基于NB-IoT的火災探測系統(tǒng)設計

錢承山，茹清晨，王彭輝，裴梓權，楊仁昊，劉虹芝

（南京信息工程大學 自動化學院，江蘇 南京 210044）

0 引 言

隨著國家城鎮(zhèn)化的腳步越來越快，消防就成為了一個不可避免的話題。我國每年因火災造成的損失高達200億元且仍在逐年增加。據(jù)應急管理部消防救援局發(fā)布的消息稱，2020年全國消防救援隊共接報火災25.2萬起，財產(chǎn)損失和人員傷亡嚴重。若能在火災發(fā)生之前就將異常環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，則可以從源頭上降低火災概率。隨著物聯(lián)網(wǎng)等新興技術的誕生，“智慧消防”的概念出現(xiàn)在民眾的視野。本文針對目前消防感知存在的不足，設計了一套基于NB-IoT的無線火災探測系統(tǒng)，選用低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術，通過傳感器采集煙霧濃度、一氧化碳、溫濕度等信息集成后上傳至云平臺，用戶可以登錄管理平臺實時查看異常數(shù)據(jù)信息。

1 系統(tǒng)整體框架

本研究實現(xiàn)了一種火災探測系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。該系統(tǒng)以NB-IoT通信技術為紐帶，設計支持NB-IoT的火災傳感器來感知環(huán)境參數(shù)并連接到運營商的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺；系統(tǒng)以嵌入式技術為基礎，結合物聯(lián)網(wǎng)云平臺，利用新興的低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術，并以MQTT協(xié)議為通信協(xié)議，使用STM32系列芯片為主控制端，外接火災探測傳感器實現(xiàn)對監(jiān)測環(huán)境的數(shù)據(jù)采集。通過蜂鳴器實現(xiàn)本地報警，最后管理人員登錄阿里云平臺對重點監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境進行數(shù)據(jù)分析和整合。

圖1 系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件部分設計

系統(tǒng)終端基于ARM嵌入式技術，選用STM32F103C8T6為主控芯片，基于模塊化的設計思想，智能終端外接傳感器和終端執(zhí)行器，感知層集成多傳感器和終端執(zhí)行器蜂鳴器，再配合LCD1602顯示屏進行本地信息展示。本系統(tǒng)選用的無線通信技術是具有低功耗、廣覆蓋、大連接和低成本等特點的NB-IoT無線通信技術，并且選用了BC26為通信模塊。如圖2所示為系統(tǒng)硬件組成框圖。

圖2 硬件框架

2.1 最小系統(tǒng)設計

主控制器的功能包括收集傳感器采集的信息和運行狀態(tài)，并將處理之后的狀態(tài)信息發(fā)送給NB-IoT無線傳輸模塊，然后再上傳到阿里云平臺。綜合考慮系統(tǒng)所需要的SWD/JTAG、DART、SPI總線、I/O口、中斷源、足夠的RAM和ROM存儲空間以及功耗和成本問題等，本系統(tǒng)選擇的主控制器是由ST公司研發(fā)的STM32F103C8T6微控制器。

STM32F103C8T6是一款32位的微控制器，采用LQFP48封裝且引腳數(shù)為48，具有3個UART接口，程序存儲器FLASH容量為64 KB，RAM容量為20 KB，需要的工作電壓為2～3.6 V，芯片的工作溫度在-40～85 ℃范圍內(nèi)，因此其可以在低功耗和各種溫度環(huán)境下使用。本系統(tǒng)采用串口供電的方式，選用AMS1117降壓穩(wěn)壓模塊將輸入的5 V電壓降壓為3.3 V輸出為系統(tǒng)供電，同時AMS1117穩(wěn)壓器還起到一定的過流保護作用。JLINK接口電路用于燒制程序的接口、調(diào)試燒寫仿真程序，復位電路用于復位，晶振電路用于計時，與兩個電容并聯(lián)使用，電容大小為22 pF。主控芯片和外圍電路如圖3所示。

圖3 主控芯片和外圍電路

2.2 探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊

（1）溫濕度傳感器

考慮到火災監(jiān)測傳感器要有精度高、耐高溫等特點，本系統(tǒng)選擇SHT30溫濕度傳感器，硬件接線如圖4所示。SHT30是瑞士盛世瑞恩生產(chǎn)的一款高精度溫濕度數(shù)字式傳感器，較市面上的普通溫濕度傳感器具有信號增強、可編程式溫濕度極限報警模式等功能，廣泛應用于精度要求較高的電子器件中，同時該傳感器感知精度高并且可以在不同溫度下穩(wěn)定運行，因此非常適合在火災監(jiān)測領域應用。信號輸出轉(zhuǎn)換的測量數(shù)據(jù)總是以16位值（無符號整數(shù)）傳輸。這些數(shù)值已經(jīng)線性化并補償了溫度和電源的影響。使用以下公式可以將這些原始值轉(zhuǎn)換為物理量。

圖4 濕度傳感器硬件接線

相對濕度換算公式為：

溫度換算公式為：

其中，和S分別表示原傳感器輸出的溫度和濕度。只有和S用十進制表示時，該公式才能計算正確。

（2）煙霧傳感器

本設計采用的是MQ-2型煙霧傳感器，接線如圖5所示。當其檢測到空氣中的煙霧濃度升高時，它的導電率也會相應地升高。MQ-2型煙霧傳感器主要特點是靈敏度很高、響應速度快、精度很高且抗干擾能力強，適合用于對日常環(huán)境的監(jiān)測。煙霧傳感器把采集到的煙霧值轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，然后利用分壓電路把單片機引腳可接收的電壓值送入單片機內(nèi)部進行相應的處理。

圖5 煙霧傳感器接線

（3）CO傳感器

本設計采用的是CO濃度采集傳感器，接線如圖6所示。當CO濃度檢測模塊檢測到空氣中有CO氣體時，它的導電率會因為空氣中異常氣體含量提高而提高。CO濃度傳感器主要特點是靈敏度很高、響應速度快、精度很高且抗干擾能力強；另外該器件可以長期穩(wěn)定工作，不會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，因此得到了廣泛使用。

圖6 CO傳感器接線

從圖6可知，CO傳感器輸出的是模擬信號，把采集到的CO濃度轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，輸出電壓在0～5 V之間，由于單片機基準電壓是3.3 V，所以在輸出接口處采用了分壓電路，另用兩個10 kΩ電阻組成分壓電路，因此單片機引腳接收到的最大電壓值是2.5 V，滿足單片機電壓要求，把電壓信號送入單片機A/D轉(zhuǎn)換引腳PA1，經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字量的CO濃度值。

2.3 通信模塊電路

無線通信模塊型號選用BC26，與GSM/GPRS系列移動通信的M26模組兼容，方便客戶切換至NB-IoT網(wǎng)絡。BC26基于聯(lián)發(fā)科MT2625芯片平臺研發(fā)，支持廣泛的頻段。BC26因其體積小等優(yōu)點可以有效地幫助客戶減小終端尺寸并優(yōu)化產(chǎn)品成本，尤其適合可穿戴設備、安防以及便攜式智能健康監(jiān)控儀器等緊湊型終端。實物圖如圖7所示。

圖7 BC26實物圖

2.4 OLED12864顯示電路設計

本系統(tǒng)選用的是OLED12864顯示屏，該顯示屏是一款單芯片CMOS/PLED驅(qū)動器， 硬件接線如圖8所示。OLED12864由132個段組成，64個公共端可支持128×64的最大顯示分辨率。OLED12864 嵌入了對比度控制，顯示RAM振蕩器和高效的DC/DC轉(zhuǎn)換器，減少了外部元件的數(shù)量和功耗。使用前要進行I/O初始化、延時函數(shù)初始化、I/O方向函數(shù)定義。

圖8 OLED12864顯示屏硬件接線

3 系統(tǒng)軟件部分設計

3.1 系統(tǒng)終端主程序設計

本系統(tǒng)中的嵌入式軟件主要采用C語言對MCU微處理器進行程序編寫，實現(xiàn)對消防環(huán)境及設備信息的數(shù)據(jù)采集，并通過火災預警、NB-IoT模塊的通信傳輸、接收云平臺下發(fā)的指令實現(xiàn)對設備的控制，通過閾值設置實現(xiàn)報警等功能。主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程

首先給系統(tǒng)通電后對串口、GPIO口等進行初始化并啟動A/D轉(zhuǎn)換，然后BC26模塊初始化，傳感器采集數(shù)據(jù)并經(jīng)過主控制器判斷是否超過閾值，若采集的數(shù)據(jù)大于閾值則進行報警，并將采集數(shù)據(jù)和產(chǎn)生火災預警的結果上傳到云平臺可視化界面。

3.2 溫濕度的采集程序設計

主控制器STM32F301與SHT30之間通過IC標準串行接口相連接進行數(shù)據(jù)采集，并通過主控芯片的PA6引腳與SHT30模塊連接。系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時首先要初始化SHT30，配置SHT30用到的I/O口，系統(tǒng)通過中斷的方式，使IC終端服務函數(shù)發(fā)送信號量，然后開始計算溫濕度。溫濕度程序流程如圖10所示，具體計算公式如式（1）～（3）所示。

圖10 溫濕度程序流程

3.3 MQ-2模塊程序設計

本文的煙霧濃度采集模塊選用的是MQ-2傳感器。由圖11可知，系統(tǒng)上電后，煙霧傳感器首先進行模塊初始化；然后控制中心讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號值，若讀取信號正確，則系統(tǒng)把數(shù)字信號值轉(zhuǎn)換為對應的煙霧值并輸出。

圖11 MQ-2模塊程序流程

3.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件設計

火災探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集完成后的數(shù)據(jù)傳輸是系統(tǒng)中的一個重要部分，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃灾苯記Q定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。首先獲取各個傳感器采集的數(shù)據(jù)并將所有采集到的數(shù)據(jù)合并字符串后轉(zhuǎn)換為一幀數(shù)據(jù)；然后使用CRC校驗算法生成兩位校驗位放在數(shù)據(jù)幀的最后，并將其通過串口發(fā)送至NB-IoT模塊；最后通過NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)以AT指令的形式發(fā)送到服務器端。具體的軟件流程如圖12所示。

圖12 數(shù)據(jù)傳輸模塊程序流程

3.5 系統(tǒng)終端與阿里云平臺的通信

ECS（Elastic Compute Service）是一種高性能、穩(wěn)定、安全的云計算服務器。此云服務器可以降低IT成本，與使用公共資源一樣無感、高效地使用服務器，使得計算資源使用更加方便，并得到拓展。將BC26作為無線傳輸模塊，利用NB-IoT技術將硬件終端采集的數(shù)據(jù)上傳至阿里云平臺，同時也接收云平臺反饋的JSON格式指令進行下一步操作。

在進行阿里云信息配置時，第一個參數(shù)是固定的，一定是"ALIAUTH"；第二個參數(shù)是Will標志位，如果為0，那么忽略Will參數(shù)的配置，一般情況下為0；剩下三個是阿里云必需的元素，即product_key、device_name、device_secret，這三個參數(shù)可以在阿里云端創(chuàng)建設備之后非常容易地獲得。阿里云參數(shù)配置如圖13所示。

圖13 阿里云參數(shù)配置

訪問阿里云需要提交的JSON數(shù)據(jù)如下：

4 實際測試

4.1 硬件測試

對硬件系統(tǒng)采集終端和無線通信模塊進行通電測試，如果傳感器和NB-IoT的指示燈亮，則表明系統(tǒng)成功初始化并正常工作，如圖14所示。

圖14 硬件系統(tǒng)實物圖

4.2 系統(tǒng)測試

通電測試后，將程序通過FlyMcu下載進系統(tǒng)后，各采集模塊經(jīng)初始化后開始采集環(huán)境數(shù)據(jù)，同時NB-IoT模塊遠程連接阿里云服務器。如圖15和圖16所示，登錄阿里云PC端網(wǎng)頁可以實時查看數(shù)據(jù)大小和變化趨勢。

圖15 云平臺數(shù)據(jù)采集界面

圖16 云平臺可視化界面

5 結 語

本文設計了一種基于NB-IoT的火災探測系統(tǒng)，可以采集火災發(fā)生前后的環(huán)境參數(shù)，如CO濃度、溫度、濕度等，并通過無線傳輸模塊上傳至云平臺。測試表明，系統(tǒng)能夠正常工作，并符合火災探測的參數(shù)要求，通過接入阿里云平臺可以將數(shù)據(jù)實時上傳，能夠為火災防治提供有效幫助。