物联网技术在消防安全管理中的应用

刘志鹏

（北京市海淀区消防救援支队 北京 100085）

1 引言

作为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮，物联网在世界范围内发展起来，并逐渐渗透进人们生产生活的各个领域。例如，物流配送、智能交通、智能家居、公共安全、生态环境、智慧城市等[1]。而在消防安全管理领域中引入物联网技术，能够从整体上优化消防安全管理的水平，能够有效解决消防安全隐患难以发现等问题，以最大限度地保证人民群众的人身财产安全[2]。

2 物联网概述

2.1 物联网的含义

物联网（Internet of Things，简称IoT）是一种按照约定协议，利用射频识别技术（RFID）、GPS、激光扫描器等传感设备进行物网连接，具有全面感知、传输可靠、智能处理、智能控制等功能特征的网络。简单来说，物联网就是在互联网的基础上拓展而来的万物互联的网络。可以说，物联网的核心是物物相联，灵魂是传感和识别，骨架是网络通信，核心是计算。

2.2 物联网的特点

首先，物联网具有异构设备互联化的特点。物联网环境下，不同型号、不同类别的RFID标签、传感器、手机等各种异构设备，能够利用无线通信模块、标准通信协议形成自组织网络。且这些异构网络在运行不同协议时，可通过网关进行联结，从而实现不同网络间的信息共享。其次，物联网具有管理及处理智能化的特点。物联网能够将海量数据可靠且高效地组织在一起，这就为行业应用提供了智能支撑平台。最后，物联网具有应用服务链条化的特点。物联网能够覆盖企业运行的所有步骤，能够带动整个企业甚至行业的整体信息化进程。

2.3 物联网体系架构

物联网主要分为感知层、网络层、应用层三个层面。首先，感知层由各种传感器、传感网节点、短距离组网设备等构成，主要负责数据采集和数据处理，涉及传感器技术、射频识别技术（RFID）、GPS技术、嵌入式系统、传感器组网技术、协同信息处理技术等。其次，网络层主要负责传输感知层获取的数据，还要满足不同设备能够自由接入不同网络，涉及互联网技术、移动通信技术、短距离无线通信技术等。最后，应用层由各种管理设备和显示设备构成，构建满足人们各种需求的系统平台，主要负责与用户连接，涉及云计算、人工智能、中间件等技术。

2.4 物联网关键技术

2.4.1 自动识别技术

自动识别技术（Automatic Identification and Data Capture）是目前普遍使用的、发展相对较快且相对主流的识别技术，是一种能让物品“开口说话”的技术，即通过一定识别装置对各类物体信息进行自动识别，并传输给计算机处理系统进行一系列智能处理。自动识别技术可分为条码识别技术、生物识别技术、图像识别技术、磁卡识别技术、IC卡识别技术、光学字符识别技术、射频识别技术等。其中，射频识别技术（Radio Frequency Identification，简称RFID）被认为是21世纪最有发展潜力的信息技术之一，是应用领域最为广泛且最为重要的识别技术之一。因此，本文主要探讨射频识别技术（RFID）。首先，与其他自动识别技术相比，其有着以下优点：采用电子技术，借助芯片，且芯片功耗较低、读写较为准确；标签体积小，更易嵌入其他材料或物体之中；射频技术透过外部材料即可读取数据，且能够对高速运动中的物体进行识别、读取；可在同一时间识别多个标签，且这些标签信息之间独立互不影响；数据存储量更大，且稳定性好等。其次，射频识别系统主要由射频标签、射频接收基站、应用系统三部分构成。射频标签嵌入被识别物体，向外界收发射频信号，一般分为主动式标签（有源电子标签）和被动式标签（无源电子标签）。射频接收基站一般分为固定式和移动式两种模式，主要负责向射频标签发送无线信号，并接收射频标签发回的无线信号，在将接收的无线信号解码处理之后将数据传输至上层应用系统。位于系统顶层的应用系统主要负责接收射频接收基站的数据，并控制基站的工作状态；管理接收的数据，并经过计算处理将其储存至后台；接收外界终端的指令信息，并将转换后的信息发送至基站执行，以此来实现人机交互。

2.4.2 传感器组网技术

如何能让区域中的传感器构成网络组，实现高效协调运转是传感技术应用的关键。为更好地解决这一问题，传感器网络也在不断发展完善，其中无线传感器网络技术以其低功耗、低成本、低复杂度、低数据速率的特征得到了人们的普遍青睐。无线传感器网络一般采用星状网、树状网、网状网三种组网方式，借助工作于ISM频段和FSK调制方式的射频芯片，以及微控制器、少数外围器件组成专用或适用强的无线通信模块。其中的数据传输协议通常是简单透明的，就算是加密协议也是较为简单的，这就使得人们只要遵循一定规则进行操作即可傻瓜式地实现无线数据传输。无线传感器网络体系可分为物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，若再应用中间件思维，则可使网络更具层次化、模块化。

2.4.3 无线通信技术

随着信息技术的不断发展，卫星通信、以太网、现场总线、GPRS、GSM等通信技术层出不穷。而受工业现场环境的制约，短距离无线通信技术受到人们的普遍青睐。其具有信息传输快捷、灵活、安全等特征，在物联网中有着极为广泛有效的运用。短距离无线通信技术主要有以下几种。一是蓝牙技术（Bluetooth）。其主要采用2.4 GHzISM频段和1600 MHz快速跳频技术，具有全球开放性、通信简单、传播速度快、抗干扰能力强、使用简单等特点，但仅限于在小于十米内的距离范围内具有良好的通信质量和效果。二是ZigBee技术。其具有良好的网络拓扑能力，每个ZigBee节点都可进行独立监控，支持距离扩展，拥有低成本（协议没有专利费）、低功耗（传输速率低，发射功率小，拥有休眠模式）、低时延（休眠到激活时间短）、网络容量大（可连接200多个设备和100多个网络）、组网灵活、传输可靠（在数据传输之后会等待接收方确认信息，并采取碰撞避免策略来避免数据发送冲突）、信息安全（采用特别加密法进行数据循环冗余校验）等特点。三是Wi-Fi技术。其支持多种网络协议的加密传输，传输距离可达100 m，传输速度可达54 Mbps，但传输的安全性和传输质量还有待提升。四是IrDA技术。其依靠红外线进行点对点的数据传输，具有体积小、功耗低、连接方便、保密性强、安全性强等特点，但由于存在视距限制，在运用时要先保证位置的确定性才能实现灵活传输。

3 物联网技术在消防安全管理中的应用

3.1 在消防安全管理服务平台构建中的应用

消防安全管理服务平台旨在横向覆盖消防监督、纵向贯通各级消防部门，对消防信息进行实时采集和实时发送，对威胁消防安全的不稳定或不安全因素进行提前预警，以进一步提升消防工作效率和质量。该平台综合运用物联网技术、互联网技术、数据融合技术等新一代信息技术，实现数据采集、存储、展现、分析等消防管理环节。可采用分布式广域网结构，并将系统的整体结构分为物联智能感知层、网络传输层、数据管理层、应用层（Web平台）。其中，物联智能感知层将通过传感设备、射频识别技术（RFID）等采集消防信息；网络传输层将采用基于TCP/IP的网络结构，利用有线、无线等接入方式进行组网，利用TCP/IP或电话线进行有线传输、GPRS或CDMA进行无线传输等；数据管理层将融合采集到的信息，并进行计算和处理；应用层则负责提供不同的消防服务。

就消防数据采集系统设计来说，硬件设计可采用ZigBee技术支撑的基本框架，具体包括路由器、采样终端设施、网络协调器等组成的无线传感网络和采集终端。由ZigBee协议处理和上传终端采样传感器收集到的信息，这些信息由路由器接收、处理之后被传送至ZigBee协调器，再由协调器将接收的信息上传至Web网络，经过一系列汇总处理之后信息将被传输至系统平台，以此来完成数据采集为后期决策、分析提供相应依据。软件设计则包括操作系统和应用软件，整体采用嵌入式系统，主要涉及板极支持包（BSP）、RS232通信软件、DM9000网卡通信软件、ZigBee协议栈等。就平台Web层系统设计来说，主要包括平台通知公告管理功能、平台审阅通知功能、平台短信通知功能、信息管理功能、日常检查功能、监督抽查功能等模块，其中涉及数据信息的存储和处理可采用数据库等技术。

3.2 在其他消防安全管理工作中的应用

第一，就消防资源的动态管理而言，可采用射频识别技术（RFID）、GPS技术、无线传感器网络技术、计算机处理技术、移动通信技术、云计算技术等构建基于B/S架构的消防装备管理系统。首先，可通过射频识别技术（RFID）采集消防车辆和消防装备信息，并采用“一装一标”的方式来绑定RFID标签，在信息采集完成之后需要上传至消防指挥调度系统，以便实现装备出入库、电子验证、报警处理等智能化管理。其次，可采用消防指挥调度专线网络进行通信；采用数据库服务器、Web服务器等进行数据的存储和处理等；采用TCP/IP数据传输协议、HTTP协议等进行传输。通过物联网技术，消防资源得以实现动态的智能化统筹管理，并有效提升消防部队的战斗能力。第二，就消防远程监测管理而言，可借助互联网技术、无线通信技术、云计算技术、大数据技术等构建基于物联网技术的消防安全管理监测平台，并开发手机终端APP、建立B/S架构模式的云平台，便于对消防对象、环境、人员等的状态进行感知、传输和处理。具体来说，可利用用户信息传输装置及协议解析与转换、数据接口监测等方式，对不同型号和不同厂家的有源类消防设施（火灾报警控制器、自动喷淋灭火系统、疏散指示系统等）的反馈信息进行采集识别，一旦接到故障信号或者报警信号，监管人员则可借助用户信息传输装置将信息传送至消防安全管理监测平台；利用压力传感器、NB-IoT技术实时监测消防管网的水压，利用射频识别技术（RFID）、ZigBee技术、GPS技术、GIS技术等实时监测室内外可移动的消防设施和器材（灭火器、水带等）的在位状态和位置信息，利用人脸识别技术、图像处理技术等监督消防控制室值班人员的在岗情况，利用视频监控系统、数字图像形态学方法识别消防管阀的启闭状态；利用IoT/LoRa无线数据传输模块实时远程监测独立烟感故障、火灾报警等信息。如此，基于物联网技术的消防安全管理监测平台的构建能够评估火灾风险，协助做好防火巡查工作，提高相关部门的防火工作管理能力。最后，就消防应急救援管理而言，可借助物联网技术构建智慧消防战斗指挥体系。例如，在灭火救援中，可利用各种感知设备、视频采集设备、应急通信系统等获取现场的音视频数据，实时掌握火情发展态势，便于指挥人员依据火场动态进行救援力量、装备等方面的部署和精确指挥，同时也便于战斗在一线的消防人员进行精准救援。

4 结语

信息技术的进步是推动行业发展的动力之一。作为关乎社会稳定和人民幸福安危的消防行业更应主动革新，采用先进的物联网技术提升消防工作的精准度和效率[3]。随着物联网技术的不断发展，消防安全管理工作将得到更为智能化、高效化、便捷化的保障。