基于物联网的智慧消防无线监测系统设计

2020-12-22 13:55:39李天才、李学红、李桂琴浏览0次0

　　摘要：针对传统消防系统采用布线方式，巡检信息交互滞后、信息收集管理落后等问题，设计一套基于物联网的智慧消防无线监测系统。该系统基于同步信道的 LoRa 自组网无线通信专有协议，融合 LoRa 与 NB-IoT 无线消防终端、中继器、无线火灾报警控制器(网关)、云平台和智慧消防集中监控平台组成。同时开发 Android 和 IOS 客户端的监控平台，实现消防监控与管理的智能化，实时获取防区设备动态，提升火情响应的效率，降低运行成本。

　　关键词：物联网;智慧消防;LoRa;自组网;监控平台

　　Abstract:An intelligent fire -fighting wireless monitoring system is designed to solve the traditional fire control system　problems of wiring,backward inspection information interaction and collection management in this paper.The system is based on LoRa Ad Hoc wireless communication proprietary protocol of synchronous channel,and is composed of Lora and Nb IOT wireless fire terminal,repeater,wireless fire alarm controller (gateway),cloud platform and intelligent fire centralized monitoring　platform.At the same time,the monitoring platform of Android &IOS clients are developed to realize the intelligent fire management.It can obtain the equipment status of the defense area in time,improve the efficiency of fire response and reduce the operating cost.

　　Keywords:IoT,intelligent fire control,LoRa,Ad Hoc,monitoring platform

　　随着科学技术的发展，智能化开始走进人们的日常生活中，如智能交通、智能家居、智能停车位等。由于物联网技术的日渐成熟，建筑消防行业近年来也得到飞速发展。国内外实践证明，基于嵌入式技术以及使用无线传感器网络技术的智能建筑安全与消防系统，已经成为近年来以至以后多年智能建筑安全与消防系统发展的主要趋势之一。区别于使用总线技术的传统消防系统，基于物联网技术的智慧消防系统提供统一的标准化接口和数据传输机制，而且硬件上使用的嵌入式微处理器可以通过开发者设计的特定的通信协议接入以太网，实现消防信息和消防设备数据的实时传输。显然，物联网技术广泛应用于智能建筑的安全防火领域这一趋势已经成为主流。 2012 年，美国NIST(标准技术研究院 )发起 “Smart Fire Fighting”项目，次年资助美国消防基金研究会开展智慧消防线路图的研究。西方发达国家对智慧消防研究进行了深入的研究，其技术的发展也日趋成熟。文献提出一种智慧消防系统方案，打破传统消防系统间存在的信息壁垒;文献设计一种基于 BIM 的可视化消防设施监管系统，但系统软件为 C / S 架构，在推广使用上具有一定的局限性;文献设计的无线报警系统由于采用 ZigBee 通信，在通信距离上受到一定限制。

　　本文设计的智慧消防无线监测系统应用层采用 B / S+C / S混合架构。其中 B / S 架构用于 PC 端通过 Web 浏览器与服务器进行交互及分析由网关向服务器提供监控数据。 C / S 架构用于移动端 APP 与服务器进行交互。感知层与通讯层通信基于同步信道的 LoRa 自组网无线通信专有协议，相比较于 ZigBee 技术，大大增加了系统通信距离。系统由无线消防终端、中继器、无线火灾报警控制器(网关)组成。云平台与 Web、APP 同步，实时对现场进行消防监控及通知。终端使用全新自主研发的低功耗技术方案支撑电池使用寿命达 3～5 年之久。为实现建筑消防系统的多样化、降低整个系统运行成本、系统的推广以及获得更多的市场提供了一种经济可行的解决方案与配套产品。

　　1 总体架构

　　根据物联网参考模型 [8]设计的无线智慧消防无线监测系统，主要由应用层、通讯层、采集层组成，如图 1 所示，图中涉及实物均为该系统系列产品的实物图片。

智慧消防无线监测系统架构

　　应用层主要由监控中心计算机和智能手机等构成。监控中心的计算机使用浏览器进入集中监控平台，即可实现对系统设备的管理和控制功能。

　　通讯层主要是通过无线火灾报警控制器(网关)对接收的底层采集信息的处理与传输，采用有线网络和 GPRS 无线传输方式把云服务器和无线火灾报警控制器(网关)(通讯层)连接起来，支持双向通信。

　　采集层通过智能火灾探测器感知烟雾、温度变化、可燃气体、可燃粉尘或火焰等火灾信息，经过终端分析处理后利用 LoRa 组成的网络将火情数据打包发送给通讯层，通讯层通过以太网或 GPRS 进一步将火情数据发送至云服务器。或者是 NB-IoT 终端直接使用运营商网络将火情数据直接发送到云服务器。监控中心相关操作人员会对发送过来的火情数据进行确认。

　　2 系统功能分析

　　针对智慧消防无线监测系统平台联网、数据采集与传输、通信协议解析等应具有以下功能：

　　1)数据信息实时监控采集。建筑消防设备必须要做到 24 小时实时响应，一旦没有及时发现火灾警情，火灾将迅速蔓延，造成巨大损失。系统 24 小时监视各终端设备的剩余电量、温度、信号及其他设备状态等信息，所有信息展示在监控平台便于操作人员查看。

　　2)多重身份的权限管理。鉴于一个建筑的消防管理部门分多个科室以及多种不同的岗位，不同岗位人员负责不同的工作任务，因此每个工作人员使用系统进行的操作不同。用户使用相应的权限可以对授权范围内的无线火灾报警控制器(网关)设备、中继器、终端设备等监测数据和运行情况进行查看、配置修改，从而提高系统整体安全性。

　　3)远程控制及管理。整个系统包含成百上千个终端以及其它设备，只是依赖现场人员进行维护和配置需要花费较多的人力资源成本且效率极低。系统设计的同时开发了 Web 以及移动客户端(Android & IOS)的管理监控平台，具备管理员权限的使用者可以在 Web 端或者本地设定系统设备的各种参数值，还可以对通讯层、采集层设备进行、复位、消音、联动和远程设置参数等操作，方便管理，同时提高工作效率。

　　3 系统设计

　　3.1 无线通信方式的融合

　　LoRa 是基于扩频技术的超长距离无线传输解决方案，属于低功耗广域网，是一种低带宽、长距离、低功耗、连接量大的物联网通信技术。它可以工作在免授权频段，无需申请便可以建立网络设备，相对来说网络架构简单。 NB-IoT 是 3GPP 标准化组织定义的物联网窄带射频技术，它是一种低功耗、广域覆盖、超长距离、连接量大的蜂窝通信技术。使用的是运营商提供的授权频段，因为是专门划分的频段，因此干扰相对要少很多。

定制化智慧消防无线监测系统图

　　系统采集层融合了 LoRa 和 NB-IoT 两种通信方式的终端，可以混合布局互补使用。在运营商信号覆盖情况较差的的区域可以使用 LoRa 无线终端，通过 LoRa 无线通信将数据发送给无线火灾报警控制器(网关)，再由控制器通过以太网将数据上传到与服务器; 在 LoRa 通信频段干扰较严重的区域可以使用NB-IoT 无线终端，直接将数据发送到云服务器。两种通信方式的融合可以提高系统对复杂使用环境的适应性。

　　3.2 无线火灾报警控制器(网关)硬件设计

　　智慧消防无线监测系统中，通讯层是终端采集信息与云端服务器对接的枢纽，无线火灾报警控制器(网关)作为通讯实现的硬件基础，其设计显得极为重要。无线火灾报警控制器(网关)由以下几个模块组成：主控 MCU、主备电切换、显示、存储、语音、输入输出 I / O。其中，采用 ST 公司 STM32 芯片作为无线火灾报警控制器(网关)主控模块的主控芯片;控制器的输入模块即数据采集模块，主要由 LORA 模组来获取数据 (RS485 预留接口)，RS232 主要作为打印机接口将告警信息打印出来呈现;输出模块通过以太网和云服务器进行数据传输，同时输出模块还可以使用 2G / 3G / 4G、Wi-Fi、蓝牙模块进行数据传输以适应不同需要的使用环境。多种传输模块可以保障数据传输的实时性、可靠性。控制器的显示模块采用一块 LCD 显示屏同时支持　触控操作，由主控 MCU 驱动。 STM32 主控芯片的 Flash 和外接SDRAM 与 NAND Flash 组成了控制器的存储模块。语音模块主要是当监控到告警信号时，能够播放疏散警示音，引导疏散。无线火灾报警控制器(网关)和 Web 集中监控系统的基本功能一致，能够对其下所有终端包括中继器进行监测、采集，同时带有本地管理功能的控制器具有历史数据的存储与查询功能。该控制器的原理框图如图 2 所示。

无线火灾报警控制器网关原理图

　　3.3 感知层设备硬件设计

　　感知层设备也就是终端(感烟、感温报警器、可燃气体检测报警器、可燃粉尘报警器、NB-IoT 感烟、温报警器)的硬件可以划分为 4 个功能模块，如图 3 所示，包括传感器、控制、传输、电源模块。环境中烟雾、可燃气体、粉尘浓度、温度变化等数据均可以被传感器模块采集，这些数据通过接口传输给控制模块。控制模块根据 LoRa 私有协议对数据进行封装，封装后的数据包通过传输模块发送给传输层的无线火灾报警控制器(网关)，电源模块为终端设备提供长时间的能源支持。

感知层设备功能模块

　　感知层终端设备的创新之处在于，只采用电池供电产品使用自主研发的低功耗技术，其电池使用寿命可以达到 3～5 年。这里的低功耗技术主要通过无线火灾报警控制器(网关)设定的心跳时间实现，心跳间隔可在 5～360min 根据实际需求选择，设备自动跟随网关配置时间执行心跳通信。也就是说在一次心跳循环开始时设备“醒”来并上报自身状态信息，其余时间处于休眠(出现火情自动唤醒上报警情)。根据实际测试其平均电流≤60μA@20min 心跳间隔。

　　3.4 Web 服务器架构设计

　　服务器与无线火灾报警控制器(网关)的交互是系统软件设计的关键部分，其架构如图 4 所示。服务器下方可接一台或多台无线火灾报警控制器(网关)。

　　Web 服务器采用三层结构设计。包括：

　　1)数据接入层：提供标准的数据处理接口;

　　2)业务处理层：对数据进行加工处理;

　　3)数据持久层：提供数据增删改查功能。

　　数据采集服务器实时接收网关上报的数据包，并将数据包分类后发送给 RabbitMQ。 Web 服务器及网关数据处理器实时地从 RabbitMQ 中获取网关、中继器、传感器数据，其中 Web 服务器主要抓取告警信息并返回给前端设备，网关数据处理器则负责将数据保存到数据库中以备后续分析。 PC 端通过 WebSocket 技术实时接收 Web 服务器的告警信息 ; 移动端通过Socket 长连接实时接收 Web 服务器的告警信息。