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摘 要 ：医院作为一个火源多、可燃物多、高精尖仪器设备多、弱势人群多的易发生火灾的场所,其火灾监控系统尤为重 要。本文设计一款以 ZigBee 技术为基础,融合温湿度检测电路、烟雾检测电路、火焰检测电路,实现前端监控、中端数据传 输、后端监测控制功能的医院火灾监控系统,以物联网技术助力医院消防工作,保障医院人员的生命与财产安全。
关键词：火灾监控,ZigBee技术,智慧消防
Design of Hospital Fire Monitoring System Based on Internet of Things Technology
SUN Xuezhi1. ZHANG Shida2. CHANG Wei3
(1.Jilin Institute of Technology, Jilin Jilin 132000;2.Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin Jilin 132000;
3. Electric Instrument Center of Jilin Petrochemical Company(Testing Center), Jilin Jilin 132000)
【Abstract】：Hospital as a fire source, combustibles, high-precision equipment, many vulnerable people prone to fire places, its fire monitoring system is particularly important. Based on ZigBee technology, this paper designs a temperature and humidity detecting circuit, smoke detecting circuit and flame detecting circuit, a hospital fire monitoring system with front-end monitoring, middle-end data transmission and back-end monitoring and control functions is realized. The Internet of Things(IoT) technology is used to assist the hospital fire-fighting work and ensure the safety of hospital personnel's life and property.
【Key words】：fire monitoring;ZigBee technology;intelligent fire fighting
就 2020 年数据来看,全国消防救援队共接报火灾 25.2 万起,数量庞大。近年来,医院火灾事故同样频 发,其原因多为医院内电气老化和病人生活用火不慎, 造成了较严重的人员伤亡和经济损失。医院既是人员、 设备密集场所,又是火灾防控的重点管理单位。医院发 生火灾事故势必会带来更大的危害,造成严重的社会影 响,因此要更加重视医院火灾监控系统的升级。
目前,市面上虽然已经涌出多种多样的火灾报警 器,但大多数报警器功能单一,仅局限于发现火情后的 报警功能,管理人员无法实时监控可能引发火灾的相关 参数,不方便后续灭火、救援举措的推进 [1]。针对上述 问题,本文提出一种基于 ZigBee 无线通信技术,融合 温湿度检测电路、烟雾检测电路、火焰检测电路,实现 前端监控、中端数据传输、后端监测控制功能的医院火灾监控系统。火灾监控系统针对医院火情能够做到采集 层、传输层和应用层的联动,真正意义上实现医院火灾 的预防与实时监控,将火灾带来的影响降到最低 [2]。
1 系统整体设计
医院火灾监控系统主要由前端监控部分、中间数据 传输部分以及后端监测控制部分组成。医院火灾监控系 统整体结构如图 1 所示。
前端监控部分总体控制 DHT11 温湿度传感器、MQ-2 烟雾传感器和远红外火焰传感器,实现对外界环境温 度、湿度、烟雾、火焰等信号的监测,判断是否有火灾 发生。若发现异常,通过下面的中间数据传输部分传递 异常信号。
中间数据传输部分主要通过 ZigBee 无线通信网络 建立前端与后端之间的通讯连接,将前端检测到的异常信号传递给后端进行相应消防操作,实现短距离无线 通信。
后端监测控制部分接收到信号之后,位于控制端的 单片机对信号进行处理,提取信号的射频模块编号,获 取出现火情的具体位置,并中心报警。同时,将火情信 息同步至安保部门及院内涉及火情的科室,人工干预并 及时疏散人群。
除此之外,在传感器未检测出危险信号时,可自动 进行消防水监测、消防设施运行状态监测、用电安全监 测、燃气泄漏监测等。相关管理人员还可通过医院安全 监管平台实时查看院内各场所温度、湿度、相关气体浓 度、消防设施运行情况、消防物品存储情况、过往报警 信息等,全面预防火灾发生 [3]。
2 系统硬件设计
2.1 温、湿度检测电路
本设计采用具有温、湿度检测功能的 DHT11 实现 温湿度检测电路设计,如图 2 所示, VCC 引脚为供电引 脚,接 3.3-5.5V DC ;DATA 引脚负责输出温、湿度测量 数据给单片机, 在初始的默认状态下处于 3.3V 高电平 ; GND 引脚接电源负极 ;NC 引脚空置。
2.2 烟雾检测电路
医院火灾监控系统采用灵敏度高、稳定性好, 可以 直接连接控制端单片机的 MQ-2 烟雾传感器实现烟雾浓 度检测。MQ-2 首先将烟雾信号转化为模拟电压信号, 进而通过 A/D 转换芯片 ADC0832 将模拟信号转换为可 直接读取的数字信号传输给控制端单片机。为了提高烟 雾传感器 MQ-2 的灵敏度,设计由 8kΩ 可变电阻 RT2 进行调节,传感器 6 引脚接 ADC0832 的 2 引脚 CH0模拟信号输入端口,以实现单通道数据转换。烟雾检测 及 A/D 转换电路如图 3 所示。
2.3 火焰检测电路
火焰检测电路由远红外火焰传感器和双电压比较器 LM393 组成,环境中红光强弱的变化可以通过传感器 中电流值的变化直接体现出来。当传感器红外探头感应 到红外信号后,接收端的电阻值减小,导致电流增大, 比较器 LM393 的 3 引脚位置电压便显示为低电平 ;反 之,探头未感应到红外信号时, 3 引脚显示高电平。远 红外火焰传感器输出的模拟信号由比较器 LM393 的 3 引脚电平决定,由此可以直接判断出是否有火焰产生。 比较电压实时监控火焰,将检测出的模拟信号转换为数 字信号,以单路信号由 OUT1 输出至控制端单片机。系 统 LM393 双电压比较器设计 8kΩ 上拉电阻,引脚 3 外 接火焰传感器, OUT1 引脚在采集电压比较后输出高电 平 1 或低电平 0. 分别对应火焰的强度。设计电路如图 4 所示 [4]。
2.4 ZigBee 无线通信网络
本系统中间数据传输部分采用 ZigBee 技术实现无 线通信,可以保证火情发生时信号传输的时效性 [5]。
ZigBee 无线通信网络提供 SMT 与 DIP 两个接口, 可直接连接 TTL 接口设备,实现数据的透明传输功能 ; 设备功耗较低,最低功耗小于 1mA ;提供 6 路 I/O,可实现数字量输入输出、脉冲输出 ;其中有 3 路 I/O 还可 实现模拟量采集、脉冲计数等功能。ZigBee 模块工作 采用 3.3V 电压源,子节点 ZigBee 模块 TX 端发送数据, 主节点 ZigBee 模块 RX 端接收数据。
3 系统软件设计
前端监控部分和后端监测控制部分通过中间数据传 输部分的 ZigBee 模块进行报文的发送与接收,前端负 责信息的探测与发送,后端完成 ZigBee 节点报文的接受 与分析,并执行报文的分析结果,完成火灾监控任务。本 系统采用模块化编程的方法,程序主要有主控模块、温湿 度检测模块、烟雾检测模块、火焰检测模块、ZigBee 通 讯模块、单片机模块。
开始供电后, 系统先对各个模块进行初始化, 并相 应延时,确保各传感器测试数据的准确性。完成后各模 块开始工作,进入循环部分,主控模块会协调进行消防 用水监测,实时监测消防水箱的水位、消防管道的水压 是否正常 ;电路参数监测,对医院所有电路的电流、电 压等情况实时监控,及时发现电路老化问题 ;燃气泄漏 监测,监控医院厨房、燃气间等场所是否有燃气泄漏情 况。传感器测得数据之后,通过 A/D 转换将模拟信号 转换为数字信号,并将相应的数据实时更新至云端,供 监管人员查看。监测过程中,如果温度超过 50℃就报 警,如果环境中烟雾浓度超过 1300mv 并持续 2s 就报 警,如果检测到火焰强度超过 1000mv 并持续 2s 就报 警,否则不报警。报警信号通过 ZigBee 通讯模块传输 给单片机模块进行处理,分析出发生火灾的具体位置, 继电器工作,自动切断电源,启动消防喷头洒水。同时 进行中心报警,将火情信息同步至安保部门及院内涉及 火情的科室,人工干预并及时疏散人群。软件程序流程 图如图 5 所示。
4 结语
医院火灾监控系统以 ZigBee 无线通信技术为基础, 集温湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、单片机等 于一体,实现医院火灾事故的实时监测。将火灾监控系统采集层、传输层、应用层互联,体现出医院火灾监控 系统与物联网技术结合后的可行性、优越性。
系统打破传统火灾监控模式的壁垒,具有运行状态 稳定、监测数据可靠性高、可远程报警等优点,对于医 院火灾的提前预防、实时监控、及时处理具有非常重要 的意义。医院相关管理人员可以在云端实时监控医院环 境的各项参数、消防设施的运行状态,大量节省人力、物 力。在无人力监管的情况下也能及时发现火情并采取措 施,最大程度上降低了火灾带来的人员伤亡及财产损失。
参考文献
[1] 罗继军.智慧消防技术在某医院应用现状与问题分析[J].智 能建筑,2020(12):29-32.
[2] 任志鑫.物联网技术在消防监督管理中的应用思考[J].消防 界(电子版),2022.8(16):66-68.
[3] 梁剑烽.基于物联网云平台的家居火灾监控系统的研究与实 现[D].南宁:广西大学,2021.
[4] 朱敦忠,李高宇,袁梅,等.基于物联网技术的电气火灾监控系 统[J].现代信息科技,2022.6(1):154-159.
[5] 吴鸿,王益斌,余秋军.基于ZigBee无线通信技术的PLC控制 系统设计与实现[J].能源与环保,2022.44(2):270-275+290.
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