基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧消防平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：本文闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧消防平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)，項(xiàng)目整體基于5G網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)OneNET平臺(tái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)設(shè)備的接入，云平臺(tái)主要使用Spring、Apache Dubbbo等主流技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，整體架構(gòu)可擴(kuò)展性高、運(yùn)營成本低，云平臺(tái)市場前景好。

關(guān)鍵詞：NB-IOT;OneNET;Dubbbo; 消防;物聯(lián)網(wǎng)

1 引言

我司新一代智慧消防平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)這些設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識(shí)別、定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集狀態(tài)、告警信息，通過云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。填補(bǔ)了原先針對(duì)“九小場所”和危化品生產(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白。

在統(tǒng)一的平臺(tái)內(nèi)運(yùn)行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過平臺(tái)直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設(shè)備和傳感器的運(yùn)行狀況，并能夠在出現(xiàn)細(xì)節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時(shí)間內(nèi)，相關(guān)報(bào)警和事件信息通過手機(jī)短信、語音電話、APP推送等手段，迅速通知相關(guān)人員。

項(xiàng)目于2020年4月啟動(dòng)，成立了由8個(gè)人組成的項(xiàng)目組，作為技術(shù)部負(fù)責(zé)人，我主要負(fù)責(zé)需求分析和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，并完全負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的管理。經(jīng)過6個(gè)月研發(fā)、測試，平臺(tái)正式上線，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，獲得了領(lǐng)導(dǎo)和客戶的認(rèn)可。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 邏輯架構(gòu)

所有物聯(lián)設(shè)備通過移動(dòng)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)連接到移動(dòng)OneNET平臺(tái)，智慧消防平臺(tái)通過接口與移動(dòng)OneNET平臺(tái)進(jìn)行交互。OneNet平臺(tái)采用HTTP及時(shí)把設(shè)備上報(bào)的信息推送到平臺(tái)開發(fā)的接口層，消息經(jīng)過校驗(yàn)后再推送到消息隊(duì)列里面，實(shí)現(xiàn)削峰平流的作用，之后是由業(yè)務(wù)分析引擎對(duì)消息進(jìn)行處理和告警通知等，見圖1所示。

2.2 物理架構(gòu)

系統(tǒng)是在阿里云進(jìn)行部署的，業(yè)務(wù)應(yīng)用采用多節(jié)點(diǎn)部署在由多個(gè)ECS上組成集群，緩存使用的是阿里云的Redis服務(wù)，數(shù)據(jù)庫使用的MySQL讀寫分離，接入層使用的阿里云的SLB進(jìn)行負(fù)載均衡處理，WEB層使用Nginx進(jìn)行分發(fā)請(qǐng)求。會(huì)話狀態(tài)是使用的Redis來存儲(chǔ)的，消息隊(duì)列使用的是RabbitMQ，即時(shí)消息使用的WebSocket來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。所有后端應(yīng)用均采用多節(jié)點(diǎn)部署以防止單點(diǎn)故障。

2.3 技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，主要從系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能特性、系統(tǒng)性能、擴(kuò)展性、維護(hù)性以及穩(wěn)定性方面考慮，同時(shí)兼顧考慮客戶特性等方面進(jìn)行技術(shù)選型。項(xiàng)目采用前后端分離技術(shù)，后端整體使用流行的Java語言開發(fā)，用Maven進(jìn)行依賴管理，采用Spring作為業(yè)務(wù)框架進(jìn)行構(gòu)建（Spring AOP、Spring MVC等組件）。使用Apache Dubbo作為微服務(wù)調(diào)用框架，Nacos作為注冊(cè)和配置中心，Seata作為分布式事務(wù)管理器，使用Quartz作為系統(tǒng)定時(shí)任務(wù)調(diào)度器，見圖3所示。前端使用的Vue + Element UI框架，流行度和成熟度也是非常高的。

對(duì)于架構(gòu)設(shè)計(jì)而言，無論從展現(xiàn)層，還是業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層以及事務(wù)控制管理等方面使用的技術(shù)和框架，都是目前業(yè)界非常主流的、應(yīng)用范圍非常廣泛、性能表現(xiàn)非常優(yōu)秀的技術(shù)和框架。架構(gòu)設(shè)計(jì)的展現(xiàn)層技術(shù)能夠較好滿足系統(tǒng)界面需求以及客戶使用習(xí)慣需求，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)部署和運(yùn)行的目的。

3 智慧消防平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)有消防安全監(jiān)管的需要，平臺(tái)針對(duì)不同角色設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功能，具體模塊見下表。運(yùn)營后臺(tái)是提供給平臺(tái)管理用的，主要進(jìn)行租戶管理及設(shè)備類型的設(shè)置等;監(jiān)管單位支持多級(jí)組織的分級(jí)監(jiān)管，上線可以看到下級(jí)的所有單位的運(yùn)行數(shù)據(jù);業(yè)主單位是指具體實(shí)施安裝消防設(shè)備的單位，為了日常維護(hù)方便，提供通過公眾號(hào)進(jìn)行安裝設(shè)備和巡檢的功能。主要功能見表1。

4 具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 設(shè)備管理層

設(shè)備類型管理用于管理各硬件廠家的各種類型的設(shè)備，通過參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接入的需求：主要參數(shù)包括設(shè)備分類、數(shù)據(jù)上報(bào)周期、接入?yún)f(xié)議、巡檢項(xiàng)目等。物聯(lián)設(shè)備都是通過IMEI號(hào)進(jìn)行唯一識(shí)別的。設(shè)備添加的時(shí)候關(guān)聯(lián)到具體的點(diǎn)位平面圖上，方便進(jìn)行告警展示。設(shè)備管理會(huì)收集電量、信號(hào)強(qiáng)度等，會(huì)進(jìn)行檢驗(yàn)提醒及報(bào)廢提醒。

4.2 設(shè)備接入層

平臺(tái)可以接入物聯(lián)設(shè)備及非物聯(lián)設(shè)備：非物聯(lián)設(shè)備包括各種傳統(tǒng)的滅火器、室內(nèi)消火栓、室外消火栓等;而物聯(lián)設(shè)備則主要包括新一代煙霧感應(yīng)器、可燃?xì)怏w感應(yīng)器、門磁報(bào)警器、水壓檢測器、水位檢測器、溫度感應(yīng)器等。

對(duì)于物聯(lián)設(shè)備，使用的是中國移動(dòng)的NB-IOT卡，使用LwM2M協(xié)議直接與移動(dòng)基站進(jìn)行聯(lián)接入網(wǎng)。OneNET是由電信供應(yīng)商中國移動(dòng)打造的高效、穩(wěn)定、安全的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)：支持適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，可實(shí)現(xiàn)各種傳感器和智能硬件的快速接入，滿足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全以及大數(shù)據(jù)分析等平臺(tái)級(jí)服務(wù)需求。

智慧消防平臺(tái)通過API在OneNET上通過設(shè)備的IMEI號(hào)來添加設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的綁定，調(diào)用刪除指令來解除設(shè)備的綁定。設(shè)備綁定后，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)把設(shè)備的上線、下線、心跳消息通過HTTP協(xié)議主動(dòng)推送給智慧消防平臺(tái)。設(shè)備在警情發(fā)生時(shí)會(huì)立即上線并發(fā)送消息給OneNET平臺(tái)，OneNET平臺(tái)收到消息會(huì)立即轉(zhuǎn)發(fā)給智慧消防平臺(tái)，以此來實(shí)現(xiàn)告警信息的及時(shí)傳傳遞。設(shè)備在平時(shí)處于休眠狀態(tài)，以節(jié)省電池消耗。

智慧消防平臺(tái)收到消息后，會(huì)進(jìn)行消息驗(yàn)簽，通過驗(yàn)證的消息會(huì)投遞到RabbitMQ的隊(duì)列中。

4.3 協(xié)議適配層

平臺(tái)建立不同廠家不同設(shè)備的編碼庫，并且根據(jù)設(shè)備的具體協(xié)議開發(fā)適配器，收到消息后，根據(jù)設(shè)備類型獲取其對(duì)應(yīng)的適配器進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型提供給數(shù)據(jù)處理層。

4.4 數(shù)據(jù)處理層

應(yīng)用集群采用分布式部署，監(jiān)聽隊(duì)列的消息，根據(jù)消息類型進(jìn)行處理：上下線消息、心跳直接入庫，并對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整;告警、故障內(nèi)消息會(huì)根據(jù)等級(jí)（高、中、低）進(jìn)行相應(yīng)的處理，高級(jí)的告警會(huì)電話的短信通知到對(duì)應(yīng)單位的消防值班人員，其它的告警及故障信息會(huì)在平臺(tái)的大屏上彈窗顯示。

數(shù)據(jù)處理層是架構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，需要考慮海量數(shù)據(jù)的存取。所以系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行拆分，主要分為：基礎(chǔ)服務(wù)，設(shè)備管理服務(wù)，設(shè)備狀態(tài)服務(wù)，告警服務(wù)，巡檢服務(wù)等。不同服務(wù)使用獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫，以降低數(shù)據(jù)庫的壓力;狀態(tài)數(shù)據(jù)按時(shí)間歸檔，主庫只保留最近3個(gè)月的數(shù)據(jù)，過期的數(shù)據(jù)按月進(jìn)行歸檔;平臺(tái)使用對(duì)象緩存，通過AOP攔截實(shí)現(xiàn)緩存及刷新。

4.5 智能處理層

采用行業(yè)主流的流式數(shù)據(jù)處理引擎對(duì)設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的加工和分析，基于大量的歷史告警及設(shè)備故障數(shù)據(jù)，通過不斷調(diào)整規(guī)則引擎算法，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的采購?fù)扑]及警情預(yù)測。

4.6 統(tǒng)計(jì)分析層

平臺(tái)提供大量統(tǒng)計(jì)報(bào)表，可以根據(jù)監(jiān)管的不同層級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總展示，主要的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括：告警統(tǒng)計(jì)、故障統(tǒng)計(jì);實(shí)時(shí)的設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì);巡檢情況統(tǒng)計(jì);實(shí)時(shí)的告警信息等。對(duì)于非實(shí)現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)，平臺(tái)采用定時(shí)任務(wù)的方式，每隔一定的時(shí)間自動(dòng)拉取最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合運(yùn)算，生成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)供展示和查詢使用。

5 總結(jié)

綜合來看NB-IoT有海量連接、深度覆蓋、低成本、超低功耗、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢。OneNET平臺(tái)則具有降低企業(yè)研發(fā)、運(yùn)營和運(yùn)維成本的優(yōu)勢。本平臺(tái)充分利用現(xiàn)有成熟的技術(shù)進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，既滿足了業(yè)務(wù)需求又降低了用戶的使用成本，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

在5G網(wǎng)絡(luò)下，產(chǎn)業(yè)中所有的基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)設(shè)備、各種電子產(chǎn)品都將被連接起來，更多的創(chuàng)新空間隨之而生，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將迎來非常巨大的市場機(jī)遇。連接賦能的重點(diǎn)業(yè)務(wù)也將廣泛的拓展。技術(shù)的革新帶來的是更加低成本的應(yīng)用和更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，萬物互聯(lián)的時(shí)代已經(jīng)到來。我司正是基于行業(yè)的發(fā)展趨勢構(gòu)建了新一代智慧消防平臺(tái)，基于其強(qiáng)大的感知功能，必將改變消防監(jiān)管的方方面面，相信在不久的將來會(huì)迎來大規(guī)模的推廣和使用。

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作者簡介：蒲邦雄，男，四川省南部縣人，1982年4月生人，漢，大學(xué)本科，工程師，目前就職于有伴（上海）智能科技有限公司，主要研究方向?yàn)檐浖到y(tǒng)架構(gòu)