基于物聯網的用戶信息傳輸裝置系統設計

侯其立，倪 衛，汪 洋

（1.中國電子科技集團公司 第三十八研究所 安徽省公共安全應急信息技術重點實驗室，安徽 合肥 230088；2.中電博微（安徽）物聯科技有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

在自然、人為災害中，火災是發生頻率最高、人員傷亡及資產損失最嚴重的災害之一。分析火災發生的原因可知，火情發現不及時、消防設施不能正常發揮作用是延誤撲救、火勢蔓延的主要原因[1]。

當前，建筑物內都已配備了消防設施，但主要系統處于獨立運行狀態，數據未接入監控中心，不利于火情的及時通知、處置，無法對消防設施運行狀態進行實時監控[2]。城市消防遠程監控系統可較好地解決該問題，其通過對建筑物內獨立運行的消防設施數據進行實時采集、聯網、統計、研判，實現對建筑物內火情、潛在隱患的實時監控，并對消防設施進行集中管理[3]。用戶信息傳輸裝置作為城市消防遠程監控系統的重要組成部分，是連接各獨立消防設施與監控中心的橋梁。物聯網技術作為當前信息化時代的新生力量，已被廣泛應用于智慧消防系統建設中[4-8]。

基于此，本文以STM32F407芯片為核心，研制了用戶信息傳輸裝置，可完成獨立消防設施的數據采集、傳輸，并對建筑消防設施實施遠程監控。

1 系統結構

本文基于物聯網技術研制用戶信息傳輸裝置系統，以此為核心的消防遠程監控系統功能框圖如圖1所示。

圖1 遠程監控系統功能框圖

由圖1可知，用戶信息傳輸裝置系統的主要任務包括以下幾個方面。

（1）火災報警控制器的數據采集。用戶信息傳輸裝置系統首先完成建筑物內已有火災報警系統的數據采集，煙感、溫感、手報等模塊統一由火災報警控制器監管。用戶信息傳輸裝置系統與火災報警控制器通信即可獲取相關數據。

（2）其他消防設施數據采集。對于火災報警控制器未能監管到的消防設施數據，如水壓值、電壓值、電流值、水位值等，可通過物聯網網關采集，用戶信息傳輸裝置系統通過有線或無線方式與物聯網網關通信，確保可實時監測數據。

（3）數據傳輸。用戶信息傳輸裝置系統需與監控中心保持連接，在對所采集數據進行預分析處理后，按照既定格式上報至監控中心，此外，用戶信息傳輸裝置也能夠接收、執行監控中心下發的指令。

2 硬件系統設計

用戶信息傳輸裝置以STM32F407芯片為核心，主要包括火災報警控制器數據采集、物聯網網關數據采集、數據傳輸、人機交互等模塊。用戶信息傳輸裝置硬件系統框圖如圖2所示。

圖2 用戶信息傳輸裝置硬件系統框圖

（1）火災報警控制器數據采集

火災報警控制器的數據采集支持RS 485和RS 232通信協議，由硬件電路跳線選擇，兼容更多火災報警控制器的接入。

（2）物聯網網關數據采集

物聯網網關數據采集支持RS 485有線通信及基于LoRa通信模組的無線通信。對于距用戶信息傳輸裝置較近，且易于布線或無線信號難以覆蓋的網關，采用RS 485通信；距用戶信息傳輸較遠的網關，如監測樓頂水箱液位的網關，或網關與用戶信息傳輸裝置之間障礙物較少，選用LoRa無線通信。

（3）數據傳輸

數據傳輸方式包括以太網有線通信和GSM無線通信。GSM無線通信可降低布線成本，適用于不便布線或安裝地點未接入互聯網的場所（如消防監控室）；若安裝地已部署網絡，則可通過以太網有線方式將用戶信息傳輸裝置接入互聯網。此外，對安全性要求較高或涉密的場所，一般禁止設備接入互聯網，因此其遠程監控系統選用局域網本地部署方式。此時用戶信息傳輸裝置通過以太網有線方式接入局域網。

（4）人機交互

人機交互需借助液晶顯示屏、指示燈、按鍵、喇叭等模塊實現。指示燈用以指示系統各部件運行狀態是否正常；通過按鍵與液晶顯示屏，用戶可對設備執行必要的操作，如手動報警、復位等，或查看設備運行記錄；將語音文件預置在芯片內，當特定事件發生時，處理器可通過DAC方式輸出音頻信號，給用戶以語音提示。

（5）調試接口

系統預留有一個調試串口，通過電平轉換可接入PC機或手機，以便對設備進行出廠測試、參數設置、現場調試等。

3 軟件系統設計

系統軟件采用模塊化設計方案，包括啟動引導程序（Boot）及應用主程序（APP）。其中，Boot程序包括固件遠程升級與串口調試；APP程序基于FreeRTOS操作系統運行，主要包括四大子任務：火災報警控制器巡檢任務、物聯網網關巡檢任務、數據傳輸任務、本機巡檢任務。用戶信息傳輸裝置軟件系統框圖如圖3所示。

圖3 用戶信息傳輸裝置軟件系統框圖

3.1 Bootloader檢測

系統上電后進行Bootloader檢測。Bootloader啟動程序檢測流程如圖4所示。在Bootloader檢測程序中，若檢測到下列任一情形，系統將進入Boot程序：

（1）檢測到特定功能按鍵處于按下狀態；

（2）檢測到內部存儲區的遠程升級標志處于置位狀態；

（3）檢測到APP程序損壞。

圖4 Bootloader啟動程序檢測流程

3.2 Boot程序

Boot程序主要用于系統參數配置和固件升級，包括設備遠程自動操作和用戶現場在線操作。Boot程序流程如圖5所示。

圖5 Boot程序流程

在固件遠程升級過程中，只有在固件完整下載且固件格式校驗通過后，才會進行固件更新操作。

3.3 APP程序

APP程序是系統應用的主程序，包含各項應用任務的建立與調度。APP程序流程如圖6所示。

（1）火災報警控制器巡檢任務。該任務包括對火災報警控制器運行數據進行實時采集，并對數據進行解析、標準化處理及轉換為相應事件，如火警、故障、屏蔽等。在采集到新事件后，會將事件傳送至發送列表，以供上傳至監控中心，同時也會將事件傳送至人機交互列表，供設備進行相關聲光提示。

（2）物聯網網關巡檢任務。該任務主要包括對物聯網網關數據進行實時采集，并觸發數據上傳事件。其中，觸發源包括周期性數據更新、突發性數據變化異常、網關設備運行狀態變化。事件觸發后，該任務會將事件傳送至發送列表，以供上傳至監控中心。

（3）數據傳輸任務。該任務包括與監控中心保持穩定有效的TCP連接，并對事件列表中的各項事件按優先級順序及時發送至監控中心，同時實時監聽監控中心下發的指令并執行。數據傳輸規則符合GB/T 26875.3—2011標準[9]。

（4）本機巡檢任務。該任務包括對本機各部件運行狀態的實時監測（主備電狀態、網絡狀態、與火災報警控制器連接狀態等）與人機交互（包括用戶按鍵操作、液晶顯示、相關事件聲光提示等）。在監測到相應事件后，將事件傳送至發送列表。

圖6 APP程序流程

4 系統測試

系統研制完畢后，在國家消防電子產品質量監督檢驗中心按照國家標準GB 26875.1—2011對其進行了試驗[10]，各項指標均符合國標要求。另外，該系統在安徽、甘肅、海南等地的多個項目已投入使用，設備運行穩定，應用效果良好。

5 結 語

本文基于物聯網技術，以STM32F407芯片為核心，研制了用戶信息傳輸裝置系統。該系統符合國標標準，并通過國家消防電子產品質量監督檢驗中心的檢驗。目前，該系統已在國內多個項目上投入使用，大大增強了消防系統運行的安全性，實現了消防遠程監控。