浅析基于阿里云技术的智慧消防系统的设计
2021-04-14 10:16:40 来源：安科瑞王蒙蒙
0引言
随着移动互联网和物联网（Internet of Things，IoT）技术的高速发展，特别是近几年来人工智能、大数据及云计算等新技术的飞速发展，生活中的各个领域都进入了智慧建设阶段，其中智慧城市就是其中的一个重要的建设方向，在智慧城市中有智能交通，智慧消防等都是智慧城市建设范畴。作为保障人民生命财产中的重要一环，智慧消防建设是智慧城市建设的重要的一部分。智慧消防有两个重要的组成部分，分别是智能化的终端设备和云端的物联网平台[1]，基于阿里云的智慧消防系统综合了物联网云平台和智能终端的各自的优点，加上了低功耗的广域网技术，充分利用智能技术、远程无线通信技术和云计算技术，扩大了消防管理的广度与深度，形成了一个新型的智慧安防系统，可以在火灾监测、预警、灭火救援、消防设施的维护保养等方面发挥重要作用。
1系统总体架构
该系统主要是依托阿里云搭建的一套物联网云平台系统,由应用层、网络层、设备层三层架构组成，应用层由两部分构成，客户端和云平台端，其中客户端分为PC端的Web和移动端 App，云平台端包含应用服务器等各种服务器。网络层由NB-IOT或4G/5G或WIFI等通信网络构成、感知层由智能消防设备组成，包含有烟雾传感器和控制系统STM32等。系统结构如图1 所示。
图1 系统结构图
1.1 感知层
感知层主要功能为信息的采集，由各种传感器以及传感器网络组成，本系统中主要由包括温度传感器、湿度传感器和烟雾传感器等感知终端，采集环境中的温度和湿度以及烟雾等信息，并通过网络传输到云平台端。
1.2 网络层
感知层采集到的数据要传输到云平台端需要通信技术的支持。通信技术可以通过现有的局域网技术（如WIFI或有线网线）连接Internet到云平台端，也可以通过移动通信技术（如：
3G、4G）远程连接到云平台端。目前物联网通信技术中用得比较多的是无线通信方式，包括WIFI、3G、4G、5G 等方式。特别的，在低功耗广域网技术中，目前比较热门的通信技术NB-
IOT和LoRa两种技术。具体使用哪种技术根据实际情况选择以满足应用的需要。
1.3 应用层
应用层由两部分构成，客户端和云平台端，其中云平台端包含应用服务器等各种服务器，其中Web应用也可以直接创建在云平台端。客户端分为 PC 端的 Web和移动端App，移动终
端应支持各种不同操作系统的手机及平板等各种移动设备，通过这些移动设备可以直接随时查看云平台端的监测数据，并实时接收一些云平台端推送过来的数据,实现消防设备运行状态的实时监控,云平台推送的报警信息、设备电量信息等信息及时地被移动端接收到，以实现各种异常情况的报警。同时移动设备可以查询历史数据、各种状态数据分析图等功能。电脑终端通过Web浏览器与云平台交互,除了实现移动端App全部功能外,还具备系统管理和维护的功能。
2 阿里云物联网平台介绍
阿里云是阿里巴巴旗下的一款互联网产品，主要为用户提供云服务器、弹性计算、云存储、RDS等服务，为200多个国家和地区的企业、开发者和政府机构提供云计算基础服务及解决方案。其中的物联网云平台为设备提供安全可靠的连接通信能力，向下连接海量设备，支撑设备数据采集上云；向上提供云端API，服务端通过调用云端API将指令下发至设备端，实现远程控制。该平台为各类IoT场景和行业开发者赋能，使开发者能够实现全球快速接入、跨厂商设备互联互通、调用第三方智能服务等，快速搭建稳定可靠的物联网应用。
3 系统的设计与实现
3.1 硬件设计与实现
智能消防智能终端的设计如图2所示，以STM32F103作为主控制器，搭载温度和湿度传感器模块、烟雾传感器模块、报警模块和NB-IOT通信模块。STM32F103主控制器是整个系统的核心部分，负责各模块之间的数据通信，并根据和各模块通信情况，并及时做出异常判断和处理。
图2 智能终端结构图
烟雾传感器模块传感器用于监测当前环境中的烟雾浓度，并将监测到的烟雾浓度值传送到STM32主控制器。温度和湿度传感器模块用于监测当前环境中的温度和温度，也同样将监
测到的温度和温度值传送到STM32主控制器。NB-IOT通信模块是智能终端和云平台沟通的桥梁，它将智能终端设备采集到的各传感器的数据上传到云平台，也将云平台下发的指令传递到主控制器，用于用户对智能终端进行控制。报警模块在接收到主控制器发送过来报警指令时，报警模块将启动声光报警，以提示用户出现了异常情况。主控制器是整个系统的核心部分，负责各模块之间的数据通信，并根据和各模块通信情况，并及时做出异常判断和处理。主控制器在收到各传感模块传送过来的值之后将数据上传到云平台，管理系统根据这些数据进行综合分析，如果烟雾浓度和温湿度达到了报警的阈值则通过云平台下发报警指令，主控制器启动报警模块进行火灾报警。NB-IOT 通信模块与阿里云平台通过 MQTT 协议进行通
信。在STM32主控制器中的主要的连接代码和步骤如下。
（1）：阿里云产品三元素的设置。
#define ProductKey "a1Qgy*****K"
#define DeviceName "W*****"
#define DeviceSecret "e8f35b629a918**********f5228b0d"
（2）：通过MQTT协议以下指令登录到阿里云服务器。
lAT+CIMI
lAT+CSQ
lAT+CGATT
lAT+QMTCFG
lAT+QMTOPEN
lAT+QMTCONN
（3）：向阿里云服务器发送数据
lAT+QSOSEND
3.2 云平台的设计与实现
云平台端的设计主要是有设备模型的设计，设备的管理，设备的监控等，包括有Web端和手机移动端。首先要创建一个消防设备产品模型。如图3所示。
图3 智慧消防产品设备模型的创建
智慧消防产品创建好之后，这类型的产品下面就可以创具体的设备，与真实的硬件设备进行映射。设备的创建如图4所示。
图4 智慧消防设备的创建
消防设备创建好之后，启动智能终端，智能终端会将采集到的数据信息上传到阿里云平台，如图5所示。在阿里云平台将显示该设备为在线状态，并且会显示温度，湿度和烟雾浓度信息。这些信息可以在云平台端和本地端进行管理，设置报警阈值，一旦达到报警的条件，将通过发送短信或拨打电话的方式通知用户，同时向智能终端下发报警指令，智能终端的报警模块将触发声光报警。
图5 云平台数据的显示
3.3 移动端的设计
移动端设计为了一个手机App软件，可实现掌上在线数据监测，历史数据在线查询，设备的绑定和基本的设备管理等功能，以确保设备始终健康运行，防患于未“燃”。
4安科瑞智慧消防平台介绍
4.1平台结构
4.2平台主要功能介绍
4.2.1首页
用户登录成功之后进入首页，如图所示。主要展示的内容有：项目概况、设备状态、设备分类、设备报警信息、报警分类、报警统计、设备台账信息等。其中百度地图可以选配成BIM建筑模型，任何传感器报警时可以在BIM模型中预警显示。
4.2.2消防子系统
智慧消防管理云平台包含了智慧用电子系统、防排烟子系统、消防水子系统、消防设备电源子系统、防火门子系统、消防设备管理子系统和视频监控子系统等。智慧用电子系统可以接入电气火灾、孤航电弧、电气火灾主机、灭弧式保护器探测器和无线测温探测器等。点击智慧用电子系统进入智慧用电监控页面，点击菜单显示整个项目的基础信息和该项目下的所有探测器的信息，点击末级节点显示具体探测器的监控页面。
消防水子系统可以接入消防栓、消防水压、水位传感器等，用于实时的监控消防水管网的压力、液位、是否漏水，以及开盖等事件，当消防水压不够，管网漏水时，系统也能实时地发出警报，能让相关人员及时维修维护，保障消防安全。
防排烟子系统通过高灵敏的无线烟感报警装置，实现对烟雾、有害气体、及气体灭火信息等数据采集，实时秒级检测烟雾，一且发现监测数剧超过风险阈值，APP、短信报警、电话报警统统上阵，通过设备的标签、地理位置定位，快速通知业主、物业消防单位是哪个位置的火灾隐情。
消防设备电源子系统实时监控消防系统各个部件（如消防报警主机、楼层显示器、水泵、喷淋泵、电梯等）的电源工作状态，确保消防设备供电正常，并对各个部件电源产生的过压、欠压、过流、短路、断路等故障报警提示。可长期记录电压电流运行参数，自动对消防电源一段时间的运行状态进行分析，对可能产出问题的隐患进行警示。
防火门子系统通过与门禁报警、视频识别的关联，实时监控消防通道、安全出口、生命通道防火门的开闭及消防通道堆放物情况，实现紧急情况下的开闭控制等功能。确保防火门常闭、不上锁状态及保障火警救援是消防生命通道的畅通等，保障安全的生活、工作环境。
应急照明与疏散指示子系统可实现对各个应急灯具的实时监控和控制，当发生火灾时，可准确的给出安全的疏散路径指示，智能打开消防应急指示灯的指示方向及应急照明灯，帮助建筑内的人群选择逃生疏散路线，指引安全逃生方向。
视频监控子系统数据部门收到感应端各子系统报警信息后，可调出报警位置关联的监控摄像头图像，查看报警现场视频辅助进行火情确认。实现火灾报警子系统、消防水子系统、电气火灾子系统、防排烟子系统、消防设备电源子系统、防火门子系统和视频监控子系统的有机结合，实现了报警点和监控点的联动。
消防设备管理子系统能够将每个建筑、项目节点的所有消防设备和资产纳入管理，对一些消防栓、灭火器、喷淋和消防大队地址等着重标注，日常的巡检和维护都需要纳入计划，在紧急情况下，会联动GIS调度子系统进行调度。
4.2.3隐患管理
隐患管理功能包括了隐患查询、隐患派发、隐患处理和隐患分析四个模块。可以查看登录用户下的所有项目的隐患信息，并进行派发和处理操作，且对所有隐患进行统计分析。
4.2.4能耗分析
能耗分析功能包括了能耗概况、能耗同比、能耗环比、能耗报表和能耗预测等五个模块。可以查看登录用户下的所有项目的能耗统计、同环比和报表，且按日、周、月等维度进行能耗预测分析。
4.2.5手机APP
APP支持Android、iOS操作系统，方便用户查看电气火灾、防排烟、消防水、消防设备电源、防火门、消防设备管理、视频监控、火灾报警等子系统的实时监控数据、报警信息、能耗统计等。
4.3推荐配置
4.3.1平台服务器：建议按照我方推荐配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。
推荐硬件配置清单：（如申请阿里云可忽略）
4.3.2系统现场推荐硬件配置清单：
注：以下配置为针对1个回路选型，其中剩余电流互感器应根据现场回路电流大
4.4产品介绍
电气火灾监控探测器
ARCM300T-Z-2G/4G/NB可选配2G上传、4G上传、NB-IOT网络上传，单表流量说明：
上传间隔一分钟，小于30M/月；
上传间隔二分钟，小于15M/月；
上传间隔五分钟，小于10M/月
5结语
本文利用阿里的物联网云平台等技术，实现用户对智能消防产品的实时监控。智能感知终端通过传感器采集用户环境的数据，通过NB-IOT通信模块将这些数据发送到阿里云平台，
当云平台分析到这些采集到的数据异常时，向主控制器下发报警指令触发报警，并向用户发送报警信息或拨打报警电话，使得用户能远程获取异常报警情况，通过远程的实时监控及时处理异常信息，从而降低灾害所带来的损失。
参考文献
[1].邓志明.基于物联网的智慧消防服务云平台[J].江西化工,2017(3):225-227.
[2].张春香.基于阿里云的智慧消防系统的开发与设计.
[3].安科瑞AcrelCloud-6800智慧消防管理云平台2020版.
[4].安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.
作者简介：王蒙蒙，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事智慧消防平台的设计与应用。
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