基于LoRa技術的校園火情監測系統

摘 ?要：為預防校園火情，減少發生火情的損失，設計了一款基于遠距離無線電技術的校園火情監測系統，說明了該火情監測系統的網絡拓撲以及底層硬件與上層軟件，并以校園內的大樓與學生宿舍作為對象進行測試，結果表明該系統實時、可靠，具有很高的準確率，可有效地監測目標范圍的溫度情況，若超出正常范圍則發出警報，同時可以知曉火情發生的具體位置，可以為校園提供有效的火情預防措施。

關鍵詞：LoRa;火情監測;校園火情;無線

中圖分類號：TP277 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）23-0031-04

Campus Fire Monitoring System Based on LoRa Technology

HUAI Tianyu

（School of Cyber Science and Engineering，Qufu Normal University，Qufu ?273165，China）

Abstract：In order to prevent campus fire and reduce the loss of fire，a campus fire monitoring system based on LoRa technology is designed. The network topology，bottom hardware and upper software of the fire monitoring system are described，the buildings and dormitories in the campus are tested. The results show that the system is real-time，reliable and has high accuracy. It can effectively monitor the temperature of the target range. If it exceeds the normal range，it will give an alarm. At the same time，it can know the specific location of the fire. It can provide effective fire prevention measures for the campus.

Keywords：LoRa;fire monitoring;campus fire;wireless

0 ?引 ?言

學校是一個集體場所，人口密度極大，任何一場火災都有可能造成嚴重后果，帶來無可挽回的人身傷害和財產損失。近日我校多次強調，在日照校區的學生宿舍內發生了校園火災事件，無論是在教室還是宿舍，學校都應該確保學生的安全，為學生營造良好的學習氛圍。為了盡量避免火災并保證火災發生時將損失降至最低，筆者制作了一個校園火情監測系統進行監測與控制，將火情消滅于萌芽階段，最大限度避免火災的發生[1，2]。為了更好地了解硬件以及軟硬件結合的場景，在咨詢專家以及獲得幫助后，筆者最終設計出了這款基于遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）技術的校園火情監測系統。

1 ?技術簡介

在低功耗廣域網產生之前，遠距離和低功耗兩者之間只能二選一。當采用低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network，LPWAN）技術之后，設計人員可做到兩者都兼顧，最大限度地實現更長距離通信與更低功耗，同時還可節省額外的中繼器成本。

LoRa是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，該技術的最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，兼顧了低功耗和遠距離傳輸，LoRa無線傳輸標準還有超大網絡容量、低成本和適合大規模部署等特點。

LoRa的優勢在于技術方面的長距離能力。在一個給定的位置，傳輸距離在很大程度上取決于環境或障礙物，LoRa有一個鏈路預算優于其他任何標準化的通信技術。鏈路預算通常用分貝（dB）表示，是在給定的環境中決定距離的主要因素。LoRa高達158 dB的鏈路預算，即使在復雜環境下，傳輸距離也可以達到2 km[3]。

一個完全符合LoRaWAN標準的通信網關可以接入5到10 km內上萬個無線傳感器節點，其效率遠遠高于傳統的點對點輪詢的通信模式，也能大幅度降低節點通信功耗。

2 ?網絡拓撲

現有許多部署好的網絡都采用了網狀結構，每個單獨節點要通過其他節點傳遞信息，這不僅增加了網絡的復雜性，而且縮短了電池壽命。相反，LoRa網絡架構是一個典型的星形拓撲結構，當實現長距離連接時，終端節點和網關可直接進行信息交互，有效降低網絡復雜性和能量損耗，延長電池壽命[4]。

終端節點包括物理層、Mac層和應用層的實現，使用的是LoRa線性擴頻調制技術，遵守LoRaWAN協議規范，實現點對點遠距離傳輸。LoRa網關完成接口物理層的處理，LoRa網關負責接收終端節點的上行鏈路數據，然后將數據聚集到一個各自單獨的回程連接，解決多路數據并發問題，實現數據收集和轉發。終端設備采用單跳與一個或多個網關通信，所有的節點均是雙向通信，使用標準的TCP/IP連接。通過互聯網/專網進行數據的傳輸，到達應用服務器后，應用服務器負責管理數據負載的安全性，分析以及利用傳輸來的數據進行狀態展示，從而達到警示的目的。

根據建設內容，項目采用自建專用物聯網無線網絡覆蓋。終端與網關之間通過LoRa無線方式通信，所有網關通過4G方式無線連接到校園火情監測系統，如圖1所示。

無線聲光報警器等設備配置在學區樓、宿舍樓內，每個樓配置一個LoRa網關，保證可以覆蓋整個檢測區域，通過網關將信息通過網絡傳遞給無線火災報警管理平臺或手機/APP進行通知，為進一步決策提供信息支撐。信息的傳遞十分重要，而在范圍比較大的情況下LoRa也就展現出了它的優勢，我們不用擔心由于覆蓋范圍不夠而導致的火情傳遞不及時以及盲點問題。

3 ?設備配置

無線聲光警報器由LoRaWAN無線底座和獨立式聲光警報器組成，獨立安裝，無線聯網，可與其他火災報警器聯動，可大幅提高消防施工效率和智慧化水平。當發生火災并確認后，安裝在現場的無線聲光警報器通過校園火情監測系統進行遠程控制，啟動聯動警報，發出強烈的聲光報警信號，讓現場人員及時進行突發安全狀況的緊急處理。

4 ?技術架構

校園火情監測系統按照網絡結構分層自下而上可以分成四層：感知層、網絡層、平臺層、應用層，基本構造如圖2所示。

感知層：是校園火情監測系統的底層，其功能是通過傳感器采集各類信息，種類包括煙霧濃度、環境溫度等，用于火災的早期預警。本項目中用到了無線聲光報警器等。

網絡層：將感知層中采集的數據傳輸至平臺，并接受平臺下發數據，本校園火情監測系統在網絡層采用的是LoRaWAN技術與協議。

平臺層：是以云計算為核心，將傳感器采集的數據進行匯總和處理。在校園火情監測系統中，平臺層被視為物聯網的核心環節，如圖3所示。

應用層：是校園火情監測系統中的最頂層，直接面向客戶的應用與需求，實現報警接收和處置、報警信息分發、消防設施管理、用戶信息管理等功能，并且可以實現與第三方平臺的互聯互通。項目前后端分離，利用Vue進行前端開發，Axios發送AJAX請求和后臺交互，后端使用了SpringBoot、SpringMVC、Mybatis框架，還有SpringSecurity保證訪問認證和授權管理，使用MySQL數據庫存儲數據。具體頁面如圖4所示。

5 ?用戶管理

用戶分為操作員和管理員，在線的操作員或管理員成為值班員，管理員的權限最高，可以分配權限給普通用戶，管理員可以查看實時數據，修改系統配置參數等，操作員只能查看數據，沒有分配和修改配置的權限。管理員可以看到所有的管理員與操作員，但是操作員沒有權限查看其他人為管理員或操作員。管理員可以看到操作員是否在線。且值班員保留原本角色的權限，具體頁面如圖5所示。

6 ?定位與檢測

監控的位置可以實時以可視化的方式顯示在無線火災報警管理平臺的客戶端上，具體可以定位到樓層以及房間。由于當火情發生時信息的實時性十分重要，所以管理員和用戶可均以通過來自無線火災報警管理平臺或手機APP的報警，快速定位到火災發生的位置，為救援以及滅火提供下一步的決策支持。火災發生的地方也會響起警報，通知大家迅速有序撤離。倘若傳感器發生了故障，我們將無法定位到該傳感器，同時該傳感器將會在可視化界面上消失，應該立即派出維修人員進行檢修，以保證傳感器的正常使用。

7 ?驗證測試

在得到許可的情況下，我們選取了學校老干部樓進行測試，二樓和三樓分別設置了20個監測點，將報警溫度設置為50攝氏度，監測點利用人工手段保持在60攝氏度左右。使用的是基于LoRa技術的無線聲光警報器與校園火情監測系統進行監測，測試結果如表1所示。

從表1中可以看到我們設置的40個報警數量中有38個成功進行了警報并顯示在無線火災報警管理系統上，所占比例為95%，在機器全部正常的情況下，可以看到該系統報警的準確率還是非常高的，可以有效監測、預防火情[5]。

8 ?結 ?論

本文研究使用了基于LoRa的校園火情監測系統來實現對校園火情的監測和預防，通過平臺我們可以對學校的監測點實時監控，確定配置參數進行試驗，結果表明可以有效地進行報警處理，準確率高，并且成本較低。從宏觀角度看，該系統不僅適用于學校，同樣適用于醫院、商業區、酒店、飯店、博物館等大型公共場所。因為在科技日益進步的今天，安全始終還是排在第一位的，所以我們必須對群眾的安全保護措施付出努力。

參考文獻：

[1] 顧兆平.基于LoRa無線通信技術的電氣火災監控系統 [J].消防技術與產品信息，2018，31（10）：50-52.

[2] 李天才，李學紅，李桂琴.基于物聯網的智慧消防無線監測系統設計 [J].工業控制計算機，2020，33（4）：31-33.

[3] 岳云濤，賈佳，王靖波，等.基于LoRa無線傳輸技術的電氣火災監控系統設計 [J].電子技術應用，2018，44（12）：32-35.

[4] 趙靜，蘇光添.LoRa無線網絡技術分析 [J].移動通信，2016，40（21）：50-57.

[5] 陶智，梁獻霞，邵慧瑩，等.基于混合LoRa和ZigBee技術的校園火情監控系統設計研究 [J].河南科技，2020，39（31）：9-11.

作者簡介：懷天宇（2000—），男，漢族，山東曲阜人，本科在讀，研究方向：軟件開發、大數據、云計算等。