基于物聯網的智能消防監控系統設計

許 生，李富華

（蘇州大學 電子信息學院，蘇州215001）

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發展階段。傳統的消防安全出口標志燈是為人員通往安全地帶的一種指示燈具，主要起到指示安全出口的作用。但隨著建筑的結構越來越復雜，其單一的指示功能已無法滿足安全保障和多功能融合的需要，且標志燈之間相互獨立、無法互聯，出現故障時不能及時反饋，埋下了安全隱患。近年來智能樓宇安防系統迅速發展，基于ZigBee 和GPRS、GSM 等無線通信技術[1-2，8]，通過網絡的數據采集和傳輸實現了人機交互顯示和智能管理。但在樓宇中，無線網絡信號衰減快、抗干擾能力弱、誤碼率高，數據傳輸速率低，此外網絡協議復雜，數據采集誤差大，應用成本高。為了解決以上的問題，本系統采用LORA 無線通信技術，可實現24 h遠距離數據收集、遠程監控報警和故障排查等一系列的智能管理，實現險情及時上報、及時處理，提高樓宇的管理水平和效率。

1 系統總體設計

本系統的設計不但擁有傳統消防安全出口標志燈的指示安全出口的作用，而且具有紅外探測、煙霧濃度檢測、有害氣體檢測、溫度采集以及無線自組網功能和數據收發等功能，以達到對現場態勢的掌控和實時監測。

為滿足現在復雜的使用環境，在設計中，采集節點（智能消防安全出口標志燈）和中繼網關要滿足在無市電的情況下的工作時間要大于90 min，傳輸距離達到15～20 m 左右，傳輸速率達到20 kbps～40 kbps，溫度數據采集誤差在±2 以內進度達到90%以上，誤報率低，低功耗，靈敏度高，穿透能力強等要求。智能樓宇安防系統主要包括數據采集控制管理中心、服務器、LORA 射頻無線傳輸網絡、4G 公網和網絡節點，其中網絡節點包括采集節點和中繼網關節點，總體網絡結構圖如圖1 所示。該系統的終端采集節點和中繼網關節點之間采用LORA 無線一對多的通信方式分布模式。采集節點分布在樓宇內，采集現場的數據狀態信息；中繼網關節點負責接收采集節點的數據，并通過4G 公網，將數據上傳到服務器，控制管理中心可通過PC 端訪問服務器，服務器也可通過短信的方式發送給管理人員或服務器直接接入消防救援管理中心。LORA 模塊向下通過SPI 總線與控制芯片連接，向上通過LORA 網絡的無線長距離通信能力與網關通信，將采集到的現場信息通過中繼網關的DTU 數據傳輸模式，將數據經公網傳輸至服務器。服務器經過TCP/IP 通信協議對數據進行解析處理，智能分析每個節點周圍的現場狀態。

圖1 系統總體結構Fig.1 Overall structure of the system

2 系統網絡拓撲結構

LORA 通信網絡采用星形網絡結構，與網狀網絡結構相比，它是具有最低延遲的最簡單的網絡結構，可以實現節點與網關直接組網連接，構成星形；對于距離較遠的節點，可通過中繼進行組網連接，只要物聯網設備中嵌入LORA 芯片或模塊，即可實現快速自組網和快速的配置，與在自組網領域見長的ZigBee 復雜的通信協議相比，具有明顯的優勢。LORA 通信網絡可用于遠程抄表、工業控制、家庭自動化遙測、玩具控制、傳感器網絡、輪胎氣壓監測、健康監測、無線PC 外圍設備等方面。

LORA TM 器件采用擴頻調制跳頻技術，可調解低于20 dB 的噪聲，這提高了通信的靈敏度和網絡連接的可靠性，而使用不同的擴頻因子可以改變通信網絡系統中的數據傳輸速率，且采用不同擴頻因子的多個傳輸信號占用同一個信道而不受影響，因而可變的擴頻因子提高了整個網絡的節點的容量，進而減少通信鏈路的使用，避免了因終端采集節點過多導致中繼網關負擔過重，進而導致通信網絡飽和和誤碼率上升。與傳統采用固定傳輸速率的FSK 系統相比，LORA 協議的星型拓撲結構消除同步開銷和跳數，從而降低功耗，而低功耗也是本系統的一個設計要求

3 系統平臺設計

3.1 系統硬件設計

本系統的終端采集節點和中繼網關的MCU 分別是STM32F042F6P6 和STM32F030C8T6 微控制器。兩款MCU 都是具有高性能ARM?Cortex?-M0 32位RISC 內核，工作頻率高達48 MHz，高速嵌入式存儲器，以及廣泛的增強的外圍設備和I/O。ARM?Cortex?-M0 處理器具有出色的代碼效率，通常在內存大小中提供ARM 內核所期望的高性能與8 位和16 位設備相關聯。兩種微控制器都支持3 種低功耗模式，以實現最佳性能在低功耗，短啟動時間和可用喚醒源之間進行折衷，更好的滿足本系統的低功耗設計要求。

3.1.1 終端采集結點的設計

智能消防安全出口標志燈符合國標規定的性能參數，除了具有傳統的引導功能外，在其原來的基礎上增加了紅外探測、火焰探測、煙霧探測、溫度采集、有害氣體檢測、數據存儲和與外界通信的無線通信等功能。本系統中的終端采集節點的硬件結構[9]如圖2 所示。

圖2 終端采集節點硬件結構圖Fig.2 Hardware structure of the terminal acquisition node

每個終端采集節點都設置有固定的ID，在安裝的時候按照建筑的平面設計圖，進行定點安裝，即也可實現定位的功能，如現場出現異常的情況，可通過采集節點對應的平面設計圖來定位出現異常情況的位置。終端采集節點的主要任務是，對現場環境參數進行采集和監測，并將現場采集的溫度，人員活動情況，有害氣體的濃度，備用電池的電量，火情的情況等數據發送至中繼網關節點，然后傳輸至數據管理控制中心，控制中心可以實時的遠程的對現場的情況進行監控，出現異常情況時可以及時的采取相應的措施，避免財產損失和人員傷亡。

3.1.2 中繼網關節點的設計

中繼網關節點負責數據的接收和上傳，系統的檢測和管理功能，中繼網關節點的硬件結構設計如圖3 所示。中繼網關節點在LORA 無線通信網絡接收區域內將采集節點上傳的數據進行打包處理，采用UDP 透傳模式并通過4G 網絡，將數據傳送至服務器。

圖3 中繼網關節點硬件結構Fig.3 Relay gateway node hardware structure

3.1.3 射頻結構設計

SX1276 采用LORA TM 擴頻調制跳頻技術[4]，使用這種新的調制方案，比FSK 的靈敏度提高了8 dB。LORA 鏈接預算的增加提供了更長的通信范圍和提高了通信的可靠性，而LORA 擁有顯著的進步選擇性和阻塞性，更進一步的提高了通信的可靠性[5]。為了增加LORA 通信網路的靈活性，可以調節擴頻調制帶寬（BW），擴頻因子（SF）和糾錯率（CR）。而另一個擴頻調制的好處是多個發射信號可以占用相同的頻道而之間沒有干擾，因為每個擴頻因子是正交的，這也是允許與現有的基于FSK 的系統共存的原因。SX1276 提供7.8 kHz～500 kHz 的帶寬選擇，擴頻因子范圍為6～12，可涵蓋所有可用頻段。LORA 射頻電路設計圖如圖4 所示。

圖4 射頻電路結構Fig.4 RF circuit structure

3.2 系統軟件設計

本系統軟件設計無需操作系統，直接在PC 機上操作即可，簡化了操作數據處理的流程，采用UDP數據透傳傳輸模式將數據通過公網上傳至服務器，PC 端訪問服務器按照TCP/IP[6]協議提取報文和數據包解析及數據分析并轉換成直觀的數字信息，可供人員參考。在無線網絡中，本系統設計了應用層自定義數據通信協議，在確保數據無丟失且能夠正確傳輸的同時簡化了通信協議的復雜性，且基本不占用帶寬，相比ZigBee 通信協議復雜且占用帶寬，導致數據傳輸用的帶寬變小，父節點的子節點容量變少得到很大的改善。

3.2.1 應用層通信協議設計

自定義通信協議設計的優劣直接決定了數據在傳輸過程中丟包率的大小，傳輸過程是否有錯誤，接收到的數據包解壓后的數據是否完整，最終的采集到的數據是否正確。本系統的應用層自定義協設計，對終端采集數據打包，實現數據的透明傳輸，數據傳輸方式采用數據幀模式，傳輸序列為二進制比特流。在數據發送和接收的過程中采用CRC16 校驗算法，接收設備也執行類似的算法，以保證數據傳輸的正確性。本系統采集節點與中繼網關節點之間數據傳輸，分為單播、廣播的方式傳輸數據，在通信網絡建立后，中繼網關節點與終端的采集節點之間可以立即建立一對多的映射關系，采集節點可以與中繼網關節點建立一對一的連接關系。

廣播實現對一個區域內中繼網關節點的覆蓋下，整個采集節點（智能消防安全出口標志燈）進行遠程統一管理。本設計還可通過下發報文命令幀，查看智能消防安全出口標志燈的設備基本信息、實時時間、功能狀態等信息，方便遠程管理和故障檢測。

3.2.2 節點軟件設計

采集節點即要完成現場狀態數據采集，也要通過LORA 無線射頻通信網絡，將數據上傳至中繼網關節點，經中繼網關節點的4G 網絡模塊，采用UDP數據透傳傳輸模式把終端數據上傳至服務器。采集節點收到控制中心通過中繼網關節點下發的報文命令幀后，先對數據進行校驗，命令幀數據正確后，再執行命令幀數據中的相應操作，執行完下發的命令后將執行的結果反饋給中繼網關節點，進而顯示在PC 端。節點的軟件執行流程如圖5 所示。

4 系統測試與分析

在實地地下停車場安裝智能消防安全出口標志燈，搭建系統測試環境，檢驗智能消防安全出口標志燈的實際運行效果。測試網絡系統包括4 個中繼網關節點，27 個終端采集節點，中繼網關節點將數據上傳至服務器后，可經過第三方的短信服務接收數據結果，也可直接經PC 端訪問服務器，查看原始的數據。

圖5 程序執行流程Fig.5 Program execution flow chart

為保證采集節點之間及采集節點與中繼節點之間的有效傳輸距離和通信網絡的靈敏度及傳輸速率頻偏因子對系統的影響，在同一樓層復雜環境下的進行大量的數據接收發測試。測試中的節點，射頻中心頻率為433 MHz、發射功率為20 dBm、串口波特率為115200 bps。測試結果如表1～表3 所示。

表1 速度對比Tab.1 Speed comparison

表2 同一樓層有墻壁障礙物接收到數據的次數Tab.2 Number of times the wall has received data from the same floor

表3 樓宇內測試數據收發Tab.3 Test data transmission and reception in buildings

從表1 的測試結果可以知道，數據傳輸速度范圍為0.148 kbps～37.358 kbps，接收發的靈敏度高達-139 dBm，相比ZigBee 有很大的提高，達到了系統的傳輸速率和高靈敏度的要求；由表2 和表3 可知本系統的終端采集節點在有墻壁的情況下，無線通信網絡的信號衍射范圍超過了20 m，大于系統的設計要求，表明本系統通行能力更加優越；由表3 可知，LORA 射頻通信可達到8 層，有力的證明了本系統的網絡通信穿透能力強，完全滿足現在樓宇自動化的需求，也達到了系統穿透能力強的設計指標。因為有障礙物的原因，距離越遠，丟包率越嚴重，因此在實際的應用中，在采集節點群中加入若干的中繼節點，以保證數據傳輸通暢。

為了驗證本系統的采集AD 轉換的性能，在室溫25 ℃下進行了溫度采集100 次的測試，測試結果如下表4 所示，表中的數據表明本系統的數據采集精度達到了93%，完全滿足系統設計的90%的要求，相比CC2530 芯片的AD 轉換精度有很大的提高。

表4 室溫25 ℃溫度采集誤差測試Tab.4 Room temperature 25 ℃temperature acquisition error test

測試結果表明，該系統具有維護成本低，使用方便，組網便捷且抗干擾能力強，誤報率低，傳輸速率高，功耗低，數據采集精確度高，信號衍射能力強等特點，相比ZigBee 無線通信網絡有了很大的提升且解決了傳統消防安全出口標志燈功能單一以及相互之間不能互聯的問題。

5 結語

本文完成了一套基于433 MHz 無線射頻通信網絡技術的自組網系統的設計，可在復雜的環境中達到20 m，抗干擾能力強，網絡協議簡單，誤碼率低，數據采集正確率高達93%，減少了系統的誤報，數據傳輸速率最高達37 kbps，衍射能力強，穿墻能力強，帶寬較好，信號衰減慢，應用成本低，靈敏度高達-139 dBm 以及較高的系統穩定性且支持多樣化的需求服務，系統最終的數據使用4G 網絡傳輸，相比使用GPRS、GSM 通信技術，提高了系統的實時性。可廣泛應用于各種智能樓宇化建設中，也可將數據庫信息接入消防中心及其他的政府部門，更好地為智慧城市的建設服務。