基于窄帶物聯網的消防報警數據傳輸系統設計

上汽通用汽車有限公司 陶玉靈

上海海事大學 耿 烜 孟 麗

本文基于窄帶物聯網（NB-IOT）的傳輸架構，以EVB_M1開發板為基礎，設計了消防報警數據的傳輸系統方案，經過測試，該系統可以實現報警數據上傳與指令下載，并可以在消防管理信息系統中進行應用。

1 引言

物聯網是世間萬物的相互聯系形成的一種網絡，并通過各種信息傳感設備實現物品之間的網絡信息共享，物聯網來源于Internet of things一詞，具備典型的垂直行業特性。由于物聯網具有全面感知、可靠傳送和智能化處理的特點，使其特別適用于消防報警、故障處理等消防設施信息管理系統。因此，本文重點研究消防報警數據經過物聯網傳輸的系統設計方案。

通信技術是物聯網的基礎，通過不同場景的通信技術把傳感器采集的數據傳至后臺服務器，可以進行統一的管理與應用。一般來說，通信技術依網絡覆蓋距離分為兩類：一類是覆蓋范圍小的通信技術，如：ZigBee、WiFi、藍牙等短距離通信技術，另一類是廣域網通信技術，包括UMTS、GSM、LTE等成熟的蜂窩網絡技術，以及LPWAN技術。在低功耗廣域網中又分為兩類：一類是屬于授權頻段，如：3GPP標準定義的一種窄帶物聯網（NB-IOT）技術、eMTC國際標準等。另一類則屬于非授權頻段的技術，如：LoRa、SIGFOX等。目前，NB-IOT技術已在電信運營蜂窩網絡中構建，根據《關于全面推進移動互聯網（NB-IOT）建設發展的通知》通告中提出到2020年，NB-IOT網絡要實現全覆蓋，對于室內，交通路網，地下管道等應用實現深度覆蓋，基站數量達到150萬個。因此，NB-IOT網絡在未來物聯網應用中將具備強有力的競爭優勢。

本文以NB-IOT為基礎，設計了消防報警數據在NB-IOT網絡中傳輸的整體實現架構，對基于NB-IOT協議的開發板進行了設置與二次開發，通過數據測試，最終可實現報警數據的上傳與消息指令的下載功能，完成了整體數據傳輸的設計。

2 傳輸方案設計

2.1 NB-IOT數據傳輸架構

本系統中設計采用NB-IOT模組實現消防報警數據遠程傳輸，對于窄帶物聯網產品來說，無需安裝配置，支持自動登記設備，采集的數據通過NB-IOT基站進行傳輸。NB-IOT智能傳輸的架構如圖1所示。其架構是由嵌入NB-IOT模組的消防報警器、NB-IOT基站、IOT平臺、應用服務器和客戶端軟件等組成。

圖1 NB-IOT消防報警數據傳輸架構

2.2 EVB_M1開發板應用

本文硬件方面選用了物聯網俱樂部開發的EVB_M1開發板，如圖2所示，EVB_M1是基于UDP協議數據接發測試的，以MCU為主控芯片的硬件設計核心，采用了BC95模組的NB-IOT開發板，該模組支持NB-IOT通信標準，硬件通訊接口為UART，波特率一般設置為9600/15200bps，調試串口約為921600bps，信號電平3.0V并通過AT指令控制。BC95模組在設計上兼容了GSM/GPRS系列的M35 R2.0模塊，有利于產品的快速使用，易于升級，并提供完善的短信和數據傳輸服務。

圖2 EVB_M1開發板功能模塊

以BC95模塊為核心構成的EVB_M1開發板，在設計中的應用主要分為兩類：1)南向終端：包含計量數據處理傳感器、無線傳輸模塊和高精確計量儀表，通過CoAP協議實現與華為平臺的數據交互，并通過NB-IOT網絡與華為的OceanConnect物聯網平臺進行連接，從而上報報警數據的狀態信息；2)北向應用：實現了終端的配置、數據訂閱等功能，主要是通過調用OceanConnect物聯網平臺的北向API，實現對終端設備的管理和數據采集等。

2.3 數據的采集和傳輸

NB-IOT數據傳輸方式是由NB-IOT終端對用戶的報警數據進行采集，然后把采集到的數據通過NB-IOT模組傳送到基站，基站將這些數據上傳到后端服務器，方便用戶獲取相關信息。在數據傳到基站這個過程，是將數據進行多次重復傳送來確保數據的精確性，可解決以往數據傳輸過程中的誤傳和不準確等問題。

2.3.1 數據采集

對于采集終端來說，初始化完成之后MCU芯片進入低功耗模式等待喚醒，此刻BC95模塊處于idel和PSM模式，當終端有數據上報請求時，芯片休眠結束，開始采集報警信息并發送給NB-IOT通訊模塊，在數據包發送完成之后，再次進入休眠狀態等待下一次喚醒，通信模塊收到數據之后通過AT指令將數據信息傳送到NB-IOT基站，圖3為采集終端的具體流程。

BC95模組開機步驟一般包含以下幾點：1)通過給模組上電，初始化USIM卡；2)開始對小區的信號進行搜索；3)搜索到NB網絡時，開始進入連接狀態；4)激活PDN，獲取IP地址；5)開始建立用戶數據鏈接，收發用戶數據；6)無數據交互時，開始進入idel、PSM狀態；7)等待上發用戶數據，或再次進入連接狀態。

2.3.2 數據傳輸

用戶獲取的信息是通過數據傳輸，即通過采集終端和數據庫之間通信鏈路實現的，數據的傳輸所涉及的內容包括通訊的開始、參數的設置、采集數據的消息指令、采集結果及關閉通訊鏈路等，如圖4為數據傳輸的流程圖。

圖3 數據采集終端流程圖

圖4 數據傳輸流程

在本系統中，采集的數據直接從報警器直達數據平臺，并在后臺服務器上進行數據的處理等操作，數據的傳輸是通過串口助手QCOM_V1.6發送AT指令實現對BC95模組的調試，此時的波特率為9600，其他參數設定后即可進行操作，配置過程如圖5所示。

圖5 EVB_M1軟件的調試和配置

3 數據收發功能測試

對于NB-IOT模組的測試，是通過AT指令進行的。測試準備工具包含以下幾個方面：1)BC95-B5的轉接模塊；2)BC95轉接板USB適配底座；3)NB-IOT專用測試卡；4)串口調試工具；5)UDP網絡測試工具；6)VPS服務器及筆記本，用于串口的調試使用。圖6表示命令下發界面，根據頁面提示進行命令參數的設置并對設備進行數據的發送請求測試。

圖6 命令下發頁面

圖7表示數據上報頁面，根據命令下發來實現數據的發送狀態，顯示的是數據格式和發送時間。當出現歷史命令頁面時，表明該模塊進入了idel/PSM狀態，再一次進行數據上報操作即可進入連接狀態。

圖7 數據上報頁面

經過以上測試，該系統可以實現采集數據的上傳與指令下載。

4 結論

本文設計了一種基于NB-IOT的消防報警數據傳輸系統，使用以BC95模塊為核心的EVB_M1開發板，通過對數據采集和傳輸功能的設計與開發，實現了消防報警信號通過窄帶物聯網的無線傳 輸功能，具有穩定、安全的傳輸特點，將是窄帶物聯網在消防安全領域中的一類重要應用。