZigBee終端模塊，然后ZigBee終端模塊讀取傳感器數據并發送到ZigBee中央協調器模塊，ZigBee中央協調器模塊對數據進行讀取及封裝，并發送到串口。

3.2ZigBee無線傳感網

傳感器節點散落于被監測區域，以自組織形式形成無線傳感器網絡，采用星型拓撲結構。各節點收集采集數據，并將數據通過多跳中繼的方式路由至信息收集點（sink），最終借助長距離或臨時建立的sink鏈路將整個區域內的數據傳送到遠程中心進行集中處理。

3.3終端設備

終端設備可以使用PC機或嵌入式技術開發，終端設備安裝在用戶家中，用來接收無線傳感器網絡傳來的數據信息，即通過串口接收數據信息，并把實時數據信息存儲在本地數據庫中，如果使用的是嵌入式開發，可使用嵌入式數據庫，如果使用的是PC，可使用SQL Server、Oracle、MySQL等數據庫。此外，終端設備還需要將數據庫中存儲的數據發送到數據中心，以便對數據進行進一步的處理。

3.4數據中心

數據中心包含通信服務器、數據庫服務器及WEB服務器三部分。終端設備將數據傳送給通信服務器，通信服務器接收到傳感器數據信息、報警信息或照片信息后，將數據信息和報警信息存儲在數據庫服務器中，將照片信息發送給用戶。同時，通信服務器還可以接收用戶發出的拍攝照片的命令，并將這個命令發送給終端設備。用戶可通過WEB服務器，使用手機端或WEB瀏覽器來查詢家中實時環境數據，當家中發生火警、燃氣泄漏等消防安全事件時，WEB服務器接到報警信息，會立即發送信息給用戶。

3.5終端及WEB頁面模塊

手機終端和WEB頁面是直接面向用戶的，用戶成功注冊后，可以選擇在手機終端或WEB頁面登錄來查看家中實時環境數據和報警信息，也可發出拍攝照片的命令，通過圖片查看室內狀況。

3.6系統流程設計

如圖2所示為消防安全監控系統流程設計圖。

傳感器信號可以輸入到ZigBee終端模塊的數據采集端口，使用C語言編程采集這個端口的數據信號及報警信號，以自定義的一種數據格式通過ZigBee協議向位于終端設備的中央協調器發送數據，中央協調器收到數據后按事先定義的協議格式進行封裝。程序編譯運行無誤后，將ZigBee終端模塊，ZigBee中央協調器模塊通過USB線連接到PC機上，使用IAR將程序下載到這些硬件模塊上，通電打開開關后即可進入工作狀態。終端設備通過串口從ZigBee中央協調器接收數據信息和報警信息，對其進行存儲并通過互聯網發送到數據中心，數據中心的通信服務器接收數據，數據庫服務器將數據存儲在數據庫中，手機端開發微信等內置的應用小程序或Android及iOS版本的APP，然后再進行前端頁面及web系統開發，用戶通過手機端和web瀏覽器訪問web服務器，即可獲取所需信息。

圖2 系統流程設計

4 系統實現

圖3 系統登錄頁面

如圖3所示為系統登錄頁面，只有通過驗證的用戶才有權限查看和控制家庭消防安全監控系統。

如圖4所示為系統的立體監控實現模塊，其主要通過紅燈警報、黃燈預警和綠燈安全三個模塊來支持物聯網監控與預警，用戶可在此頁面全方位地查看室內概況，及時掌握家庭室內的消防安全狀況。

圖4 首頁

圖5 數據頁面

如圖5所示為系統數據頁面，用戶可分別查看各房間對應傳感器的實時數據和歷史數據，并提供各傳感器詳細信息查看，以便進一步掌握家庭消防相關的歷史狀況。

5 結束語

本文所研究的家庭安全消防監控系統，著重點為消防安全，各種硬件軟件的設計與安排均是圍繞消防安全而展開，尤其是對室內消防環境進行全方位的監控，為解決無人化的家庭消防安全監控提供了可行的技術應用支持。

然而家庭安全涉及諸多方面，未來還有更多工作有待進一步研究。由于各硬件設施和網絡基本完備，未來可考慮對系統進行拓展。例如部署室內空氣監控模塊，尤其是增加測量甲醛、苯等有毒有害氣體濃度的傳感器節點，用戶便可實時掌握家庭室內空氣狀況。此外，防盜也是家庭室內安全的另一關注點，對此可在現有設施的基礎上在門窗附近安裝幾個紅外線傳感器和門磁傳感器節點，當室內無人或用戶在室內處于睡眠狀態時將這些節點開啟，當有人進入時便會觸發紅外線傳感器和門磁傳感器，迅速響起警報并發送報警信息給用戶，以便用戶及時采取應對措施。

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四川省教育廳重點項目(17ZA0069)、成都信息工程大學科研基金資助項目(KYTZ201618)。