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      基于物聯網的智慧消防無線監測系統設計

      李天才、李學紅、李桂琴瀏覽00

        摘要:針對傳統消防系統采用布線方式,巡檢信息交互滯后、信息收集管理落后等問題,設計一套基于物聯網的智慧消防無線監測系統。該系統基于同步信道的 LoRa 自組網無線通信專有協議,融合 LoRa 與 NB-IoT 無線消防終端、中繼器、無線火災報警控制器(網關)、云平臺和智慧消防集中監控平臺組成。 同時開發 Android 和 IOS 客戶端的監控平臺,實現消防監控與管理的智能化,實時獲取防區設備動態,提升火情響應的效率,降低運行成本。

        關鍵詞:物聯網;智慧消防;LoRa;自組網;監控平臺

        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

        隨著科學技術的發展,智能化開始走進人們的日常生活中,如智能交通、智能家居、智能停車位等。 由于物聯網技術的日漸成熟,建筑消防行業近年來也得到飛速發展。 國內外實踐證明,基于嵌入式技術以及使用無線傳感器網絡技術的智能建筑安全與消防系統, 已經成為近年來以至以后多年智能建筑安全與消防系統發展的主要趨勢之一 。 區別于使用總線技術的傳統消防系統, 基于物聯網技術的智慧消防系統提供統一的標準化接口和數據傳輸機制, 而且硬件上使用的嵌入式微處理器可以通過開發者設計的特定的通信協議接入以太網, 實現消防信息和消防設備數據的實時傳輸。 顯然,物聯網技術廣泛應用于智能建筑的安全防火領域這一趨勢已經成為主流。 2012 年,美國NIST(標準技術研究院 )發起 “Smart Fire Fighting”項目 ,次年資助美國消防基金研究會開展智慧消防線路圖的研究。 西方發達國家對智慧消防研究進行了深入的研究, 其技術的發展也日趨成熟。 文獻提出一種智慧消防系統方案,打破傳統消防系統間存在的信息壁壘;文獻設計一種基于 BIM 的可視化消防設施監管系統,但系統軟件為 C / S 架構,在推廣使用上具有一定的局限性;文獻設計的無線報警系統由于采用 ZigBee 通信,在通信距離上受到一定限制。

        本文設計的智慧消防無線監測系統應用層采用 B / S+C / S混合架構。其中 B / S 架構用于 PC 端通過 Web 瀏覽器與服務器進行交互及分析由網關向服務器提供監控數據。 C / S 架構用于移動端 APP 與服務器進行交互。 感知層與通訊層通信基于同步信道的 LoRa 自組網無線通信專有協議, 相比較于 ZigBee 技術,大大增加了系統通信距離。 系統由無線消防終端、中繼器、無線火災報警控制器(網關)組成。 云平臺與 Web、APP 同步,實時對現場進行消防監控及通知。 終端使用全新自主研發的低功耗技術方案支撐電池使用壽命達 3~5 年之久。 為實現建筑消防系統的多樣化、降低整個系統運行成本、系統的推廣以及獲得更多的市場提供了一種經濟可行的解決方案與配套產品。

        1 總體架構

        根據物聯網參考模型 [8]設計的無線智慧消防無線監測系統,主要由應用層、通訊層、采集層組成,如圖 1 所示,圖中涉及實物均為該系統系列產品的實物圖片。

      智慧消防無線監測系統架構

        應用層主要由監控中心計算機和智能手機等構成。 監控中心的計算機使用瀏覽器進入集中監控平臺, 即可實現對系統設備的管理和控制功能。

        通訊層主要是通過無線火災報警控制器(網關)對接收的底層采集信息的處理與傳輸,采用有線網絡和 GPRS 無線傳輸方式把云服務器和無線火災報警控制器(網關)(通訊層)連接起來,支持雙向通信。

        采集層通過智能火災探測器感知煙霧、 溫度變化、 可燃氣體、可燃粉塵或火焰等火災信息,經過終端分析處理后利用 LoRa 組成的網絡將火情數據打包發送給通訊層,通訊層通過以太網或 GPRS 進一步將火情數據發送至云服務器。 或者是 NB-IoT 終端直接使用運營商網絡將火情數據直接發送到云服務器。監控中心相關操作人員會對發送過來的火情數據進行確認。

        2 系統功能分析

        針對智慧消防無線監測系統平臺聯網、數據采集與傳輸、通信協議解析等應具有以下功能:

        1)數據信息實時監控采集。建筑消防設備必須要做到 24 小時實時響應,一旦沒有及時發現火災警情,火災將迅速蔓延,造成巨大損失。系統 24 小時監視各終端設備的剩余電量、溫度、信號及其他設備狀態等信息, 所有信息展示在監控平臺便于操作人員查看。

        2)多重身份的權限管理。 鑒于一個建筑的消防管理部門分多個科室以及多種不同的崗位, 不同崗位人員負責不同的工作任務,因此每個工作人員使用系統進行的操作不同。 用戶使用相應的權限可以對授權范圍內的無線火災報警控制器(網關)設備、中繼器、終端設備等監測數據和運行情況進行查看、配置修改,從而提高系統整體安全性。

        3)遠程控制及管理。 整個系統包含成百上千個終端以及其它設備, 只是依賴現場人員進行維護和配置需要花費較多的人力資源成本且效率極低。 系統設計的同時開發了 Web 以及移動客戶端(Android & IOS)的管理監控平臺 ,具備管理員權限的使用者可以在 Web 端或者本地設定系統設備的各種參數值,還可以對通訊層、采集層設備進行、復位、消音、聯動和遠程設置參數等操作,方便管理,同時提高工作效率。

        3 系統設計

        3.1 無線通信方式的融合

        LoRa 是基于擴頻技術的超長距離無線傳輸解決方案,屬于低功耗廣域網,是一種低帶寬、長距離、低功耗、連接量大的物聯網通信技術。 它可以工作在免授權頻段,無需申請便可以建立網絡設備,相對來說網絡架構簡單。 NB-IoT 是 3GPP 標準化組織定義的物聯網窄帶射頻技術,它是一種低功耗、廣域覆蓋、超長距離、連接量大的蜂窩通信技術。 使用的是運營商提供的授權頻段,因為是專門劃分的頻段,因此干擾相對要少很多。

      定制化智慧消防無線監測系統圖

        系統采集層融合了 LoRa 和 NB-IoT 兩種通信方式的終端,可以混合布局互補使用。 在運營商信號覆蓋情況較差的的區域可以使用 LoRa 無線終端,通過 LoRa 無線通信將數據發送給無線火災報警控制器(網關),再由控制器通過以太網將數據上傳到與服務器; 在 LoRa 通信頻段干擾較嚴重的區域可以使用NB-IoT 無線終端,直接將數據發送到云服務器。 兩種通信方式的融合可以提高系統對復雜使用環境的適應性。

        3.2 無線火災報警控制器(網關)硬件設計

        智慧消防無線監測系統中, 通訊層是終端采集信息與云端服務器對接的樞紐,無線火災報警控制器(網關)作為通訊實現的硬件基礎,其設計顯得極為重要。 無線火災報警控制器(網關)由以下幾個模塊組成 :主控 MCU、主備電切換 、顯示 、存儲 、語音、輸入輸出 I / O。 其中,采用 ST 公司 STM32 芯片作為無線火災報警控制器(網關)主控模塊的主控芯片;控制器的輸入模塊即數據采集模塊 ,主要由 LORA 模組來獲取數據 (RS485 預留接口),RS232 主要作為打印機接口將告警信息打印出來呈現;輸出模塊通過以太網和云服務器進行數據傳輸, 同時輸出模塊還可以使用 2G / 3G / 4G、Wi-Fi、藍牙模塊進行數據傳輸以適應不同需要的使用環境。 多種傳輸模塊可以保障數據傳輸的實時性、可靠性。 控制器的顯示模塊采用一塊 LCD 顯示屏同時支持 觸控操作,由主控 MCU 驅動。 STM32 主控芯片的 Flash 和外接SDRAM 與 NAND Flash 組成了控制器的存儲模塊。 語音模塊主要是當監控到告警信號時,能夠播放疏散警示音,引導疏散。無線火災報警控制器(網關)和 Web 集中監控系統的基本功能一致,能夠對其下所有終端包括中繼器進行監測、采集,同時帶有本地管理功能的控制器具有歷史數據的存儲與查詢功能。 該控制器的原理框圖如圖 2 所示。

      無線火災報警控制器網關原理圖

        3.3 感知層設備硬件設計

        感知層設備也就是終端(感煙、感溫報警器、可燃氣體檢測報警器、可燃粉塵報警器、NB-IoT 感煙、溫報警器)的硬件可以劃分為 4 個功能模塊,如圖 3 所示,包括傳感器、控制、傳輸、電源模塊。 環境中煙霧、可燃氣體、粉塵濃度、溫度變化等數據均可以被傳感器模塊采集,這些數據通過接口傳輸給控制模塊。 控制模塊根據 LoRa 私有協議對數據進行封裝, 封裝后的數據包通過傳輸模塊發送給傳輸層的無線火災報警控制器(網關),電源模塊為終端設備提供長時間的能源支持。

      感知層設備功能模塊

        感知層終端設備的創新之處在于, 只采用電池供電產品使用自主研發的低功耗技術, 其電池使用壽命可以達到 3~5 年。這里的低功耗技術主要通過無線火災報警控制器(網關)設定的心跳時間實現,心跳間隔可在 5~360min 根據實際需求選擇,設備自動跟隨網關配置時間執行心跳通信。 也就是說在一次心跳循環開始時設備“醒”來并上報自身狀態信息,其余時間處于休眠(出現火情自動喚醒上報警情)。 根據實際測試其平均電流≤60μA@20min 心跳間隔。

        3.4 Web 服務器架構設計

        服務器與無線火災報警控制器(網關)的交互是系統軟件設計的關鍵部分,其架構如圖 4 所示。 服務器下方可接一臺或多臺無線火災報警控制器(網關)。

        Web 服務器采用三層結構設計。 包括:

        1)數據接入層:提供標準的數據處理接口;

        2)業務處理層:對數據進行加工處理;

        3)數據持久層:提供數據增刪改查功能。

        數據采集服務器實時接收網關上報的數據包, 并將數據包分類后發送給 RabbitMQ。 Web 服務器及網關數據處理器實時地從 RabbitMQ 中獲取網關、中繼器、傳感器數據,其中 Web 服務器主要抓取告警信息并返回給前端設備, 網關數據處理器則負責將數據保存到數據庫中以備后續分析 。 PC 端通過 WebSocket 技術實時接收 Web 服務器的告警信息 ; 移動端通過Socket 長連接實時接收 Web 服務器的告警信息。

      image

        無線火災報警控制器(網關)開機時與服務器進行交互,請求服務器的 IP、 端口及 IP 分配有效時間 ,服務器把相應的 IP、端口 、IP 分配有效時間應答給無線火災報警控制器(網關)。 控制器達到 IP 分配有效時間即與服務器進行交互。

        由于服務器在某些場景下無法主動發現控制器,需要控制器定期主動上報狀態,建立通信通道,服務器收到上報后才能下發設置和查詢指令。服務器與控制器的交互示意如圖 5 所示。

      image

        4 系統性能測試

        4.1 抗低溫測試

        測試環境:終端放置在-15℃和-20℃低溫試驗箱,恒溫 24小時。

        測試數據(這里不詳細列出所有數據)如表 1:

        表 1 抗低溫試驗數據

      image

        從實驗結果看-20℃信號強度明顯減弱終端工作狀態仍然正常。

        4.2 通信距離測試

        測試環境:網關放在實驗室內(周圍非空曠環境)。

        測試方法: 在終端信號消失點使用手機地圖定位大致估算通信距離。

        測試結果如圖 6 所示。

      image

        從測試結果看中繼下終端距中繼直線距離:982m, 中繼下終端距網關直線距離:1000m。 在實際測試中發現網關天線放置的位置對通信距離影響較大, 在工程應用時需要多次測試來決定網關的安裝位置。

        4.3 終端功耗測試

        測試環境 : 使用裕邦通信電流測量工具 , 電源型號 Agilent_66312,電壓 3V,采樣周期 70ms,連續運行 7*24h。

        測試結果如表 2:

      image

        表 2 終端功耗

        4.4 工程測試

        經過長期測試和揚州恒春科技、 烏魯木齊聯豐盛安等多家企業的工程使用表明,單網關目前可支撐 500 節點通信。 2019年 11 月受邀與合作單位華南光電一同參加 2019 上海國 際應急與消防安全博覽會-漢諾威國 際消防安全展系列展會。

        5 結束語

        系統能及時準確地對火災等各種突發情況進行實時防范和預警通知,從而達到主動防控。 測試結果表明系統已經可以穩定運行,數據能夠可靠傳輸,達到了預期設計目標。

        參考文獻

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      關鍵詞: 智慧消防無線監測系統 
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