基于6LoWPAN的高校智慧消防服務平臺的設計與實現

施榮華 余爾航 胡超

摘 要：高校智慧消防服務平臺以IPv6物聯網為基礎，采用6LoWPAN協議和無線傳感網絡技術構建數據采集系統，通過6to4隧道技術，基于MIPS微處理器和OpenWrt操作系統，設計了支持6LoWPAN無線通信協議和IPv4協議的融合網關，在此基礎上構建高校智慧消防服務平臺，并以IPSec和云盾保障服務平臺的安全性和服務質量，實現對高校各校區各建筑的消防狀況遠程、全面、集中化管理，確保校園的消防安全。測試結果表明，該方案可行性高、組網方便、易于維護和升級。

關鍵詞：IPv6;6LoWPAN;智慧消防;智能設備;智能網關;OpenWrt

中圖分類號：TP391.4文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）11-00-04

0 引 言

近年來消防安全形勢嚴峻，火災風險和發生幾率居高不下。由于高校中存在各類大型實驗室，危化品使用頻繁，導致高校火災在全國各類火災中占很大比例，并且高校中消防設備監管和消防安全管理的工作存在基數較大、狀態多變等特點，傳統消防安全管理模式難以有效應對復雜的突發性消防事故，針對高校中傳統消防模式無法滿足當前消防安全需求的問題，通過引入6LoWPAN無線通信協議對消防設備進行監控，對消防狀態進行實時預警，對消防部門人員值班巡檢進行管理，保證所有消防設備隨時待命，一旦發現設備非正常運行或出現緊急消防事件時可及時報警并采取應急預案，以保障師生生命財產安全。本文在此基礎上研究了基于6LoWPAN的高校智慧消防服務平臺。

文獻[1]提出一種基于互聯網的火災防控云平臺，該系統平臺采用個人計算機（Windows）+移動設備（Android）模式，但未對系統數據采集協議進行描述;文獻[2]提出一種基于藍牙傳感器的智能監控系統，該系統可通過BIM技術查明火災地點、范圍，分析火勢蔓延方向，制定滅火策略，但使用藍牙協議使得系統的功耗較大，不適用于大范圍部署;文獻[3-4]提出一種基于ZigBee的智慧消防物聯網云平臺，但由于ZigBee協議限制，數據量相比6LoWPAN更大，傳輸距離較短，不易與互聯網融合;文獻[5]提出一種基于LoRa技術的智慧消防報警系統，該系統擁有長距離、廣覆蓋等優點，但終端信道接入方法采用純ALOHA機制，終端無信道檢測直接發送，隨著終端或數據包數量增多，多個包在信道上發生碰撞的概率增大，極易產生沖突，不適用于高校消防系統;文獻[6]提出一種基于6LoWPAN的大氣環境監控系統，但其系統功能比較單一，且未給出監控終端和6LoWPAN節點之間IPv6通信的解決方法。當前國內外智慧消防建設取得了不少理論研究和工程經驗成果，但目前關于“智慧消防”的建設還存在信息孤立、基礎核心平臺建設不全等問題。

針對以上問題，本文通過6LoWPAN良好的互操作性來解決信息孤立問題，6LoWPAN支持與其他IEEE 802.15.4設備互通，同時也支持與其他IP網絡互聯。通過設計基于消防大數據的數據控制層，對數據進行智能化分析，對消防設備進行智能化控制，實現服務平臺的智能化。同時，通過調用高校中原有的消防和安保設備，集合成大安全概念網，對高校師生和財產進行全面保護，構建組網方便、功能完善、易于維護和系統升級的創新型高校智慧消防服務平臺。

1 服務平臺功能需求和總體設計

1.1 服務平臺功能需求

服務平臺需求如下。

（1）設備管控集中化。通過物聯網技術實現對高校內消防設備、環境及安防狀態、設備能耗等進行智能感知、集中統一管理和自動控制。

（2）消防管理智能化。消防設備和消防狀態的狀況通過圖表等可視化形式展示，一鍵單獨或批量監控所有設備和狀態，出現消防問題自動向后臺報警并通知管理員。

（3）管理系統平臺化。在基礎硬件設施上，依托消防大數據的支持和保障，建立可視化綜合管理服務平臺，打造一個信息化高校消防安全網絡。

1.2 服務平臺總體設計

基于IPv6物聯網的高校智慧消防服務平臺的整體框架如圖1所示。服務平臺由4個部分組成，包括數據采集層、數據傳輸層、數據控制層、平臺應用層。

數據采集層通過傳感器對消防設備、消防狀態和消防部門的數據進行收集，構建底層數據庫，重點在于消防設施和狀態信息的采集和標準化。

數據傳輸層使用融合網關，對數據采集層的數據進行傳送和通信以及進行部分處理，形成異構網絡，融合IPv4網絡和IPv6網絡。

數據控制層和平臺應用層對采集的數據進行處理，實現智能監控、分類、辨別、定位和管理等應用，構建可視化的智慧消防服務平臺。

2 服務平臺部件設計

2.1 數據采集層

由于消防服務平臺采集的數據種類繁多，所需傳感器種類、信號類型等各不相同，因此需對不同消防設備進行分類，使用不同的傳感器進行監控，如使用智能水表監控消防噴淋是否有水，及水壓狀況和消防水泵的開合狀態;使用智能標簽定位消防水槍、滅火器、消防急救箱的位置;使用溫感、煙感設備確保設備樓棟的狀態正常等。

針對高校智慧消防服務平臺的功能需求，本文設計的數據采集層基于6LoWPAN協議。6LoWPAN協議是一種低功耗、短距離、低硬件需求的無線傳感網絡協議[7-9]。6LoWPAN協議棧如圖2所示。在6LoWPAN協議棧中，物理層與MAC層采用IEEE 802.15.4標準，網絡層采用IPv6協議，在MAC層和網絡層之間增加一個適配層來實現兩個標準的融合，主要功能為壓縮、分片與重組、Mesh路由，以實現在IEEE 802.15.4網絡、低功耗設備中傳輸IPv6數據包。6LoWPAN是一種基于IPv6的協議，擁有廣闊的地址空間，可以滿足大量節點的部署需要，并且方便與其他IP網絡互聯，構建異構網絡，實現互通。

底層數據的上傳通過Client/Server方式，數據控制層作為客戶端，而數據采集層作為數據服務器端。在需要獲取數據時，控制層向采集層發送請求，采集層接收并響應請求后，為控制層提供相應的數據服務。按照實際的數據需求，通過請求數據服務，控制層即可獲取采集層的所有數據。因此，采用Client/Server模式上傳數據在提高靈活性的同時降低了通信流量。

2.2 數據傳輸層

數據傳輸層通過融合網關實現6LoWPAN網絡與以太網的融合，利用OpenWrt配置融合網關的系統層，通過在IPv6靜態分配基礎上使用DHCP動態分配，搭建純IPv6網絡環境。通過6to4隧道技術使IPv6的信息能通過IPv4網絡通信，實現IPv4網絡與IPv6網絡的融合。

融合網關硬件基于MIPS微處理器的智能網關接口類型如下。

（1）局域網內部接口：無線（802.11，如WiFi），有線以太網，USB，6LoWPAN。

（2）局域網外部接口：ADSL，有線以太網。

融合網關硬件結構如圖3所示。

網關系統層采用Linux OpenWrt操作系統，OpenWrt是用于路由器和嵌入式設備的GNU/Linux發行版操作系統，也是一種高度模塊化、自動化的嵌入式Linux系統[10]，可以直接通過Web界面對網關進行配置。使用Netfilter框架構成內核空間，對數據包進行過濾與處理，實現IPv6數據包的網絡地址轉換。Netfilter框架通過在網絡中設置若干HOOK來實現對數據包的控制。通過在IPv4網絡與IPv6網絡中設置HOOK，即可在網絡層中根據需要來處理IPv4數據包與IPv6數據包。

2.3 數據控制層與平臺應用層

數據控制層與平臺應用層基于大數據構建消防數據可視化服務平臺，通過對大數據的挖掘分析，實現消防隱患早發現、早識別、早處理，提供不同時間段、不同類型火災發生幾率，并制定滅火緊急預案。宏觀把握當前消防現狀，科學預測火災形式，提升火災防控效能。建立可視化界面，將底層數據分析結果以可視化的形式展現，使得用戶能夠直白地觀察消防設備運行狀態，若出現火災險情，平臺向用戶和消防部門及時報警，盡早發現盡快處理，防患于未然。通過串聯高校原有的消防設備和安保設備，建立一個高校大安全服務網絡平臺，有效保護師生以及高校財產安全。

數據控制層基于Linux下的Java環境搭建Oracle數據庫，存儲底層數據。基于Spring Boot框架配置服務器，搭建GIS應用服務與Web應用服務，在GIS與Web服務上衍生出報警、視頻、運行狀態信息等子服務，并將各自服務的接口連接到應用層，以便應用層對其數據進行調用。

應用層通過對底層數據建模，建立可視化界面，使得用戶能通過服務平臺或手機APP得到各消防設備的運行狀態與高校內重點消防安全部位的火災報警信息，并為高校管理層、各二級學院、維保單位提供詳實的高校消防物聯網運行數據，基于Hadoop框架建立大數據平臺，通過消防大數據研判，統計分析處置信息，實現服務平臺的智能化。

數據控制層與平臺應用層軟件框架如圖4所示。

3 系統測試

3.1 測試用例

為驗證6LoWPAN網絡的性能，測試6組實驗，基于占空比分別為0.06、0.12、0.25的ZigBee網絡與6LoWPAN網絡。通過測試各組端到端時延的累積分布函數（CDF）與數據包投遞率來判斷其優劣。

ZigBee網絡中允許選擇性地使用超幀結構，其結構由信標參數BO（Beacon Order）與超幀參數SO（Superframe Order）確定。信標參數BO定義了兩個連續信標之間的時間間隔，從而確定了超幀發送周期，該間隔被稱為信標間隔BI（Beacon Interval）。超幀參數SO定義了超幀的活躍時間，即超幀持續時間SD（Superframe Duration），超幀結構的工作周期及占空比（DC）的定義見式（1）：

6LoWPAN網絡的占空比定義見式（2）：

式中：AI為活動間隔;SI為睡眠間隔;Tpkt為數據包傳輸時間;Dtx為數據包傳輸之后的延時，通常設置為20 ms;Tsend為數據包發送周期。

通過以上分析，設置數據包發送周期為20 s，并對比ZigBee網絡與6LoWPAN網絡之間的端到端時延和數據包投遞率。

3.2 測試結果及分析

端到端時延的累積分布函數如圖5所示。在相同占空比下，6LoWPAN協議的端到端延時明顯小于ZigBee協議。由于在6LoWPAN-1的配置中減小了活動間隔，導致平均時延和標準差增大一個數量級，對網絡性能產生了嚴重的負面影響，故不參與討論。

ZigBee與6LoWPAN的數據包投遞率如圖6所示。可以看到，ZigBee網絡部分數據包丟失，且由于存在同步故障，當信標參數越低時，丟包率越高。6LoWPAN網絡在接收數據包方面性能更優，如上文所述，6LoWPAN-1不參與討論。

4 結 語

本文從智能設備和智能網關的現狀入手，分析了IPv6協議和6LoWPAN協議的優勢，提出了基于6LoWPAN的高校智慧消防服務平臺的設計和實現方法。通過6LoWPAN無線傳感協議實現底層數據采集的低功耗、高覆蓋。利用6to4隧道技術設計了高適應性融合網關，確保6LoWPAN協議與IPv4協議的融合。建立可視化服務平臺，通過對消防大數據的分析和挖掘，對消防形勢進行預測并制定解決方案，提升火災防控效能。實驗結果表明：該方案切實可行、組網方便、易于維護和升級，能夠進一步發掘消防隱患，提高消防效率，優化資源配置，更好地保障師生生命財產安全。本文對數據采集能耗的優化以及數據儲存的優化未做相關分析和研究，該部分將在后續工作中完成。

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