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探讨ZigBee技术及区块链技术在建筑消防系统中的融合

  2020-09-18    112  上传者:管理员

摘要:当前我国大部分建筑的消防设施管理还停留在人工巡视的阶段,且重点防火区域不能实现实时监测,使得建筑缺乏高效、实时、智能的消防管理,极大地影响建筑消防安全。区块链技术具有去中心化、开放性、可溯源性、不可篡改性等特性。文中通过基于区块链技术的特性,加以ZigBee技术和二维码技术的辅助,建立一个具备信息可溯源性、不可篡改性和实时监测功能的,应用于建筑防火的消防评估系统。实验结果表明,该设计达到了预期目标。

  • 关键词:
  • ZigBee技术
  • 二维码
  • 信息可溯源性
  • 区块链技术
  • 安全科学
  • 建筑防火
  • 消防安全
  • 预期目标
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我国建筑中都会安装有消防栓、喷淋设备等装置,并且会在特定区域放置干粉灭火器。但目前我国大部分的建筑,例如学校寝室和小区居民楼中,仍然采用的是人工巡查的消防设施管理方式。这种方式具有很多的弊端:手工记录效率低下,检查人员的工作量大;在某些检查中,检查人员全靠自己的经验检查,不同的检查人员产生的误差大;传统人工的消防检查,多数是依靠检查人员手工记录,不能及时上报消防巡检结果;传统人工检查不能精确、完整地收集数据,例如记录检查时间、记录检查人员;在当前的建筑消防检查中,大多数的消防检查流于形式,建筑管理人员无法准确地评估建筑实时的消防安全能力;当火灾发生后,有关部门很难从人工记录的消防巡查记录中找出火灾发生的原因;不能实时的监测建筑内重点防火区域的状况。

由于建筑发生火灾属于小概率事件,建筑内部的大部分消防设施一般都处于长期不使用的状态,这样极有可能出现消防设施缺少维护的情况,例如消防栓阀门生锈、消防管网内无水的情况。而当火灾真正来临的时候,这些小小的疏忽很可能会导致巨大的损失。建筑内部某些容易失火的区域由于没有进行实时监测,对于建筑消防安全来说具有长期性、潜伏性的安全隐患。


1、系统技术概述


1.1区块链技术

区块链技术是一种使用了分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术的集成式技术。它的核心技术是:密码学、共识算法、网络。区块链的组成可以简单的分为:交易、区块、区块链。简单地说,交易是传统记账本中的1条记录,区块是记账本中包含多条记录的1页,区块链是包含完整多页的账本。每个区块都具有区块头和区块体,区块头中有:父区块的哈希值、时间戳、Merkle树根和区块高度,而区块体则是交易记录。区块头可以根据哈希值连接前一区块,这样许多区块连接在一起就形成了一个区块链。识别不同区块的方法就是通过不同区块具备的不同哈希值和区块高度。区块结构如图1所示。

图1区块结构

区块链的运作方式可以分为三种:链式结构、树状结构、图状结构。因为本系统使用链式结构,下面只介绍链式结构。链式结构中区块由区块头和包含具体数据记录的区块体组成。区块具体对数据进行记录的操作是在Merkle树根中,Merkle树中的叶子节点为具体的数据记录,非叶子节点是对应的叶子节点的哈希值,而Merkle树由哈希值构成的,对于数据记录的任何改变都会体现在Merkle树根上,这样可以很容易的知道数据是否被人为篡改。这是区块链技术的不可篡改特性,可以很好的运用在本系统的数据记录方面,有效保证消防设备设备管理信息的数据安全性和数据可靠性。区块头中除了Merkle树根值以外,还有表明每个区块是独一无二的信息(如哈希值)。区块头中的父哈希值用于连接前一个区块,各区块依据父哈希值以此连接形成区块链。区块链结构如图2所示。

图2区块链结构

1.2ZigBee技术

ZigBee技术是一种低速短距离传输的无线网上协议,它适用于传输范围短、数据传输速率低的传感器网络中,是一种新兴的短距离无线通信技术。它的优点是低功耗、低成本、高容量。由于ZigBee技术自身的特点,它常被用于农业监测、森林防火、家居物联网等领域。

ZigBee网络主要由三个部分组成,分别是协调器、路由器、终端。协调器是用来创建和配置网络,路由器负责路由发现和消息转发,终端负责接收命令采集到数据并上传。

ZigBee的网络拓扑结构分为三种星型、树型、网状型,如图3所示。其中星型拓扑结构是最简单的一种,这种结构主要由一个协调器和多个路由器和终端组成。在这种网络中协调器可以和任何一个节点通信,而节点之间必须通过协调器才能进行通信。树型结构主要采取是分级通信的方式,如果某个关键节点失效,其下属的剩余节点需要重新组网,否则无法与网络中其他正常节点进行通信。网状网络可以通过多级跳的方式来进行通信,网络稳定性高,节点间通信灵活,但是功耗也相对较高。ZigBee协调器在组建网络时,可以通过初始化一些参数,选择不同的网络结构。

图3ZigBee网络拓扑结构

1.3二维码技术

二维码(2-dimensionalbarcode),又称二维条码,它的技术原理是将形状特定的几何图形按规律放置在二维平面上,用黑白相间的图形记录用户需要的数据信息。二维码使用计算机内部的“0”“1”二进制的基本逻辑,使用不同形状的几何图形来与二进制对应,从而表达数据信息。

二维码技术具备如下优点。

(1)可记录信息多。二维码技术是在二维平面上进行信息记录的,它可以容纳500多个汉字。

(2)具备较强的容错能力。当二维码表面出现少量污损和破坏时,依然可以正常识别。

(3)识别方式简便。使用具备摄像头功能的智能手机和移动终端即可识别。

(4)保密性高。可设置加密方式,对二维码上的信息进行加密。

(5)制作成本低,耐用性高。

(6)编码范围广。二维码技术可以将图片、声音、文字等信息进行编码。

由于二维码技术具备以上这些特点,因此它非常适合应用于当前的建筑消防设备设施的管理中。建筑管理部门可以为建筑中的每一处消防设施与设备都制定一个唯一的二维码,这样巡查人员在巡查过程中能高效、快速、准确地记录消防设备设施的状况,并且可以及时将这些信息上传到建筑管理部门的终端,便于管理部门第一时间获取建筑消防设备与设施的状态,实时地对建筑的消防安全状态进行评估。

读者可用手机等移动设备扫描图4所示的二维码,可以得到以下信息:

名称:室内消火栓。编号:Sy3-1。生产厂家:XX消防设备有限公司。最近检查时间:2019年11月24日。最近检查人:某某。所在位置:吉林建筑大学净月校区11舍3楼。状态:工作正常。

图4二维码示例


2、系统总体设计


本文主要是为了设计一个用于建筑防火的建筑消防评估系统。该系统的主要功能是:通过使用二维码技术,让巡检人员便捷地将建筑内部的消防设施状态信息上传到数据库中,数据的储存使用区块链技术,保证数据的安全性、不可篡改性和准确性,并且在建筑内部的重点防火区域安装ZigBee模块和传感器进行实时的监测,监测的数据将实时上传到数据库中,数据的存储方式也采用区块链技术。数据库中数据进行处理后,通过客户端告知管理人员建筑内部的消防安全情况,并进行消防安全评估,让管理人员可以及时知晓建筑的实际情况。倘若建筑发生了火灾,管理人员可通过传感器上传的信息快速判断火灾发生的区域,并且在火灾发生后,管理人员能根据区块链技术的数据可追溯的特性,准确快速地发现火灾发生的原因,可以高效准确地解决责任归属问题。

系统主要由ZigBee模块、区块链技术、设备二维码、GPRS模块、Web服务器等部分组成。ZigBee终端模块使用CC2530芯片连接传感器,传感器采集到的数据会通过协调器传给ARM处理器,本系统中ARM处理器使用的是STM32F103处理器。之后数据通过GPRS模块到达Web服务器,用区块链技术把数据储存在数据库中。

系统具体运作过程如下所示。

(1)数据采集。

数据采集分为两个部分,一部分是巡检人员在现场检查完消防设备后,利用手机扫描设备上的二维码,将设备的状态信息通过手机上传到数据库中;另一部分是ZigBee终端模块的实时监测,在容易失火的区域放置ZigBee模块,可以实时监测该位置的实际情况,将数据通过GPRS模块,上传到数据库中进行储存。

(2)数据存储。

数据在数据库中的储存方式都采用区块链技术,有效的保证了数据的安全性、不可篡改性、可靠性。

(3)数据处理。

系统实时监测获取的数据,并对于建筑的消防安全进行评估,如果某处区域数据出现异常,将通过客户端告知管理人员需要及时进行人为处理。

(4)数据溯源。

当建筑内火灾发生后,管理部门需要准确快速地知道火灾的发生原因,并且确认火灾发生的责任归属。由于系统的数据储存使用的区块链技术,可以保证数据具有可靠性和不可篡改性,管理部门只需要调出数据库中的数据即可进行火灾原因调查工作。

(5)日常管理。

管理人员可以通过客户端,对于建筑的消防安全进行便捷、高效的评估,并可对建筑的消防设施进行完善的管理。巡检人员在检查消防设施时使用手机即可将设施状态实时上报,减小巡检的工作量。


3、案例分析


下面以吉林建筑大学的建筑消防管理为例,对上述系统进行应用分析。通过实地调查得知吉林建筑大学存在的消防问题见表1所列。

由表1可知,吉林建筑大学建筑防火存在的问题在于:消防设施多,巡检人员检查流于形式;检查周期过长,每次消防设施检查间隔1月左右;人工检查,使用纸制记录工作量大,不便于管理;重点防火区域不能做到实时监测。

表1吉林建筑大学存在的消防问题

根据图5使用本系统对吉林建筑大学的消防问题进行改进,首先为每个消防设施都制作一个二维码,这样巡检人员在检查过程中可以使用手机直接上传设施状态。由于上传的数据的存储方式使用区块链技术,每个数据的来源都可追溯至何人何时上传,从而使得检查工作不再流于形式,并且减少了手工记录的工作量,方便管理部门管理建筑的消防设施。然后在重点的防火区域,安装ZigBee终端进行实时监测,24h保障易失火区域的消防安全,数据实时上传至数据库中,管理部门可以实时得知这些易失火区域的实际情况,从而可以准确地评估建筑的消防安全。

图5系统总体设计


4、结语


本系统使用二维码技术,让巡检人员可以通过手机便捷地上传消防设施的状态,解决了巡检人员手工记录工作量大、管理部门难以整合记录的难题。在建筑重点防火区域使用ZigBee模块进行实时监测,可以实时保障易失火区域的消防安全。数据的储存采用区块链技术,可以保证数据的可靠性、不可篡改性、可溯源性,有利于让检查工作不再流于形式,在火灾发生后有关部门也可第一时间确认责任归属。将数据库中数据进行处理,管理部门可以直观地通过客户端实时了解建筑的消防安全,大大提高建筑的防火能力。


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基金:国家级大学生创新创业计划项目:托管式农作物智能监测管理系统(201910191076).

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中国减灾

期刊名称:中国减灾

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期刊详情

主管单位:中华人民共和国应急管理部

主办单位:民政部国家减灾中心

出版地方:北京

专业分类:科技

国际刊号:1002-4549

国内刊号:11-2848/D

创刊时间:1991年

发行周期:半月刊

期刊开本:大16开

见刊时间:7-9个月

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