基于物联网的楼栋火灾监测与逃生引导系统
1. 项目背景
1.1 城市化进程中的消防安全挑战
1.1.1 火灾频发对国民安全的威胁
- 城市化进程中的高层建筑火灾频发，严重威胁到国民的身心与财产安全。
- 2023年上半年中国全国日均火灾超过3000起，与去年同期相比，火灾起数上升了19.9%，伤人数上升了9.3%。
- 居住场所火灾起数占总数的30.3%，造成的死亡人数占总数的69%，凸显了居住场所火灾的严重性。
1.1.2 消防安全规划的重要性
- 根据《“十四五”国家消防工作规划》，预防为主、防消结合的策略被提出，强调提升火灾防控和综合应急救援能力。
- 规划强调了构建全社会消防安全环境的必要性，以应对城市化进程中消防安全面临的问题。
1.2 南京雨花台区明尚西苑火灾案例分析
1.2.1 火灾概况
- 2024年2月23日，南京雨花台区明尚西苑6栋发生火灾，起火原因是一辆电动自行车在停放处起火。
- 浓烟通过楼道和采光井迅速蔓延至中高楼层，导致居民在睡梦中被烟雾呛醒，许多人在逃生时遇到了困难。
- 这场火灾最终造成了15人遇难，44人受伤，凸显了在紧急情况下，获取楼栋火灾现场情况并规划逃生路径的重要性。
1.2.2 现有系统的不足
- 现有系统多侧重于家庭火灾监测，对于高层建筑和公共场所的火灾预警和应对措施则相对薄弱。
- 现有的系统无法实现对小区公共区域和重点防护区域（如电梯间、楼梯出入口、停车场）的火灾风险实时监测和动态分析。
- 缺乏足够的模拟火灾情况和制定应对潜在火灾策略的能力。
- 在火灾发生时，无法迅速向受影响居民发送预警信息，影响紧急情况下的信息传递效率。
- 现有系统无法根据实时数据，为居民提供最优的逃生路线规划。
2. 研究目的
2.1 现有家庭预警系统及消防安全存在的不足
2.1.1 实时火灾风险监测与预警的缺失
- 小区内除家庭外的楼栋楼道等关键区域的传感器网络尚未实现全覆盖，限制了我们对火灾风险的即时感知和预警能力。
- 影响了开展救援的及时和高效性。
2.1.2 火灾动态分析的不足
- 缺乏足够的模拟火灾情况和制定应对潜在火灾策略的能力。
- 算法分析火灾蔓延的动态和预测火灾发展趋势至关重要，但目前缺乏足够的能力。
2.1.3 预警信息发布系统的不完善
- 在火灾发生时，无法迅速向受影响居民发送预警信息，影响紧急情况下的信息传递效率。
2.1.4 逃生路线规划的局限性
- 目前，根据建筑布局和火灾发生位置动态规划逃生路线的系统还不够智能化，需要进一步优化以提高居民的安全逃生几率。
2.2 研究目标
- 设计并实现一个基于物联网的楼栋火灾监测与逃生引导系统，集成先进的传感技术和智能算法。
- 实现对小区每栋楼的楼道火灾风险的实时监测和动态分析，及时向会受影响居民提供准确的火灾预警信息。
- 根据实时数据，为居民提供最优的逃生路线规划。
- 探索如何利用室内外定位节点来优化信息传播和逃生指导，以最大限度地减少火灾事故对人们生命财产安全的威胁。
3. 研究内容
3.1 火灾监测技术研究
3.1.1 使用光电感烟探测器和温度传感器组合
- 实现对小区公共区域和重点防护区域（如电梯间、楼梯出入口、停车场）的火灾风险实时监测。
3.1.2 设定传感器的监测参数
- 例如烟雾浓度阈值为0.1-0.2dB/m，温度报警阈值为57°C（135°F）。
3.2 火灾动态分析与预测模型
3.2.1 结合实时监测数据和历史火灾统计
- 根据历史数据和实时监测数据预测火灾的蔓延路径，开发火灾蔓延预测模型。
3.2.2 为不同类型的小区模拟特定的火灾情景
- 优化应急响应流程。
3.3 预警信息发布系统
3.3.1 开发微信小程序应用
- 集成推送通知功能，实时向会受影响居民发送火灾预警信息。
3.3.2 通过社交媒体APIs和公共广播系统
- 实现多渠道预警信息同步发布。
3.4 逃生路线规划
3.4.1 根据楼栋地图或布局图
- 结合楼道内监测到的烟雾、温度等信息，以及各个节点监测到的火灾状况信息，避免跑入浓烟区、着火区，提供逃生指引。
3.4.2 实现基于Web和移动端的逃生路线动态可视化指引
- 火灾发生时，可以实时观测到烟雾量超标、有火情的小区、楼层、公共楼道以提供逃生指引。
3.5 灭火和逃生设备指导
3.5.1 结合居民的个人信息
- 提供定制化的逃生指导。
3.5.2 开发同时适用于老年人、儿童和残疾人微信小程序程序
- 了解特殊需求逃生设备的使用。
4. 国、内外研究现状和发展动态
4.1 国内外物联网火灾监测系统研究现状与动态
4.1.1 美国在智慧消防系统的研究
- 美国在智慧消防系统的研究开始于2012年，由美国国家标准与技术研究院 NIST提出，具体设计是将信息物理系统（CPS,Cyber-Physical Systems）应用在消防员穿戴设备、消防工具和灭火器材等消防领域。
4.1.2 我国企业和高校在智慧消防方面的研究
- 企业方面，我国的浙江中辰城市火灾自动报警远程监控管理公司的技术资源和实力十分雄厚，主要从事国内社会单位的火灾自动报警系统的联网以及运行管理。
- 高校方面，中国工程院院士、清华大学公共安全研究院院长范维澄等专家的领导下，依托清华大学合肥公共安全研究院，联合中国科技大学火灾科学国家重点实验室等消防安全领域顶尖科研力量单位，打造了具有丰富项目经验和专业素养的技术团队。
4.2 未来展望
- 未来的物联网火灾监测系统将更加注重系统的集成化和智能化。
- 随着技术的不断进步，我们可以预见到一个更加智能、自动化的消防安全系统，它将能够实时监控、预测火灾发展，接入自动灭火系统，并提供精确的疏散指导。
- 这将极大地提高火灾应对的效率和人员的安全性。
5. 创新点与项目特色
5.1 小区大楼内多传感节点信息汇总，后台智能分析
- 节点周期上报传感器探测信息，发生紧急情况时后台判断通过后报警，迅速定位火灾源，持续检测大楼内部火势蔓延情况，火势分布情况。
5.2 信息推送与逃生指引
- 将火势信息推送给大楼内所有节点，楼内节点通过发声等方式报警通知楼内人员，提供火势信息与逃生指引。
5.3 节点测量频率调整
- 感知层节点每隔一段时间上报数据后进入半休眠省电，收到服务器指令后，可进入激活状态，加快测量频率，尽量提供持续的实时信息。
6. 技术路线、拟解决的问题及预期成果
6.1 技术路线
6.1.1 软件部分
- 需求调研、方案设计、项目立项、视觉规划、程序开发、集成测试、验收上线、后期维护。
6.1.2 感知节点设计
- 火灾监测原理研究与传感器选型、单片机选型与电路设计、单片机软件设计、无线网络模块选型、串口通讯、网络模块程序开发。
6.1.3 网关部分设计
- 网络模块、与感知节点通信设计、感知节点信息汇总、与服务器通信设计、网关模块程序开发。
6.2 拟解决的问题及预期成果
6.2.1 拟解决的问题
- 系统架构、合理安排前端开发与后台交互的工作任务、信息不足的逃生困难、火灾扩散情况不明、物业、消防知情较晚。
6.2.2 预期成果
- 制作一个可以实时查看楼道、房间内温度、烟雾量的微信小程序（包含起火推送警报、推荐逃生路线等功能）。
- 一个后台管理系统（包含对所有节点的实时监控功能、对用户权限的授权、逃生方案定制、紧急通知居民等功能）。
- 制作一个具有实时探知环境温湿度、烟雾浓度、火焰产生红外线情况并能将自身传感数据上传且接受指令的物联网感知层节点系统。
- 制作一个能统合感知层节点信息，与服务器连接上传数据、接受数据并分发给下层的传输层节点。
- 申请发明专利或软件著作权1-2项。
7. 项目研究进度安排
7.1 软件方面项目进度安排
- 2024.03-2024.06：制作软件设计图、整理和处理数据以及相关资源，学习相关的一些知识。
- 2024.07-2024.08：根据设计图，运用uniapp脚手架以及Vue框架写出前端页面。
- 2024.09-2024.11：根据前端页面需要，设计后端接口文档，以及数据库结构，使用SSMP框架编写后端程序。
- 2025.12-2025.03：对已实现的软件的功能和性能完成测试，向导师或专业人员寻求指导、简化复杂情况和修复bug、在linux系统上部署好项目（包括Mysql数据库以及项目），微信公众平台上线管理系统，进行后期程序的升级和新功能的开发。
7.2 硬件方面项目进度安排
- 2024.03-2024.06：传感模块、微处理器、无线模块选型，硬件电路设计，学习无线通信协议，无线模块使用方式，单片机软件开发。
- 2024.07-2024.08：测试节点功能，火焰探知性能，烟雾传感器等等。
- 2024.09-2024.11：网关节点与服务器的通信，物联网节点与网关的通信，信息汇总、上报信息以及接受指令等。设计PCB最终生产一组物联网节点，对系统功能进一步测试，测试火灾报警系统，火势信息推送，逃生引导等。
- 2025.12-2025.03：对测试中出现的问题进行解决，修复bug，优化系统设计，优化性能。
8. 已有基础
8.1 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
- 查阅了相关资料，了解了当下火灾发生逃生情况不理想的的原因，与指导老师交流确定了项目主题以及可行性，具有编程基础，掌握了C语言，Java以及javascript等编程语言，已经学习了Springboot + Spring + SpringMVC+ MybatisPlus + SpringSecurity + SpringCloudAlibaba等后端框架，前端掌握了使用uniapp脚手架结合VUE开发微信小程序以及Web的开发。掌握了Linux系统以及Mysql数据库的基本使用方法。实践过云服务器的项目部署。软件方向知识基本已掌握。
- 查阅了相关资料，对现有的火灾预警系统进行了了解，学习了电路与电子技术，基于STM32的嵌入式开发，传感器与测试技术，对整个物联网节点的感知层技术已基本掌握，能够设计实现出感知层的节点。
8.2 已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
- 确定了软件的基本功能以及相应的模块，明确了研究方向，但团队有UI设计相关的技术缺陷问题，后续在研究开发过程中，团队成员会互相帮助，查阅资料，学习Photoshop等软件的使用，完成UI的设计。实现基于Web和移动端的逃生路线动态可视化指引。
- 对物联网的通信协议了解尚不足，选用的无线传感模块的Arduino开发环境，以及网关节点通过4/5G连接服务器的实现还需学习，完成传输层节点的设计与实现。
- 与指导老师交流探讨，完善技术上的不足之处并解决可能会出现的其他问题。
