基于3G的高层楼宇家庭远程监控报警系统.pdf

第 41 卷 第 1 期 邢 台 职 业 技 术 学 院 学 报 Vol.41 No.1 2024 年 2 月 Journal of Xingtai Polytechnic College Feb.2024 收稿日期：20231211 基金项目：三门峡市科学技术局科技发展规划项目“基于物联网 ZigBee 技术的家庭智能消防预警系统的设计与研究”，项目编号：2020010125。作者简介：董萍（1980），女，河南淮阳人，三门峡职业技术学院，副教授。64 基于 3G 的高层楼宇家庭远程监控报警系统 董 萍1，赵民生2（1.三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000；2.三门峡市消防救援支队，河南 三门峡 472000）摘 要：随着科技的日新月异，家居的高楼大厦也在朝着智能化的方向发展。基于 3G 的高层楼宇家庭远程监控报警系统旨在将家庭智能建筑内部的各类物联感知前端的数据进行统一汇聚传输至远程监控报警系统，把数据提供给实战指挥平台进行集成，指挥人员可在实战指挥平台上直观地查看建筑内部消防传感器状态，为指挥决策提供数据支撑。同时，利用 3G 等多种现代信息技术手段，对可燃气体探测器、烟雾探测等设施正确采集多传感器数据并实施监控，可实现家庭智能防火预警系统监控和报警火灾的目标，从而达到预期目的。关键词：3G；家居高层；防火保护；视频监控；报警 中图分类号：TP277.2；TU998.1 文献标识码：A 文章编号：10086129（2024）01006407 科技的不断发展和经济实力的增强，促使居民对生活环境和居住的舒适度要求逐步提高，促使消防部门对家庭智能应急救援处置能力的增强。现在的高楼大厦实行的是安全、便捷、智能的家居智能系统，它的出现给人们的生活和工作带来了极大的便利，提高了人们的生活质量水平，让人们从繁重的家务劳动中解脱出来，更好地支配自己的空间和时间，为人们在生活中创造一个安全、舒适、便捷的家居空间，让人们享受到生活中的乐趣。随着城市经济的发展和城市建设的日新月异，人口基数大、居住聚集度高、建筑密度大、楼层高的建筑越来越多，一旦发生火灾，隐患多、火势蔓延快、人员疏散难度大、救援难度大的高层建筑将给后续工作带来新的挑战，给当地群众生命财产安全造成重大损失。因此，性能更好的消防系统在高层建筑中显得尤为关键。基于 3G 的高层楼宇家庭远程监控报警系统能够增强火灾发生时的应急处置能力，如提供火灾发生地点、平面示意图、具体起火位置、周边取水位置、微型消防站信息等，为消防救援人员实时监控火情提供数据支持，将火灾控制在萌芽状态。同时，消防救援人员通过调取各类基础数据，对辖区火灾隐患进行督促整改，在火灾发生时能够为火灾的扑救和事故的排查提供数据支持，将火灾控制在萌芽状态，做到全面监控火情，确保一旦发生火情，就能有效减少家庭火灾事故，为消防救援人员开展抢险救援提供材料理论上的支持。因此，设计和研究基于 3G 的高层楼宇家庭远程监控报警系统就变得尤为重要。一、家庭智能的概念及相关技术 1.家庭智能概念 家庭智能系统（Home Intelligent System）是充分利用当前流行的互联网技术、通信技术、自动化技术、计算机技术、电子技术等，以用户住宅为基础，通过各种类型的无线节点，管理和控制与人们日常居住环境相关的不同子模块的系统1。该系统需要多台设备协同工作，共同完成一项集安防、报警、监控等多功能于一体的工作任务，以满足家庭智能化自动化管理。2.家庭智能的功能 家庭智能内部各类终端信息的通信主体不仅仅是居住者，而且还扩展到各类智能化家电。居住者在家庭智能环境中可以通过远程终端设备，如电脑、遥控器、手机等调节、监测、管理和控制家居设备，如照明、空调、电视、安全防护等，实现对居住环境的控制2。智能家居中的自动收集能耗数据子系统能够与小区物业数据紧密相连，该功能将每月居民的水、电、天然气等消耗数据传输到物业数据中，不仅能保证住宿环境的安全性，而且能减轻物业工作人员查询小区居民住户数据的负担。智能家居具有安全 邢台职业技术学院学报 2024 年 第 1 期 65 预警性能，能够在家中出现火灾、盗窃等紧急情况下，自动报警。同时，智能家居环境能够实现空调、冰箱、电视机、DVD、摄像机等各种不同类型设备之间的数据信号转换，能够实现各种影音信号在家庭内外的交互传输，极大地方便了人们的生活3-5。3.家庭智能的相关技术 具有运算能力强、存储能力大、逻辑判断等功能的计算机由输入设备为鼠标、键盘等的硬件系统和软件系统组成，输出设备为显示器、打印机等。像单片机的 Microtroller 等体积更小、价格更低的家用智能系统。常用的智能家居系统技术有数码技术，网络通讯技术，集成布线技术等。其中，数字技术主要负责将一般讯号转换成电脑可辨识的二进码的收集、加工、储存及传送等工作。网络通讯技术主要负责各类信息的采集、处理、存储和通过通讯设备传输，是家庭智能系统远程控制各类家电等设备的关键。综合布线技术主要负责建筑物网络的连接，交换设备与外部网络的连接6-8。二、系统总体设计 1.系统可行性分析和需求分析（1）系统可行性分析 基于 3G 的高层楼宇家庭远程监控报警系统分为执行层、监管层、决策层三个层级，分级管理，落实责任。其中，执行层主要指社会单位、九小场所、社区工作站。将“人防+技防”有效结合，以信息化手段落实消防安全主体责任，通过系统建立规范的消防设施检查执法程序、基层社区工作人员复核管理工作模式。监督层主要是指消防监督管理部门和行业主管部门(以下简称“监管部门”)，即消防监管部门和行业主管部门(以下简称“监管部门”)通过科学评估、数据分析，对小区家庭智能消防安全情况进行分色预警，并清晰呈现在地图上，为属地管理单位和行业主管部门消防监督管 图 1 三层分级管理 理提供依据。决策层主要指政府领导层面。结合地理信息系统技术，将消防信息、消防资源、灭火力量、日常监管、监控设备等数据，按照隐患红、黄、绿分色预警、量化考核、科学分析评估的方式进行整合，为政府领导决策提供依据。三层分级管理如图 1 所示。（2）系统需求分析 基于 3G 的高层楼宇家庭远程监控报警系统主要涉及到火灾自动报警、入侵报警、水浸报警、手动报警方面的家庭安全防护功能需求和远程视频监控需求两个方面的功能需求。2.系统体系架构设计 由监控模块、手机终端和小区监控平台三部分组成的基于 3G 的高层楼宇家庭远程监控报警系统体系架构，如图 2 所示。其中，监控模块主要通 图 2 系统体系架构设计图 过探测器对报警信号进行采集，通过手机向小区监控平台发送各类报警信息，当报警被触发时即可实现报警；接收报警信息、查看监控画面等均采用手机终端；监控实时报警信息的是小区监控平台。邢台职业技术学院学报 2024 年 第 1 期 66 三、系统硬件设计 1.系统硬件架构 系统硬件架构如图 3 所示。2.系统主控芯片的选型 嵌入式处理器（Embedded Processor）是一种控制和辅助系统运行的影响整个嵌入式系统性能的硬件单位，是嵌入式系统的核心。市面上常见的家用智能系统，都是选用嵌入式微处理器的 ARM。ARM 是基于 32 位 RISC 的处理器架构，在开发设计嵌入式 CPU 时得到广泛应用，具有能耗低、性能高、成本低、体积小、寻址方式简单灵活、执行效率高、执行指令速度快等优点。ARM 处理器设计了适用于嵌入控制、DSP、移动应用等方面的高性能、低功耗、低价格的 RISC 处理器、相关技术和软件，正逐渐渗透到人们工作和生活的方方面面。从平板电脑、智能手机、PDA、游戏机、超极本等便携消费类电子产品，到硬盘驱动器、便携式路由器等网络和电脑外设，以及广泛应用于军事设施的导航电脑，ARM 处理器的应用领域主要体现在对技术性能有较高要求的电子产品上，都有 ARM 处理器的身影9-10。这套系统采用了家庭智能系统处理器五段式流水线 ARM9。该处理器采用了更多的晶体管，具有 8 个优先级的高级中断控制器和 7 个外部中断源，低功耗，高效率，额外的内嵌存储器支持总线接口，ARM9 处理器寄存器的分布情况如图 4 所示。R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13 SPR14 LRR15 PCCPSRR8_FIQR9_FIQR10_FIQR11_FIQR12_FIQR13_FIQR14_FIQSPSR_FIQR13_IRQR14_IRQSPSR_IRQR13_SVCR14_SVCSPSR_SVCR13_UNDEFR14_UNDEFR13_ABTR14_ABTSPSR_ABT用户与系统用户与系统快速中断快速中断中断中断管理管理未定义未定义中止中止SPSR_UNDEF 图 4 ARM 处理器寄存器分布示意图 3.高层住宅建筑功能设计（1）消控主机联网监管 目前的高层建筑都安装了火灾自动预警系统，将用户信息传输装置安装在系统控制器处，通过数据接口与系统相连，对各类数据信息进行监控。（2）高层住宅消防用水监测 高层住宅消防供水监控主要针对管网压力、消防水箱水位、消防泵工作情况等，对高层住宅内的消防栓系统、消防喷淋系统进行实时监控检测，并将采集到的数据向中心平台传输，实现消防用水可视化管理。（3）消控室视频监控 通过视频监控与平台进行对接，实现消防控制室远程视频查岗、音频视频通话等功能。确保有工作人员 24 小时值守高层住宅。当有火灾警情发生时，工作人员第一时间赶到事故发生地点，以最快速度将火灾萌芽消灭在初期。（4）独立式烟感探测器 图 3 系统硬件模块框图 邢台职业技术学院学报 2024 年 第 1 期 67 主要应用于内部采用离子烟雾传感的高层建筑、中大型超市、仓库等各种消防系统中的烟感探测器，主要通过监控烟雾浓度来实现在使用过程中预防火灾的发生。基于 3G 的高层楼宇家庭远程监控报警系统的使用烟感探测器，将各类信息通过各种无线通讯方式传送给 Ipad、手机等终端设备。（5）可燃气体探测器 当可燃性气体达到一定浓度时，探测器会通过无线通讯方式，在向中心平台和手机 APP 传递报警信息的同时，发出声光警报，提醒相关人员做好安全措施，如疏散、通风、关闭设备等。（6）电气火灾监控装置 短路、漏电、静电、散热不良、接触不良、超负荷过载等均可造成高层建筑电气火灾的发生。实时监控、灾前预警的电器防火装置能够主动预警、预防火灾、避免损失。4.外围设备接口电路设计 外设接口电路主要有三大模块：存储模块，视频采集模块，通讯模块。（1）存储模块 采集多种格式的图像，如 RGB、YUB 等，同时在操作中对数据、程序和现场进行实时存储。数据传输通道提供发送缓冲区，室内监控模块存储模块采用 NANDFlash 和 DDRSDRAM 两种方式。（2）视频采集模块 由 OV9650CMOS 摄像机实现视频采集模块，摄像机接口设计原理如图 5 所示。图 5 摄像头接口设计原理（3）通信模块 其硬件电路如图 6 所示，基于 3G 的高层楼宇家庭远程监控报警系统采用二路接收器和二路驱动器，可有效延迟随身产品的续航时间，减少耗电量。图 6 串口通信电路 四、远程监控报警系统软件设计 1.系统软件环境搭建 BootLoader 是引导加载程序，它的移植是嵌入式技术开发过程中的一个重要环节，BootLoader 的基 邢台职业技术学院学报 2024 年 第 1 期 68 本功能如图 7 所示。图 7 Bootloader 的基本功能 U-BOOT 是目前应用最广泛、可靠性高、稳定性强、灵活性好、设备驱动源码丰富、具有开源特性的嵌入式技术开发启动式加载程序，支持多种操作系统内核和多种处理器系列。U-BOOT 移植中的参数配置对嵌入式系统的发展有着直接的影响。U-boot 能够实现较为复杂的功能，启动主要分为两个部分，第一部分主要负责中央处理器的初始化结构代码，一般使用汇编语言进行编程实现，主要负责设置 CPU的模式、CPU 的使用频率、内存控制寄存器的配置。第二部分一般使用高级程序语言 C 语言进行编程实现，主要负责实现引导功能。汇编语言和 C 语言的可移植性高、可读性好，便于人机交互的实现。U-boot的配置包括合适开发平台选择的配置和 U-boot 对 NAND Flash 支持的配置两个方面。U-BOOT 的启动过程分为如图 8 所示的两个阶段。图 8 U-boot 的启动过程 2.内核的移植 基于 3G 的高层楼宇家庭远程监控报警系统内核的裁剪主要涉及到 LCD 驱动的内核裁剪、键盘驱动的内核裁剪、文件系统的内核裁剪三个方面。（1）LCD 驱动的内核裁剪 当这套系统选择了 320*240 的液晶显示器作为系统显示接口，就需要加入这款液晶显示器的支持。首先进入 Graphics Ssupport-SEP4020 320*240 液晶显示器，选择 Y，启动液晶支持。如图 9 所示。其次，在图 9 的同级别菜单下，开启了 Console display Driver-support，启动了 Console 支持。最后，在图 9 同级菜单下，启动 Logo conFiguration，让液晶显示屏在系统启动时就能显示 Linux Logo功能。（2）键盘驱动的内核裁剪 这套系统选择了 5*5 矩阵列键盘作为系统输入接口后，支持键盘的功能就需要添加。首先进入 Device Driver-Character devices-sep4020 char drivers-sep4020 char device-sep4020 5*5 key driver，在项目上按 M 键即可。编译系统模块，选择键盘驱动。如图 10 所示。选择 5*5 键盘作为模块编译后，只需在开机后的脚本中加入一个外壳脚本代码，就可以对键盘进行操作，这样键盘驱动(KeyboardDrive)就会在系统开机时自动加载。邢台职业技术学院学报 2024 年 第 1 期 69 图 9 LCD 内核裁剪图 图 10 内置式裁剪键盘图片（3）文件系统的内核裁剪 文件系统包括 YAFFS、CRAMFS、NFS、VFATFS、MSDOSFS、EXT2(Ext3)、Proc、SYS，这也是它的重要特色之一。本文选用 YAFFS 档案系统。如图 11 所示，在路径：File System-YAFFS2 file system support 下，按 Y 键启动对 YAFFS2 文件系统的支持。当内核编译完成后，系统会自动向 NANDFlash 加入 YAFFS 文件系统。完成以上 3 个项目的内核裁剪后，就可以着手进行内核的编译工作了。图 11 在文档系统中的图示 3.内核驱动开发 nRF2401A 芯片包括一个完全整合的频率合成器、功放、晶振和调制器。nRF2401A 具备以下特性：（1）nRF2401A 具有 40bit 的可设置地址，它只会接收到数据包与本地地址完全一致的物理地址。（2）nRF2401A 具有硬件 CRC，如数据包 CRC 校验失败，nRF2401A 会自动通知对方重发，通信可靠性得到充分保障。（3）为通信保密，可采用跳频通信方式加密 nRF2401A。4.系统软件体系结构 系统控制中心采用完整的基于嵌入式系统的 TCP/IP 协议的内置操作系统。以及包括串口驱动、探测器模块驱动、摄像机驱动和 3G 在内的各种系统所需设备驱动。通过 U-BOOT 引导程序对硬件设备进行初始化，如处理器，摄像机，3G 模块，加载核心、系统镜像下载、操作系统初始化。系统软件架构如图 12 所示。图 12 系统软件构架示意图 五、系统测试 进行基本的功能测试是非常有必要的，可以验证节点的基本功能是否完好。系统应用测试的主要目 邢台职业技术学院学报 2024 年 第 1 期 70 的是对系统的基本功能进行测试，测试内容包括：无线通讯距离、LCD 显示结果等。系统测试相关软件：SEP4020SDK，SlickEdit 代码编辑调试器，J-LinkFlash 调试器，串口调试工具。测试结果见表 1 所示。表 1 系统性能测试结果 中央节点与子节点的距离（米）数据发送次数 成功接收次数 6 100 100 12 100 100 18 100 99 24 100 91 从表 1 中可以了解到，基于 3G 的高层楼宇家庭远程监控报警系统，在各项性能上都与系统指标要求达到了完全一致的水平。六、总结 论文以设计和开发一套基于 3G 的高层楼宇家庭远程监控报警系统为目的，将物联网、3G 技术与高层建筑家居有机结合，对远程监控报警系统进行设计和研发，设计传感器电路，实现对温湿度、烟雾、燃气泄露、入侵监测、传感器节点的监控，实现对高层建筑家居远程监控报警等多种信号的实时监测，提高火灾报警的及时性和可靠性，督促社会各群体提高自身消防安全意识，提升城市居民安全感。参考文献：1董萍.基于 nRF2401A 的家庭智能系统的设计与实现J.武汉轻工大学报，2015，34（02）：87-91.2董萍.基于 ARM 和 ZIGBEE 的无线智能家居控制系统的研究与设计J.佛山科学技术学院学报（自然科学版），2016，34（05）：46-51.3王天鹤.基于物联网技术的企业智能安防系统D.长春：吉林大学.2014.49桓宗圣.智慧消防应用中多设备联动火灾报警系统J.电脑知识与技术，2017，13（03）：77-78.510丁宏军.基于物联网技术的智慧消防建设J.消防技术与产品信息，2017（05）：67-69.6董萍.基于物联网 ZigBee 技术的家庭智能消防预警系统的设计与研究J.三门峡职业技术学院学报，2022，21（02）：131-136.7阮颐，华号，张兵兵.烟雾报警器灵敏度的标定J.集成电路应用，2019（01）：10-13.8车辉，邢慧芬，樊玉琦，等.基于大数据的火灾智能预警系统J.计算机系统应用，2020，29（10）：120-126.3G based remote monitoring and alarm system for high-rise building home DONG Ping1，Zhao Minsheng2（1.Information Institute of Media,Sanmenxia Polytechnic,Sanmenxia,Henan 472000,China；2.Sanmenxia Fire Rescue Detachment,Sanmenxia,Henan 472000,China）Abstract:With the rapid development of technology,high-rise residential buildings are also developing towards intelligence.The 3G based remote monitoring and alarm system for high-rise building families developed in the paper aims to unify and transmit various IoT sensing front-end data within the intelligent building to the remote monitoring and alarm system,providing data to the actual command platform for integration.Commanders can intuitively view the status of fire sensors inside the building on the actual command platform,providing data support for command decision-making.At the same time,by utilizing various modern information technology methods such as 3G,multi-sensor data can be correctly collected and monitored for facilities such as combustible gas detectors and smoke detectors,achieving the goal of using a home intelligent fire warning system to monitor and alarm fires,thus achieving the expected goal.Key words:3G,home high-rise,fire protection,video monitoring,alarm