基于NB-IoT的智慧消防系統設計

姜韜 徐志平

關鍵詞：NB-IoT;云平臺;智慧消防

0 引言

隨著社會不斷推動城鎮經濟建設與轉型，作為保障居民財產與安全的消防措施也應該與時俱進，進而提升滅火救災能力。但是，傳統消防仍舊存在許多問題，諸如：依賴于消防安全管理人員的監督力度與管理手段;無法預知、反映與處理監控地區的火災情況;當火災發生時，處理流程繁瑣與低效，不利于及時處理火災情況;消防設備的安裝與布線程序復雜、成本較高，且維護困難等，已越來越不適應現代社會的要求。因此，迫切需要一種替代傳統消防模式的方案。

另一方面，移動通信領域正逐漸轉向物與物之間的通信。物聯網逐漸成為新時代通信領域的主力干將，可使用信息傳感設備，根據硬件通信協議（如MQTT，CoAP，AgentLite），實現物與物之間的網絡鏈接進行信息交互，并可人為對設備下發命令、監控、定位與管理等操作。諸多工業產業將產生海量連接需求，遠遠超出目前的人與人之間通信的實際市場。然而，當下的許多物聯網絡技術在實現物鏈接上卻顯得能力不足。NB-IoT因其海量鏈接能力、低功耗、低成本以及覆蓋范圍廣闊等優點[1]，在處理上述難題方面顯得得心應手。

本文提出基于NB-IoT 技術的智慧消防方案[2]，與傳統消防相比，智慧消防是指運用NB-IoT 物聯網技術，將信息傳感與通信技術結合，達到實時、動態實現煙霧濃度數據、信號強度采集、通信、處理與報警等功能，提高滅火救災的執行效率，實現消防監控的信息化。顯然，此項研究對于消防與物聯網領域將具有實際應用價值[3]。

1 系統總體設計

NB-IoT智能消防設備獨立組網由煙感模塊和蜂鳴報警器組成的感知層設備與NB-IoT通信模組組成，在有效范圍內實時監測煙霧濃度、信號強度等參數并判斷火災狀況，同時可采集設備自身運行數據（設備名稱、設備網絡狀態、設備類型與報警情況）實時上傳至OceanConnect云平臺[4]。煙感監控系統App 向OceanConnect云平臺發送Https請求，下載硬件設備收集到的信息，并進行監控管理、數據統計與火情處理等相關操作[5]，系統功能如圖1所示。

2 硬件設計

系統的硬件部分包括核心模塊，如主控系統STM32L431RCT6單片機、NB35-A 通信模塊（內嵌BC35-G 模組）、OLED 模塊、MQ-2 煙霧傳感器和有源蜂鳴器，以及核心電路，如主控電路、電源電路、復位電路、獨立按鍵電路、串口電路和外設接口電路。

2.1 STM32主控芯片

硬件設計主控模塊采用的是ST 公司旗下的32 位Cortex-M4 內核超低功耗STM32L431RCT6 處理器[6]。CPU 具有高速Flash特性，能夠極大提升讀寫速度，且兼具保護機制，保證正確傳輸數據。煙感監控設備需要長期運行，所以硬件設備的供電情況是很重要的問題，而STM32L4芯片則兼備優秀低功耗模式，很好地解決了該問題。

2.2通信模塊

本次設計選擇的通信模塊是NB35-A，它是一款低功耗、超高靈敏度的NB-IoT最小系統板。內部選用移遠的BC35-G模組，內嵌網絡服務協議棧，符合設計需求。模塊還采用了省電技術，電流功耗在省電模式（PSM）下，低至4μA。NB35-A 最小系統板可通過NB-IoT無線電通信協議（3G99 Rel.14），迅速實現與網絡運營商的基礎設備建立通信。

2.3煙感模塊

煙感模塊由MQ-2 煙感氣敏元件和有源蜂鳴器組成[7]，工作電壓為5 V，且使用之前，需要預熱2 min 以上，至MQ-2 稍微發燙。當監測區域煙霧濃度上升時，輸出電壓會隨之升高;濃度下降時，輸出電壓隨之下降。與此同時，MQ-2模塊DO口外接有源蜂鳴器，當監測煙霧濃度值超過閾值時，則會報警。

3 OceanConnect云平臺

OceanConnect 云平臺開發者中心是華為向開發者提供的物聯網一站式開發工具，具備產品開發、應用開發、自助測試及產品發布等多種能力，并提供了配套的開發指導、API參考等資源，端到端指引物聯網開發。基于統一的IoT生態圈，平臺包括我的設備、Profile開發、插件開發及插件管理等功能[8-9]。其中Profile 文件是用來描述設備類型和服務能力的文件，定義了設備的服務、屬性、命令等特性，對于整體的開發流程如圖2所示。

4 軟件設計

實現煙感監控功能的軟件主要由顯示頁面、登陸鑒權、數據與命令交互、添加設備、刷新與搜索等模塊組成。既要滿足數據的實時更新、設備的命令下發等操作功能，又要符合使用者的用戶體驗（程序的穩定與感官體驗）以及界面的美觀，還能夠及時解決用戶的反饋與實時修改、更替與添加程序功能。設計的集成環境使用的是美國谷歌（Google）公司專門為開發自己旗下產品Android 應用的集成開發環境（IDE）：AndroidStudio[10]。軟件開發包使用的是JDK1.8版本。

主顯示界面的設計應該盡可能簡潔，以免因過于繁多的事項導致用戶的選擇障礙，又要避免因過度追求極簡而導致服務項的缺失，設計效果如圖3 所示。

鑒權請求是應用服務器首次訪問OceanConnect 云平臺時，需要調用鑒權接口完成接入認證;如果認證過期，則必須重新調用此接口來進行認證。

軟件設計最重要的服務部分是數據信息的實時交互，決定著監控系統的有效性與穩定性。考慮到多線程可能帶來的程序功能間沖突與癱瘓，以此造成較差的體驗。因此，采用手動刷新的方式更新數據，刷新流程圖如圖4所示。

添加設備：如果有后續已實現與云平臺交互的新增設備，又希望能在App界面顯示該設備監控的相關數據信息，有2種方式可以實現該目標。第1種，在云平臺中新添真實設備，輸入設備名稱和設備唯一標識碼即可簡單實現;第2 種，在App 上手動添加設備，設計主要使用第2種方式。

搜索設備：當設備數量眾多，又需及時搜索到想要的設備信息時，搜索功能必不可少。由于本次軟件設計只使用了一個具備通信功能的真實設備，因此不能較好體驗搜索功能的效果。

報警命令能否及時下發關系到整個智慧消防監控系統的可靠性，因此需要特別重視命令下發的穩定性與及時性。要想實現應用向對接的設備下發命令，首先需要在設備Profile 文件中定義好相應配置或修改設備的屬性。OceanConnect 平臺中具有2 種命令下發方式：立即執行和緩存下發。其中，立即執行是平臺收到下發命令后立刻下發給設備，保證及時與同步性。緩存下發是指平臺接收到命令后依次儲存在緩存區進行排隊，按照串行下發的方式，在收到前一個命令的響應后才會下發后一個命令，但是無法保證及時與同步性。由于本次報警命令下發需要能夠及時反應情況，因此采用立即執行方式，以確保有效處理火情狀況。

5 結束語

基于過去的傳統消防背景探討了傳統消防方式、滅火救災手段的不足與弊端;同時，根據目前世界物聯網技術的發展，重點分析NB-IoT技術的優勢與前景。結合實際情況與功能需求，提出了基于NB-IoT 技術的智慧消防系統設計與實現方案，最終實現了系統方案。