城域LoRa物聯專網在智慧消防水系統中的應用

湯奇峰

摘 要：上海部署城域LoRa物聯專網支撐智慧城市建設，而智慧消防是智慧城市的重要組成部分。文章提出了基于城域LoRa物聯專網的智慧消防水系統動態信息監測技術方案。通過感知層智能LoRa水壓傳感器、傳輸層LoRa網關、應用層智慧消防數據應用平臺分別闡述技術結構和主要功能，然后給出具體應用案例。該系統技術方案滿足了上海市工程建設規范《消防設施物聯網系統技術標準（DG/TJ08-2251-2018）》技術要求，可復制推廣，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：LoRa物聯專網;智慧消防;智能LoRa水壓傳感器;LoRa網關;智慧消防數據應用平臺;信息監測

中圖分類號：TP39;TN919.5文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

2019年5月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于深化消防執法改革的意見》中第九條明確指出要推行消防監管“一網通辦”，進一步強調運用物聯網等技術，全時段、可視化、實時化、智能化實現消防安全差異化精準監管。全國全面開展智慧消防建設研究[1-3]。上海市專門建設部署了城域LoRa物聯專網[4-5]，為智慧消防發展提供技術支撐。同時發布上海地方工程建設規范《消防設施物聯網系統技術標準（DG/TJ08-2251-2018）》[6]。

消防水系統負責消防救援作戰水資源的供給保障。消防水系統壓力不足或者無水都將嚴重影響消防救援的滅火效果。目前，針對消防給水系統的壓力監測與狀態判斷，主要依靠消防人員現場巡查、手動放水測試并記錄數據的方式，所采用的監管技術水平與消防水系統重要地位嚴重不匹配。開展消防水系統壓力狀態信息監測技術研究與系統實現是智慧消防建設的迫切需求。

本文提出了基于城域LoRa物聯專網的智慧消防水系統動態信息監測技術方案。通過感知層智能LoRa水壓傳感器、傳輸層LoRa網關、應用層智慧消防數據應用平臺分別闡述其技術結構和主要功能，然后給出具體應用案例。系統的應用將極大地提升消防水系統精細化管理水平，助力智慧消防建設快速發展。

1 基于城域LoRa物聯專網的智慧消防水系統動態信息監測技術

基于城域LoRa物聯專網的智慧消防水系統動態信息監測技術運用LoRa低功耗、長距離等技術優勢，通過在消防水系統中最不利點、環管、噴淋末端等位置安裝部署智能LoRa水壓傳感器采集數據，之后通過LoRa網關傳輸匯聚至城域LoRa物聯專網云平臺，借助智慧消防數據應用平臺實現消防水系統動態信息監測，從而提高消防水系統的信息化水平。

1.1 系統架構

基于城域LoRa物聯專網的智慧消防水系統動態信息監測技術系統架構如圖1所示。系統主要分為感知層、傳輸層和應用層三部分。

（1）感知層由智能LoRa水壓傳感器構成，利用LoRa模組采用無線通信方式實現感知數據的發送。

（2）傳輸層由LoRa網關構成，網關采用先進的LoRaWAN低功耗廣域無線網絡技術，保障數據的可靠傳輸。

（3）應用層由智慧消防數據應用平臺構成，主要包含統一數據接口模塊和應用服務模塊，是集設備管理和數據應用于一體的服務平臺，授權管理人員可通過PC端、手機APP等方式實現設備管理和數據查詢應用。

1.2 智能LoRa水壓傳感器

智能LoRa水壓傳感器[7]負責消防水系統壓力狀態信息智能化感知。其核心組成部分包括壓力采集變送器、數據處理單元、LoRa通信模塊和高密度電池。壓力采集變送器負責壓力物理信息采集;數據處理單元負責采集數據的智能化處理;LoRa通信模塊負責感知數據的無線發送;高密度電池負責智能LoRa水壓傳感器的能源供給。

在有限的高密度電池容量下，為了實現智能LoRa水壓傳感器不低于3年的持續工作時間和智能化數據感知，智能LoRa水壓傳感器的主要技術突破在動態資源管理技術和多維特征提取技術兩個方面。

動態資源管理技術主要采用開關電路設計，確保傳感器業務需求不頻繁的任務處于間歇式工作模式;利用比較電路，保障主控模塊的喚醒功能;設計低主頻預啟動，高主頻處理核心計算任務喚醒機制;結合無線信道及通信鏈路的忙閑感知及切換，發射功率及速率自適應調整等自適應通信機制組合，實現低功耗下的高效通信，延長產品續航周期。動態資源管理波形如圖2所示。

多維特征提取技術利用滑動平均濾波算法，在一維均值計算基礎上[8]，通過壓差、方差、方差倍數3個維度上的計算與分析，結合訓練得到的各維度門限值進行綜合判斷，形成智能LoRa水壓傳感器多維特征提取智能化算法[9]，在提供消防水系統監測點處水壓基礎值[10]的同時，實現對監測點 “超壓”“失壓”“正常”等狀態切換的判斷[11]。多維特征提取方程核心表達式如下：

式中：N表示濾波器寬度;n表示第n時刻;y （tk）為第tk個采樣值。

1.3 LoRa網關

LoRa網關基于LoRaWAN協議，內置Semtech高性能多通道收發器SX1308和MTK平臺，可通過以太網或WiFi連接到城域LoRaWAN云服務器。LoRa網關包括AP，STA和PPPoE共3種模式。

LoRa網關主要具有以下優點，能夠滿足智慧消防水系統動態信息監測應用需求。

（1）高靈敏度：LoRa網關最大輸出功率為27 dBm，在300 b/s速率下靈敏度可達到-141 dBm。

（2）支持半雙工模式：上行鏈路具有SF7至SF12，

125 kHz 的8個多擴頻因子信道，1個單擴頻因子的高速數據傳輸信道和1個GFSK信道;下行鏈路具有1個

125 kHz/250 kHz/500 kHz LoRa，或可配置GFSK信道。

（3）工作頻段靈活：434 MHz/470 MHz/510 MHz/780 MHz/868 MHz/915 MHz可選。

（4）通信速率多樣化：通信數據速率292 b/s?50 Kb/s，支持LoRaWAN Class A/C。

1.4 智慧消防數據應用平臺

智慧消防數據應用平臺采用典型的B/S架構，平臺主要由統一數據接口模塊和應用服務模塊組成。

統一數據接口模塊負責信息的清洗、排隊和分發，實現數據接收與緩存和遠程參數配置執行等功能。

應用服務模塊實現遠程參數配置、設備狀態監測、數據查詢展示等功能。

服務器端基于KOA2框架實現，在客戶端請求服務器提供服務時，采用池技術、負載均衡、中間件等技術提高訪問效率，應對高速并發。采用MVC模型將程序代碼進行合理分層，提高程序的可讀性、健壯性和擴展性。

統一數據接口模塊主要由消息中間件和事件流引擎組成，負責維護與LoRa網關之間的通信接口和后臺參數配置信息下發進程。

消息中間件負責向上的數據接收、清洗和驗證，向下的配置和終端設備鏈接管理工作。事件引擎根據配置的相關規則，將事件分發給服務模塊、業務邏輯和數據中心。緊急告警事件由事件引擎快速推送給對應模塊，保證事件的實效性。設備運行實時狀態信息，由事件引擎建立一條點對點推送鏈路，將信息通過業務邏輯單元推送到應用服務模塊，展示給相關用戶，無需存儲在數據中心，以減少數據中心的壓力。

應用服務模塊主要由業務邏輯、數據中心和業務展現服務三部分組成。

業務邏輯負責運行設定的規則和模型。數據中心負責全局數據調度。業務展現服務采用VUE框架和HTML，CSS，JavaScript等技術實現，提供遠程人機交互接口，通過自適應界面技術，提高用戶在使用瀏覽器操作時的體驗，并集成高德地圖插件，通過地圖信息技術顯示智能LoRa水壓傳感器的位置和狀態等關鍵信息，為用戶提供簡潔的一圖展示功能。

2 應用案例

在上海市政府指導下，依據上海市經濟和信息化委員會發布的《新型城域物聯專網建設導則（2018版）》[12]，上海聯數物聯網有限公司作為上海市城域LoRa物聯專網的主體建設單位，承建了上海市靜安區、楊浦區等多區城域LoRa物聯專網網絡覆蓋，保障了上海市公共管理、公共安全、公共服務等多場景基于城域LoRa物聯專網的智慧城市應用落地。

基于城域LoRa物聯專網的智慧消防水系統動態信息監測系統是上海市智慧城市建設公共安全領域的重要組成部分。在上海市科學技術委員會專項資助下，由上海聯數物聯網有限公司聯合中國科學院上海微系統與信息技術研究所共同開展技術攻關和應用落地，最終形成典型智慧城市應用案例。

消防水系統主要包括噴淋報警閥組控制的最不利點、噴淋系統末端、消防水泵進水管網、消防水泵出水管網等。通過在上述位置安裝部署智能LoRa水壓傳感器，實現安裝點位的壓力狀態感知。智能LoRa水壓傳感器采集的水壓狀態信息通過LoRa網關傳輸匯聚至城域LoRa物聯專網云平臺。智能LoRa水壓傳感器在消防水系統的安裝部署如圖3所示。

智慧消防數據應用平臺通過統一數據接口模塊與城域LoRa物聯專網云平臺通信，通過應用服務模塊完成業務邏輯、數據調度和業務圖展示。基于城域LoRa物聯專網的智慧消防水系統動態信息監測系統平臺如圖4所示。

基于城域LoRa物聯專網的智慧消防水系統動態信息監測系統實現了消防水系統的動態信息實時感知和管理應用圖展示，提升了消防水系統的精準管理能力，為智慧消防建設提供有力的技術支撐。

3 結 語

本文給出了基于城域LoRa物聯專網的智慧消防水系統動態信息監測技術方案。通過在消防水系統中最不利點、環管、噴淋末端等位置安裝部署智能LoRa水壓傳感器采集數據，通過LoRa網關傳輸匯聚至城域LoRa物聯專網云平臺，通過智慧消防數據應用平臺實現消防水系統動態信息監測，從而提高消防水系統的信息化水平，助力智慧城市公共安全領域建設。該系統技術方案滿足了上海市工程建設規范《消防設施物聯網系統技術標準（DG/TJ08-2251-2018））》技術要求，可復制推廣，具有廣闊的應用前景。

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[12]上海市經濟和信息化委員.新型城域物聯專網建設導則（2018版）[Z].2018.