基于NB-IoT 與物聯云平臺的消防炮控制系統

袁 興，鄧成中，何紫楊，路 強

（西華大學機械工程學院，四川 成都 610039）

火災會帶來財產損失和人員傷亡。古建筑、碼頭、景區等地方，因其結構特性，是火災易發生場所。傳統的火災報警與滅火控制系統采用有線組網設計，具有安裝布線復雜、后期維護困難等缺點[1]。滅火控制方式常采用現場人員控制消防炮來進行滅火，當火勢較大時，燃燒產生的煙霧和有害氣體會對現場操作人員的生命安全造成威脅[2]。

近幾年來，隨著物聯網技術和無線通信技術的快速發展，人們嘗試將WiFi、Zigbee 等無線通信技術運用于火災的檢測報警與滅火控制系統，但是WiFi 技術存在著傳輸距離短、功耗高等特點，Zigbee技術存在著傳輸速率低、傳輸距離短等特點[3-6]；因此，皆不適用于長距離、大范圍的組網方式。古建筑、碼頭、景區等地方，具有保護范圍大、保護點分散等特點。若其消防炮控制系統采用WiFi 或Zigbee 技術來進行組網，中間須設立多個中繼器[7]，這增加了系統的復雜程度和設計成本；若采用傳統的有線組網設計，將大大地增加系統的安裝布線難度，后期維護也比較困難。

基于以上問題，筆者設計了一種基于NB-IoT與物聯云平臺的消防炮控制系統。該系統利用NB-IoT 無線傳輸技術與物聯云平臺來實現消防炮控制系統的組網，簡化了系統的組網，擴大了系統的覆蓋范圍，實現了對消防炮的遠程控制。由于采用了NB-IoT 無線傳輸技術和物聯云平臺技術，該系統具有功耗低、覆蓋范圍廣、存儲容量大、成本低等特點[8]，可應用于古建筑、碼頭、景區等保護范圍大、保護點分散的地方。

1 系統總體架構

基于NB-IoT 與物聯云平臺的消防炮控制系統主要包括：消防炮節點控制器、NB-IoT 模塊、NBIoT 基站、OneNET 云平臺和客戶終端。其系統總體架構如圖1 所示。

消防炮節點控制器主要用于火災的檢測、消防炮炮口角度的控制、噴水方式切換控制、電磁水閥的開閉以及火災的報警輸出。NB-IoT 模塊與消防炮節點控制器連接，主要用于將消防炮節點控制器接入到OneNET 云平臺，實現消防炮控制系統的組網。NB-IoT 基站是NB-IoT 模塊連接OneNET云平臺的中間“橋梁”：NB-IoT 模塊先利用NBIoT 傳輸技術連接到NB-IoT 基站，NB-IoT 基站再通過物聯網協議連接到OneNET 云平臺，從而實現NB-IoT 模塊與OneNET 云平臺之間的連接。OneNET 云平臺接收和存儲各個消防炮節點控制器上傳的數據信息，并向各個消防炮節點控制器下發消防炮控制命令。通過OneNET 云平臺，客戶終端可實時查看各個節點的火災報警情況、消防炮的狀態信息，以及對各個節點消防炮進行遠程控制。本系統的優勢主要體現在以下方面。

1）相比于傳統的有線組網，本系統利用NBIoT 模塊將消防炮節點控制器直接接入到OneNET云平臺，以實現消防炮控制系統的組網，避免了復雜的安裝布線，簡化了系統組網。

2）相比于WiFi、Zigbee 技術，NB-IoT 無線傳輸技術具有更低的功耗和更廣的覆蓋范圍，適用于大范圍的組網場合。

3）OneNET 云平臺接收和存儲消防炮控制系統的數據信息，使本系統具有存儲容量大等特點。

4）客戶終端遠程控制消防炮進行噴水滅火，能盡量避免現場人工滅火帶來的傷亡。

2 系統硬件設計

2.1 消防炮節點控制器硬件設計

消防炮節點控制器硬件結構如圖2 所示。主要包括主控制器、電源管理模塊、火災檢測模塊、電機驅動模塊、電磁水閥驅動模塊以及火災報警模塊。

消防炮節點控制器的主控制器選擇STM32F103RCT6 單片機，其具有64 個外部引腳、256 KB 容量的Flash、5 個串口、8 個定時器等豐富的內部資源[9]，以及停機模式、睡眠模式和待機模式3 種低功耗模式，可滿足本系統設計要求。

圖2 消防炮節點控制器硬件結構圖

電源管理模塊采用開關電源的方式實現220 V交流電到24 V 直流電之間的轉換，并利用LM2595和AMS1117 芯片將24 V 電壓轉換為5 V 和3.3 V，供消防炮節點控制器的各個模塊和NB-IoT 模塊使用。

火災檢測模塊采用數字式溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ_2 相結合的復合火災探測方案，其直接與主控制器連接，用于對現場火災的檢測。相比于單一的感溫或感煙火災探測器，本系統采用復合火災探測方案可提高對火災檢測的準確度。

如圖3 所示，電機驅動模塊采用日本東芝公司生產的TB6600HG 步進電機驅動芯片來實現對水平電機、俯仰電機以及噴水方式切換電機的驅動控制，其具有高耐壓、大電流、多種細分度可選等優勢，其耐壓可達50 V，輸出電流可達5 A[10]。水平電機、俯仰電機用于調整消防炮炮口的水平角度和俯仰角度；噴水方式切換電機用于切換消防炮的噴水方式（噴水霧形式、噴水柱形式）。

圖3 電機驅動模塊電路圖

電磁水閥驅動模塊硬件電路如圖4 所示。其采用光耦和三極管控制繼電器K3 的通斷，以實現電磁水閥的開閉，從而控制消防炮的滅火水源的開閉。

圖4 電磁水閥驅動模塊電路圖

火災報警模塊主要用于檢測到火災后進行輸出報警。其分為聲報警和光報警2 種形式，分別通過驅動蜂鳴器和LED 燈實現，硬件電路如圖5 所示。

圖5 火災報警模塊電路圖

2.2 NB-IoT 模塊硬件設計

NB-IoT 模塊硬件主要由M5310A 模組芯片、RF 天線、SIM 卡和固件下載接口等組成，其硬件電路如圖6 所示。M5310A 模組芯片是中移物聯網公司生產的一款NB-IoT 無線通信模組芯片，內嵌有MQTT、TCP、LwM2M 和COAP 等多種數據傳輸協議，可方便與OneNET 云平臺進行連接。通過NB-IoT 模塊可實現將消防炮節點控制器的火災報警信息和消防炮的狀態信息上傳到OneNET云平臺，并接收OneNET 云平臺下發的消防炮控制命令。相比于其他無線傳輸模塊，基于M5310A模組芯片的NB-IoT 模塊支持PSM 和eDRX 2 種節電模式，在PSM 模式下，模塊的最大耗流為5 μA，極大地降低了模塊的功耗。

圖6 NB-IoT 模塊硬件電路圖

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括數據通信協議設計、消防炮節點控制器軟件設計、OneNET 云平臺和客戶終端設計。

3.1 數據通信協議設計

數據通信協議包括消防炮節點控制器與NBIoT 模塊間的通信協議和NB-IoT 模塊與OneNET云平臺間的通信協議。消防炮節點控制器與NBIoT 模塊之間的通信采用標準的串口通信協議實現。消防炮節點控制器通過串口向NB-IoT 模塊發送指令和數據，并通過串口接收NB-IoT 模塊傳回的消防炮控制命令。

NB-IoT 模塊與OneNET 云平臺之間采用MQTT通信協議實現數據上傳和命令下發。在進行數據上傳和命令下發之前，先將NB-IoT 模塊與OneNET云平臺服務器進行連接，再向NB-IoT 模塊發送AT 指令。利用MQTT 通信協議進行數據上傳和命令下發的格式分別如表1 和表2 所示。

表1 數據上傳的幀格式byte

表2 命令下發的幀格式byte

在表1 中：消息頭占1 字節，為固定值0x30，表示此幀數據的開始；剩余長度占1～4 字節，表示此幀數據剩余的字節長度，高位在前，低位在后；主題名長度占2 字節，主題名字符串占3 字節，主題名長度指示主題名字符串所占的字節數，為固定值0x0003，數據上傳的主題名字符串固定為“$dp”；上傳的數據內容為JSON 格式封裝的字符串，包含數據流和數據點，其所占字節大小由封裝后的字符串大小決定。

在表2 中：消息頭占1 字節，為固定值0x30，表示此幀命令的開始；剩余長度占1～4 字節，表示此幀命令剩余的字節長度，高位在前，低位在后；主題名長度占2 字節，主題名字符串占42 字節，主題名長度指示主題名字符串所占的字節數，為固定值0x002A，命令下發的主題名字符串固定為“$creq/cmduuid”，其中cmduuid 為OneNET 云平臺下發命令時發送的36 字節命令ID 號；下發的命令內容為二進制字符串，所占字節大小由二進制字符串大小決定。

3.2 消防炮節點控制器軟件設計

消防炮節點控制器軟件包括數據上傳軟件和命令接收軟件2 部分，數據上傳軟件設計流程如圖7(a)所示。在系統上電后，對STM32 主控制器、外設以及NB-IoT 模塊進行初始化操作；向NB-IoT 模塊發送AT 指令用于連接OneNET 云平臺；開啟串口接收中斷和定時器中斷，若定時器中斷被響應，則清除定時中斷標志位并設置Tim_Flag 標志位為“1”；當Tim_Flag 標志位為“1”時，向OneNET 云平臺上傳火災報警信息和消防炮狀態信息（消防炮炮口水平角度、消防炮炮口俯仰角度）；當數據上傳完成后清除Tim_Flag 標志位，為“0”，等待下一次定時時間到，再進行數據上傳。

圖7 消防炮節點控制器軟件設計流程圖

命令接收軟件設計流程如圖7(b)所示，消防炮節點控制器的命令接收是以串口中斷的方式進行。當NB-IoT 模塊接收到OneNET 云平臺下發的控制命令后，NB-IoT 模塊將控制命令通過串口發送給消防炮節點控制器，消防炮節點控制器立即進入串口接收中斷，接收OneNET 云平臺下發的控制命令，并在控制命令接收完成后，解析控制命令，根據控制命令的類型驅動對應模塊（水平電機、俯仰電機、噴水方式切換電機、電磁水閥）。最后清除串口中斷標志位，等待接收下一個控制命令。

3.3 OneNET 云平臺和客戶終端設計

OneNET 云平臺是中移物聯網公司推出的PaaS 物聯網開放平臺，支持多種協議接入方式，方便用戶將各類硬件設備快速接入OneNET 云平臺[11]；同時還能進行數據的存儲、顯示和分析，還具有豐富的API 接口，方便用戶進行調用。客戶終端主要包括Web 網頁和手機APP，可通過OneNET 云平臺的API 接口實現對云平臺存儲數據的讀取及消防炮控制命令的下發。

4 系統測試

系統測試是在實驗室條件下進行，實驗室內配置2 臺消防炮節點控制器。給系統上電后，登錄OneNET 云平臺開發者中心，可以看到2 臺消防炮節點控制器的設備狀態，顯示為在線，如圖8 所示，說明2 臺消防炮節點控制器被接入到OneNET 云平臺，實現了消防炮控制系統的組網。通過OneNET云平臺應用管理Web 網頁或者手機APP，可實時查看消防炮節點控制器的火災報警情況和消防炮的狀態信息；通過點擊相關按鈕，可實現對消防炮節點控制器的水平電機、俯仰電機、噴水方式切換電機和電磁水閥等的遠程控制。經過多次測試，系統均能穩定運行，并且數據的上傳時間和控制命令的響應時間均小于2 s，響應速度較快，滿足消防炮控制系統對實時性控制的要求。Web 網頁界面和手機APP 界面分別如圖9和10 所示。

圖8 系統設備狀態圖

圖9 Web 網頁界面

圖10 手機APP 界面

5 結束語

本文設計了一種基于NB-IoT 與物聯云平臺的消防炮控制系統，采用基于M5310A 芯片的NBIoT 無線傳輸模塊與OneNET 云平臺實現消防炮控制系統的組網，克服了傳統有線組網方式安裝布線復雜、后期維護困難等缺點，并且通過客戶終端可隨時查看火災報警情況和消防炮的狀態信息，還能對消防炮進行遠程控制，避免了現場人員滅火帶來的傷亡。本設計為應用于古建筑、碼頭、景區等地方的消防炮控制系統提供了參考。