NESNELERİN İNTERNETİ TABANLI YANGIN ALARM SİSTEMİ TASARIMI VE UYGULAMASI

👤> SEYİT ALPEREN ÇELTEK, Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Enerji Sistemleri Mühendisliği, 70100, Karaman-Türkiye. e-posta: salperenceltek@kmu.edu.tr MAHMUT DURGUN, Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği, 70100, Karaman- Türkiye. e-posta: mahmutd@yandex.com LEVENT GÖKREM, Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği, 60250, Sorumlu yazar, levent.gokrem@gop.edu.tr YELİZ DURGUN, Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Turhal Meslek Yüksek Okulu, 60250, Tokat-Türkiye. e-posta: yeliz.durgun@gop.edu.tr

 Günümüzde fabrikaların, iş merkezlerinin, hastanelerin, kısaca insanların yoğun olarak bulunduğu binaların güvenlik ve kontrol sistemlerine son teknoloji yangın algılama sistemlerinin entegre edilmesi önemli bir konudur. Mevcut yangın alarm sistemleri geniş alanlarda, özellikle endüstriyel tesislerde, optimum bir çözüm sağlamamaktadır. Bu çalışmada, nesnelerin interneti tabanlı düşük maliyetli endüstriyel yangın alarm sisteminin tasarımı ve uygulaması anlatılmaktadır. Geliştirilen sistem gaz sensörü, hareket sensörü, sıcaklık nem sensörü, duman sensörü ve haberleşme modülüne sahip yangın düğümlerinden oluşmaktadır. Tüm yangın modülleri Wi-Fi ile bulut servere bağlanır. Yangın düğümlerinden bulut servere iletilen veriler burada depolanır. Tasarlanan sistem, kullanıcının dünyanın her yerinden istediği zaman sıcaklık, 🔍 nem, hareket ve yangın gibi parametreleri grafiksel olarak görüntülemesine olanak tanır. Önerilen bu düşük maliyetli sistemin kablolamaya gerek duymaması, basit bir arayüze sahip olması, kullanıcıya elde edilen verilerin analizi imkanını vermesi ve modüler olmasından dolayı mevcut endüstriyel tesisler için pratikte uygulanabilir olması beklenmektedir.

Anahtar Kelimeler: Akıllı yangın alarm sistemi, Nesnelerin interneti, Yangın düğümleri.
Internet of Things Based Fire Alarm System Design and Implementation

1. Giriş
Otomatik yangın alarm sistemleri, yangın eylemi sırasında gözetim, izleme ve uyarı sağlamak için tasarlanmış elektronik sistemlerdir ( Kasberger ve ark., 2016 ). Günümüzde otomatik yangın alarm sistemlerinin kullanımı her geçen gün artmaktadır. Yangının ilk oluştuğu an tespit edilmesi ve erken müdahale yangının sebebiyet vereceği olası hasarı da minimuma indirgeyecektir.

Bir yangın alarm sistemlerinin temel bileşenleri şu şekildedir (Goel ve ark., 2017);
• Algılayıcılar,
• Uyarıcılar,
• Kontrol paneli.
Hali hazırda kullanılan endüstriyel yangın algılama sistemlerinin çoğu kablolu sistemlerdir. Mevcut sistemler konvansiyonel (bölgesel bilgilendirme) sistemler ve adreslenebilir (noktasal sistemler) olarak ikiye ayrılabilir. Konvansiyonel sistemlerde tesis yada bina belirli bölgelere ayrılır. Her bir bölgede bölgenin büyüklüğüne bağlı olarak 30-40 adet yangın algılayıcılar bulunur. Konvansiyonel sistemlerde yangın uyarısı bölgesel olarak değerlendirilir. Adreslenebilir sistemlerde tesis bir bütün olarak düşünülür ve algılayıcılar tüm tesise dağıtılır. Yangın uyarısı noktasal olarak değerlendirilir ve yangına en kısa sürede müdahale edilir ( Aktaş, 2006 ).

Yangın alarm sistemlerinde algılayıcı olarak çeşitli sensörler kullanılır. Duman sensörü, alev sensörü, sıcaklık sensörü, ışık sensörü başlıca kullanılan sensörlerden olup, en fazla kullanılan sensör duman sensörüdür. Bir duman sensörü ışık sensörü olarak düşünülebilir. Duman sensör modülü doğrusal ışın yayan bir ışık kaynağı ile fotodiyottan oluşur. Sensör modülünün içine giren duman ışık kaynağından fotodiyota ışık iletimini engeller ve yangın uyarısına sebeb olur. Sıcaklık sensörü kullanılarak oluşturulan yangın alarm sistemlerinde ise sıcaklık değeri belirli bir değerin üzerine çıktığında sistem alarm verir. Aynı anda duman sensörü ve sıcaklık sensörünün kullanıldığı yangın algılama sistemleride mevcuttur. Bu sistemler hem sıcaklığa hemde dumana duyarlı olup, yangın tespitinde daha etkin sistemlerdir (Gupta ve ark., 2016).

Mevcut endüstriyel sistemlerin çoğu kablolu sistemler olduğu için kurulumu ve bakımı çok zordur. Mevcut sistemlerin daha verimli çalışabilmesi için algılayıcıların belirli bir yerden yükseklik ve açı ile monte edilmesi gerekmektedir. Montajı yapılan algılayıcıların bakımının yapılması, bakımdan sonra tekrar yerleştirilmesi mevcut sistemlerin maliyetini de arttırmaktadır (Shu-guang, 2011).

Yangın algılama sistemlerinin kullanım amacı, binada ya da tesiste bulunan insanlara haber vererek can ve mal güvenliğini sağlamaktır. Mevcut sistemlerde yangın algılandıktan sonra, sesli ve ışıklı uyarıcılar ile binada bulunan insanların tahliyesinin yapılması sağlanır. Hatta öyle ki, yangın algılama ve uyarma sistemleri projelendirme sürecinde, alarm verme cihazlarının konumu da ayrı bir önem arz etmektedir. Yangın anında sesli yada ışıklı uyarı vermemesi gibi alarm sistemlerindeki olası bir arıza tüm bir yangın algılama sisteminin çalışmasını olumsuz yönde etkileyecektir.🔍 

Özet olarak hali hazırda kullanılan yangın algılama sistemleri olarak değerlendirilir ise;
• Konvansiyonel sistemler en ekonomik sistemlerdir ve küçük ölçekli binalar için daha uygundur. Bina ölçeği büyüdükçe verimi düşer ve noktasal uyarıda bulunamaz.
• Adreslenebilir sistemler büyük ölçekli binalar için daha uygundur. Noktasal yangın uyarısı verebilir. Adreslenebilir sistemlerde binanın ölçeği ne kadar büyürse maliyet artar, kurulum ve bakım aynı oranda zorlaşır.
• Mevcut sistemlerin geneli kablolu sistemler olduğu için binaya uygulanması durumunda proje gereklidir. Kablolama hem iş yükünü hemde maliyeti arttırmaktadır.
• Mevcut sistemlerde uyarı bölgesel olarak sağlanmaktadır. Uyarı anında o bölgede insanın bulunmaması yada uyarı cihazının arızası sistemi tamamen kullanışsız hale getirmektedir.

Yukarıda da açıklanıldığı üzere, kablolu yangın alarm sistemi yüksek maliyet gerektirir ve kurulumu zordur. Ancak kablolu sinyal iletimi (kılıf ve pirinç boru koruması gibi etkenler göz önüne alınırsa) yüksek sinyal kalitesini garanti eder. Bu nedenle yüksek kapasiteli, yüksek istikrarlı bir sistem gerçekleştirir. Kablosuz yangın alarm sistemi, haberleşme mesafelerinden ve engellerden büyük ölçüde etkilenen açık sinyal iletimini kullanır. Sinyal iletim hızı ve kapasitesi kablolu sisteme kıyasla daha düşüktür ( Dong ve ark., 2016 ). Yapılan çalışmayla mevcut yangın alarm sistemlerinin eksiklerini gidermek ve mevcut olan problemleri daha teknolojik ve ucuz maliyetle çözmek amaçlanmıştır. Bu çalışmada, ortamdan alınan verilerin, hatasız ve gerçek zamanlı iletilmesini sağlamak için nesnelerin interneti tabanlı kablosuz yangın alarm sistemi tasarımı yapılmıştır.

Önerilen tasarımda yangın alarm sistemi yangın düğümleri ve sunucu olarak iki ana bileşenden oluşmaktadır. Şekil 1’de sistem modeli görülmektedir.

🔍 Tasarlanan yangın alarm sisteminin donanım kısmını ortam parametrelerini takip etmek için kullanılan yangın düğümleri oluşturur. Bir yangın modülü Wi-Fi haberleşme modülü (ESP 8266), sıcaklık nem sensörü (DHT 22), duman sensörü, gaz sensörü (MQ-2), hareket sensörü, buzzer ve mikrodenetleyici içermektedir.

(Şekil 2). Yangının net bir şekilde tespit edilmesi için sıcaklık, nem, duman ve gaz sensörü kullanılmıştır.
Kullanıcı her düğüm için belirli bir sıcaklık ve nem eşiği belirler. Düğümün algıladığı değerler belirlenen eşik değerlerini aştığı an düğüm alarm durumuna geçer. Duman sensörü ve gaz sensörü de ortamda yangın tespit eder etmez direk yangın alarm durumuna geçer. Alarm durumunda buzzer kullanılarak ses ile ortamda bulunan insanlara ikaz verilir. Aynı zamanda sunucuya uyarı ikazı gönderilir. Sunucuya gönderilen uyarı ikaz paketinde yangının konumu, sıcaklık ve nem bilgisi de iletilir.
Ortamdan toplanan veriler bulut sunucuda depolanır. Verilerin bulut sunucuya kablosuz olarak aktarılması için yangın düğümlerinin konumlandırıldığı ortamda yerel ağ bağlantısının olması gerekmektedir. Küçük ölçekli bina ve tesisler için önerilen sistem sorunsuz bir şekilde çalışmaktadır. Büyük ölçekli binalarda, yangın düğümleri ile sunucu arasındaki veri iletiminin sağlıklı bir şekilde sağlanması kablosuz yerel ağ bağlantısının arttırılması gerekmektedir. Bu çalışmada yerel ağ bağlantısın güçlendirmek amacıyla erişim noktası (access point, AP) önerilmiştir. Şekil 3’de görseli verilen binaya tasarlanan sistem uygulanmak istenmiştir.🔍 

Şekil 4’te uygulama yapılan binanın bir katına ait görsel verilmiştir. Kullanıcının isteğine göre yangın düğümlerinin sensörleri değişiklik gösterebilir. Sadece hareket sensörünü içeren hareket düğümü, sıcaklık sensörünü içeren sıcaklık sensörü, nem sensörünü içeren nem düğümü yada tüm sensörleri içeren yangın düğümleri binaya yerleştirilebilir (Şekil 4). Düğümler yerleştirilirken dikkat edilmesi gereken kriter erişim noktasına uzaklıktır. Erişim noktası kapsama alanı dışına yerleştirilen düğüm, aldığı ölçüm sonuçlarını sunucuya iletemeyecektir.

Tüm düğümler 9 V pil ile çalışmaktadır. Bu çalışmada düğümlerin güç tüketimini minimize etmek ve bir düğümün çalışma süresini daha da arttırmak adına olay tabanlı (event driven) paket gönderim modeli kullanılmaktadır. Olay tabanlı gönderim modelinde düğümler ayarlanan olayın gerçekleşip gerçeklemediğini belirli bir periyotta kontrol ederler. Eğer olay gerçekleşmiş ise ortama ait sensör verilerini sunucuya iletirler. Olayın gerçekleşmeme durumunda ise uyku durumuna geçerek pil tüketimini azaltırlar. Aşağıda sıcaklık değeri için ayarlanmış bir olay tabanlı gönderim modelinin algoritması verilmiştir.

Olay Tabanlı Gönderim Modeli Algoritması
Adım 1. Kullanıcıdan istenen sıcaklık değerini al.
Adım 2. Sıcaklık ölçümü yap.
Adım 3. Ölçülen sıcaklık ile istenen sıcaklığı karşılaştır.
Adım 4. Ölçülen sıcaklık istenen sıcaklık değerinden daha fazla ise adım 6’ya git.
Adım 5. Uyku moduna geç.
Adım 6. Alarm durumuna geç ve ölçülen değeri sunucuya gönder.

Her düğüm ortama ait fiziksel parametreleri birer paket yapısı halinde sunucuya iletir. Bu paket yapısı gönderen düğümünün adresi, ölçüm sonuçları ve döngüsel artıklık denetiminden (Cylic redundancy check, CRC) oluşmaktadır. Her düğümün kendisine özel adresi vardır. Kullanıcı paket yapısını alır almaz ilk olarak paketin hangi düğümden geldiğini kontrol eder ve o ilgili düğüm için tablo açar. Düğümden gelen sonuçları tabloya yazar. Düğümden gelen sonuçları kaydetmeden önce, düğümün ağa ilettiği veri ile sunucunun ağdan aldığı verinin aynı olup olmadığını döngüsel artıklık denetimi ile kontrol eder.

🔍 Döngüsel artıklık denetimi sonucu pozitif ise veriler sunucuya kaydedilir. Kullanıcı sunucuya kaydedilen verilere internet aracılığıyla dünyanın her yerinden ulaşabilmektedir.

Şekil 5’te gösterildiği üzere sistem basit bir arayüze sahiptir. Kullanıcı seçmiş olduğu düğüme ait parametrelere Şekil 5’te gibi ulaşabilmektedir.

Kullanıcı arzu ederse, seçmiş olduğu düğümün geçmiş değerlerine de ulaşabilmekte ve grafiksel bir şekilde analiz yapabilmektedir. Şekil 6’da seçilen bir düğümün sıcaklık grafiği verilmiştir.
Şekil 6’da gösterildiği gibi sistem kullanıcılarına istedikleri düğümü seçerek geçmiş günlere ait sıcaklık, nem ve yangın verilerine ulaşma, bu değerleri grafiksel şekilde analiz imkanları verilmiştir.

3. Sonuç ve Tartışma
Bu çalışmada nesnelerin interneti tabanlı kablosuz yangın alarm sistem tasarımı yapılmıştır. Alarm sistemi ile kablosuz haberleşme platformu hazırlanmıştır. Tasarlanan sistemin mevcut sistemlere göre öngörülen avantajları şu şekildedir;

• Mevcut kablolu sistemin kurulduğu büyük ölçekli binalar için önerilen sistem yardımcı alt sistem olarak kullanılabilir. Önerilen sistemin alt sistem olarak kullanılması mevcut sisteme esneklik ve uzaktan erişilebilme özellliği kazandıracaktır.

• Hizmet süresi geçici olduğu için kablolamanın yapılmadığı binalarda (depo, garaj, v.b.) önerilen sistem rahat bir şekilde uygulanabilir.
• Mevcut binalarda iç ünitenin yerleşimi değiştiğinde ya da mevcut sistemlerin genişletilmesi için bina birimleri kısmen arttığında, önerilen sistem yardımcı alt sistem olarak kullanılabilir.

Tasarlanan sistemin öngörülen en büyük dezavantajı ise sunucu-düğüm arası veri iletiminin aksamasıdır. Bu problem çözümü için de anten tasarımı veya haberleşmede topoloji kullanılabilir.

Tasarlanan bu sistemin maliyetinin düşük olması, kablolamaya gerek duymaması, basit bir arayüze sahip olması, modüler ve esnek olması gibi sebeplerden dolayı endüstriyel tesisler için vazgeçilmez olması beklenmektedir.🔍

Kaynaklar
Aktaş, O., 2006. “Rf Modül Kullanan Kablosuz Yangın Algılama Sistem Tasarımı,” Gebze Yüksek Teknoloji Üniversitesi.
Dong, W., Wang, L., Yu, G., and Mei, Z., 2016. “Design of Wireless Automatic Fire Alarm System,” Procedia Eng., vol. 135, pp. 413–417.

Goel, P., Datta, A., and Mannan, M. S., 2017. “Journal of Loss Prevention in the Process Industries Industrial alarm systems: Challenges and opportunities,” J. Loss Prev. Process Ind., vol. 50, pp. 23–36.

Gupta, S., Mudgil, A., Bhardwaj, P., and Gupta, M., 2016. “Design and Development of Automatic Fire Alert System,” pp. 632–636.

Kasberger, J., Krammer, L., and Kastner, W., 2016. “Reliable IP based Communication for Fire Alarm Systems,” pp. 63–68.

Shu-guang, M. A., 2011. “Construction of Wireless Fire Alarm System Based on ZigBee Technology,” vol. 11, pp. 308–313.