基于混合LoRa和ZigBee技術(shù)的校園火情監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

陶智 梁獻(xiàn)霞 邵慧瑩 祝志奇

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一款基于LoRa技術(shù)和ZigBee技術(shù)的校園火情監(jiān)測系統(tǒng)，并選取校園宿舍樓對該系統(tǒng)的效果進(jìn)行測試。結(jié)果表明：該系統(tǒng)報(bào)警準(zhǔn)確率高，可有效預(yù)測監(jiān)測點(diǎn)的溫度情況。

關(guān)鍵詞：LoRa;ZigBee;校園;火情監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）31-0009-03

Design of Campus Fire Monitoring System Based

on Hybrid LoRa and ZigBee Technology

TAO Zhi1 LIANG Xianxia2 SHAO Huiying1 ZHU Zhiqi1

（1.Xingtai Polytechnic College，Xingtai Hebei 054000;

2.Hebei Institute of Mechanical and Electrical Technical，Xingtai Hebei 054000）

Abstract： This paper designed a campus fire monitoring system based on LoRa technology and ZigBee technology， and selected the campus dormitory building to test the effect of the system. The results show that the system has high alarm accuracy and can effectively predict the temperature of monitoring points.

Keywords： LoRa;ZigBee;campus;fire monitoring

校園是學(xué)生活動(dòng)密集度極高的場所，做好校園防火工作是為學(xué)生創(chuàng)造良好學(xué)習(xí)氛圍的重要前提，各院校必須把校內(nèi)防火工作放在校園安全建設(shè)的首位。校園內(nèi)突發(fā)火情，會(huì)造成嚴(yán)重的危害，嚴(yán)重威脅學(xué)生們的生命財(cái)產(chǎn)安全。當(dāng)前，多數(shù)院校不僅從思想上提高學(xué)生的防火安全意識(shí)，而且在樓宇內(nèi)設(shè)置了相應(yīng)的防火裝置。為了有效提升校園防火成效，多數(shù)學(xué)者對校園火情監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究。例如，丁凡等以STM32系列ARM控制器、CC2420無線射頻芯片為技術(shù)核心，設(shè)計(jì)出了基于ZigBee技術(shù)的無線校園火災(zāi)監(jiān)控、報(bào)警系統(tǒng)的硬件節(jié)點(diǎn)模塊[1];董再秀研究了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的學(xué)生宿舍火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)[2];肖瀟針對目前校園火災(zāi)、火災(zāi)隱患及火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案制定的現(xiàn)狀，以昆明理工大學(xué)蓮花校區(qū)為例設(shè)計(jì)開發(fā)了基于三維GIS的校園火災(zāi)應(yīng)急救援系統(tǒng)，對校園火災(zāi)現(xiàn)場及周邊環(huán)境進(jìn)行三維場景虛擬仿真，對火災(zāi)進(jìn)行準(zhǔn)確評估，并為消防人員提供最短路徑分析以及最近消防栓查詢等功能[3]。本文采用混合LoRa和ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及時(shí)監(jiān)測可能出現(xiàn)的火災(zāi)隱患并上報(bào)系統(tǒng)告警，將火情消滅于萌芽狀態(tài)，以最大限度地避免校園火災(zāi)的發(fā)生。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 LoRa技術(shù)

1.1.1 LoRa概述。LoRa是Semtech公司創(chuàng)建的遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio）低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)。與其他無線方式相比，在相同的功耗條件下，LoRa傳播距離更遠(yuǎn)，具備低功耗以及遠(yuǎn)距離的特點(diǎn)。

1.1.2 LoRa特性。LoRa的傳輸速率為幾十到幾百kbps;傳輸距離長，城鎮(zhèn)可達(dá)2～5 km，郊區(qū)可達(dá)15 km。工作ISM頻段包括433、868、915 MH等。調(diào)制方式是基于擴(kuò)頻技術(shù)，是線性調(diào)制擴(kuò)頻（CSS）的一個(gè)變種，具有前向糾錯(cuò)（FEC）能力。一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以包含成千上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2 ZigBee技術(shù)

1.2.1 ZigBee概述。ZigBee是一個(gè)基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可以應(yīng)用于家庭自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)收集和其他低功耗、低帶寬的應(yīng)用場景。ZigBee與藍(lán)牙、WiFi相比，功耗低，距離近，并且是自組織的網(wǎng)絡(luò)。其最高速率可達(dá)250 kbit/s，采用128位的對稱加密保護(hù)算法，具有較高的安全性。ZigBee支持星型網(wǎng)絡(luò)、樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[4-5]。

1.2.2 ZigBee特性。ZigBee使用開放的頻率，包括2.4～2.483 5 GHz、902～928 MHz和868～868.6 MHz三個(gè)頻段，其在2.4 GHz下速率最高為250 kbit/s，在915 MHz和868 MHz頻段能達(dá)到40 kbit/s和20 kbit/s，由于開銷和處理延遲的影響，實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐量將小于理論最大比特率。

1.3 Qt技術(shù)

1.3.1 Qt概述。Qt是基于C++的跨平臺(tái)圖形界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。它既可以開發(fā)GUI程序，也可用于開發(fā)非GUI程序，如控制臺(tái)工具和服務(wù)器。Qt采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)框架，功能強(qiáng)大，提供豐富的API接口，擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)組件化編程，具備大量的開發(fā)實(shí)例和文檔，極大地方便了開發(fā)人員。

1.3.2 Qt特性。Qt在C++標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上添加了一些特性，也即屬于Qt自己的核心技術(shù)。這些核心技術(shù)在Qt Core模塊中實(shí)現(xiàn)。這些特性主要包括：強(qiáng)大的無縫連接通信機(jī)制，稱為信號(hào)和槽;可查詢和可設(shè)計(jì)的對象屬性;層次化并可查詢的對象樹;用保護(hù)指針通過很自然的方式實(shí)現(xiàn)對象的所有權(quán)管控;跨庫工作的動(dòng)態(tài)投射。

1.4 主備冗余技術(shù)

主備冗余技術(shù)可以增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的LoRa節(jié)點(diǎn)和ZigBee節(jié)點(diǎn)均使用主備雙份，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，可以切換到備用節(jié)點(diǎn)，不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高組網(wǎng)的穩(wěn)定性。主備節(jié)點(diǎn)之間則通過心跳實(shí)現(xiàn)健康狀態(tài)的相互監(jiān)聽。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由監(jiān)測中心軟件和各監(jiān)測子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器將采集到的火情數(shù)據(jù)通過ZigBee節(jié)點(diǎn)和LoRa節(jié)點(diǎn)傳遞給火情監(jiān)控平臺(tái)，監(jiān)測軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，若分析結(jié)果大于系統(tǒng)設(shè)定的報(bào)警閾值，系統(tǒng)發(fā)出告警信息。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 火情監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

校園火情監(jiān)測系統(tǒng)總體采用分布式結(jié)構(gòu)，由大量的LoRa組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和ZigBee組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、A/D轉(zhuǎn)換模塊以及終端數(shù)據(jù)傳感器構(gòu)成，組網(wǎng)采用樹狀網(wǎng)絡(luò)模式，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。紅外溫度傳感器負(fù)責(zé)信息端的采集工作，數(shù)據(jù)由ZigBee節(jié)點(diǎn)和LoRa節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)杰浖偪囟耍?jīng)過解析轉(zhuǎn)換，判斷各級(jí)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)值是否超過設(shè)定的閾值，根據(jù)情況確定相應(yīng)的告警級(jí)別并進(jìn)行處置。告警設(shè)置為三個(gè)等級(jí)，分別是提示、重要和緊急。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

鑒于周圍環(huán)境的影響，火情隱患監(jiān)測點(diǎn)溫度的值比較微弱，需要經(jīng)過專門的A/D電路對數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行放大處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用TLC1543 ADC，實(shí)物如圖3所示。

3.3 紅外溫度傳感器模塊

火情隱患點(diǎn)處溫度的高低以及變化趨勢無法通過肉眼識(shí)別，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用紅外溫度傳感器。當(dāng)紅外光波長在880 nm附近時(shí)，傳感器的監(jiān)測性能最高。紅外溫度傳感器將監(jiān)測點(diǎn)的紅外光數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并經(jīng)過A/D模塊器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)范圍內(nèi)的數(shù)值。數(shù)據(jù)收集端采用MLX90614ESF-BCC紅外溫度傳感器，其實(shí)物如圖4所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件監(jiān)控端是本系統(tǒng)的重要組成部分，程序采用Qt框架編程實(shí)現(xiàn)，模塊組成如圖5所示。在PC端可以看到各監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)的實(shí)時(shí)變化。根據(jù)功能需求，軟件端具有用戶管理、數(shù)據(jù)監(jiān)控和監(jiān)控點(diǎn)定位等功能。

4.1 用戶管理

用戶管理主要是管理員離開時(shí)，普通用戶無法對系統(tǒng)進(jìn)行操作查看，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。用戶包括管理員和普通用戶，管理員的權(quán)限最高，可查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、修改系統(tǒng)參數(shù)配置;普通用戶只能查看數(shù)據(jù)，沒有修改和控制的權(quán)限。

4.2 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控

用戶登錄之后進(jìn)入監(jiān)測主界面，當(dāng)傳感器被激活，可以通過硬件對現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，選擇需要查看的參數(shù)，可以對所監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。對所監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測參數(shù)異常時(shí)會(huì)有相應(yīng)的報(bào)警反饋，管理人員可以在室內(nèi)對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行掌控。

4.3 監(jiān)控點(diǎn)定位

監(jiān)控點(diǎn)定位功能可顯示具體的區(qū)域樓號(hào)及樓層房間位置，均以圖形化的方式呈現(xiàn)。管理員通過查看閾值告警，可快速定位到監(jiān)測點(diǎn)位置，為安全保衛(wèi)處下一步處理決策提供輔助支持。

5 驗(yàn)證測試分析

選取校園宿舍1號(hào)樓、2號(hào)樓進(jìn)行測試，分別設(shè)置50個(gè)分布監(jiān)測點(diǎn)，報(bào)警溫度預(yù)設(shè)為60 ℃，監(jiān)測點(diǎn)溫度人工保持在65 ℃。1號(hào)樓作為實(shí)驗(yàn)組，使用本文設(shè)計(jì)的火情監(jiān)測系統(tǒng)對溫度進(jìn)行監(jiān)測;2號(hào)樓作為對照組，使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)組1號(hào)樓的47個(gè)監(jiān)測點(diǎn)正常報(bào)警，報(bào)警比例為94%;對照組2號(hào)樓中報(bào)警的個(gè)數(shù)為3，報(bào)警比例為6%。可見，該系統(tǒng)報(bào)警準(zhǔn)確率高，可有效預(yù)測監(jiān)測點(diǎn)的溫度情況。

6 結(jié)語

本研究綜合使用LoRa和ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對校園火情的監(jiān)控，通過控制中心實(shí)現(xiàn)對校園監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握各參數(shù)的強(qiáng)度信息，并選取兩組監(jiān)測點(diǎn)對系統(tǒng)進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該火情監(jiān)測系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率較高。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁凡，周永明.基于Zigbee的無線校園火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012（13）：3011-3013.

[2]董再秀.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的學(xué)生宿舍火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]肖瀟.基于三維GIS校園火災(zāi)應(yīng)急救援系統(tǒng)的研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2011.

[4]周忠濤.基于視頻特征的火情監(jiān)測研究[D].南昌：江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

[5]鞠靜文.室內(nèi)無線火情監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2016.