一種基于NB-IoT的智慧消防監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

秦立辰，陳付龍，程桂花，劉志超，熊 鯤，王旭陽(yáng)，高安可

（安徽師范大學(xué)，安徽 蕪湖 241002）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的日益提高，越來(lái)越多的人意識(shí)到消防安全的重要性。近年來(lái)，由于消防安全管理受到政府政策與資金的大力支持，法律法規(guī)徐徐出臺(tái)，消防技術(shù)日趨完善與規(guī)范，預(yù)警和處理火災(zāi)的消防設(shè)施生產(chǎn)技術(shù)有很大進(jìn)步。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸發(fā)展與成熟，底層感知技術(shù)越來(lái)越精細(xì)，無(wú)線傳輸設(shè)備的信息傳輸越發(fā)穩(wěn)定而多樣（如LoRa、NB-IoT等），智能終端設(shè)備功能日益強(qiáng)大，智慧消防在此契機(jī)下得以嶄露頭角。

所謂智慧消防，就是利用物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+”等最新技術(shù)，配合大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺(tái)、火警智能研判等專業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)城市消防的智能化，提高信息傳遞的效率，保障消防設(shè)施的完好率，改善執(zhí)法及管理效果，增強(qiáng)救援能力，降低火災(zāi)發(fā)生概率及損失。作為消防行業(yè)發(fā)展的新方向，智慧消防在為防火監(jiān)督管理和滅火救援提供數(shù)據(jù)支撐、提高社會(huì)化消防監(jiān)督與管理水平、提升現(xiàn)代化智慧城市綜合防火能力等方面，具有良好的社會(huì)效益和應(yīng)用前景。

1 NB-IoT與LoRa的優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 NB-IoT的優(yōu)缺點(diǎn)

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）是IoT領(lǐng)域基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)的一種新興技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）。NB-IoT技術(shù)根據(jù)超窄帶、反復(fù)傳輸、精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等原理，通過(guò)犧牲一定速率、時(shí)延和移動(dòng)本能，去獲取面向低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)的承載能力，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）海量接入：相同基站覆蓋條件下，NB-IoT技術(shù)是其他無(wú)線技能接入數(shù)的50～100倍，每個(gè)扇區(qū)能夠保證接入10萬(wàn)個(gè)終端。

（2）功耗較低：針對(duì)許多使用電池供電的設(shè)備和環(huán)境，NB-IoT的低功耗特性能夠保證設(shè)備續(xù)航時(shí)間，從幾個(gè)月大幅提升到幾年，大大降低頻繁更換電池帶來(lái)的不便。

（3）覆蓋超強(qiáng)：NB-IoT的覆蓋能力是LTE的100倍，不但能夠滿足地廣人稀地區(qū)的大范圍覆蓋需求，同樣適用于對(duì)深度覆蓋有要求的地下應(yīng)用。

（4）成本低廉：由于選取授權(quán)頻段上的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技能，NB-IoT無(wú)須重新建網(wǎng)，射頻和天線也基本上都能夠復(fù)用；再加上NB-IoT低功耗、低帶寬和低速率的特性，同樣降低了芯片和模組成本。

同時(shí)，NB-IoT還具有如下缺點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)傳輸少：基于低功耗，導(dǎo)致NB-IoT只能傳輸少量數(shù)據(jù)。

（2）通信成本高：除了NB-IoT通信模塊的價(jià)格，運(yùn)營(yíng)商還將收取運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

（3）技術(shù)并不成熟：雖然NB-IoT技術(shù)被大范圍應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)各類故障，導(dǎo)致通信中斷。

（4）對(duì)接平臺(tái)問(wèn)題：電信的IoT平臺(tái)走的是CoPA協(xié)議，CoPA 協(xié)議對(duì)接方面復(fù)雜，為兼容傳統(tǒng)TCP、UDP通信等，經(jīng)常導(dǎo)致施工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

由于我國(guó)企業(yè)更多掌握NB-IoT技術(shù)專利，我國(guó)從政策角度更傾向于發(fā)展NB-IoT。工信部發(fā)布的關(guān)于NB-IoT建設(shè)規(guī)劃表示，在2020年之前國(guó)內(nèi)將建設(shè)超過(guò)150萬(wàn)個(gè)NB-IoT基站，連接數(shù)突破6億。因此，NB-IoT在中國(guó)發(fā)展環(huán)境友好。

1.2 LoRa 的優(yōu)缺點(diǎn)

LoRa（Long Range Radio）即遠(yuǎn)距離無(wú)線電，是 Semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，其最大特點(diǎn)是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式的傳播距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一。它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離擴(kuò)大3～5倍。

LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（可內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸；其終端節(jié)點(diǎn)可以是各種設(shè)備，比如水表、氣表、煙霧報(bào)警器、寵物跟蹤器等。本項(xiàng)目的LoRa終端節(jié)點(diǎn)為各個(gè)傳感器，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)LoRa無(wú)線通信的網(wǎng)關(guān)連接；再通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)絡(luò)，連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中。LoRa 網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間通過(guò)TCP/IP 協(xié)議通信。

LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中LoRa 網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明傳輸?shù)闹欣^，連接終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器。終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信。所有的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間均是雙向通信。

LoRa網(wǎng)絡(luò)具有傳輸距離遠(yuǎn)、工作功耗低、組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多、抗干擾性強(qiáng)、低成本等特點(diǎn)，其在生活中應(yīng)用范圍廣，包括智慧建筑、智慧工業(yè)、智慧物流等方面。當(dāng)然它也有如下缺點(diǎn)：（1）隨著LoRa的不斷發(fā)展，設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署的不斷增多導(dǎo)致相互之間出現(xiàn)一定的頻譜干擾；（2）在布設(shè)LoRa 過(guò)程中，需要用戶自己組建網(wǎng)絡(luò)；（3）LoRa 傳輸數(shù)據(jù)有效負(fù)載較小，有字節(jié)限制。

本項(xiàng)目在如圖1所示的模型中將NB-IoT和LoRa相結(jié)合部署于傳輸層，用來(lái)傳遞信息。與3G/4G和WiFi不同的是，NB-IoT和LoRa是低功耗廣域網(wǎng)，是一種可以實(shí)現(xiàn)低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。在本項(xiàng)目中二者都作為全系列物聯(lián)網(wǎng)探測(cè)器。NB-IoT與LoRa的多性能對(duì)比見表1所列。

表1 NB-IoT與LoRa的多性能對(duì)比

圖1 系統(tǒng)災(zāi)情感知、反饋模型

2 系統(tǒng)模型

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系可描述為三層結(jié)構(gòu)：感知層、傳輸層、處理層，如圖2所示。系統(tǒng)中使用溫濕度、煙霧、可燃性氣體、紅外等多種傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)按時(shí)序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)發(fā)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和簡(jiǎn)單處理，再通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆绞竭x擇性地發(fā)給云服務(wù)器。當(dāng)計(jì)算結(jié)果高于緊急火災(zāi)預(yù)警閾值時(shí)單片機(jī)自動(dòng)運(yùn)行滅火事件，驅(qū)動(dòng)繼電器打開滅火彈等滅火裝置進(jìn)行滅火。為了方便觀察，采用網(wǎng)頁(yè)以及微信小程序?qū)崟r(shí)顯示各種數(shù)據(jù)。采用LoRa與NB-IoT無(wú)線通信模塊相結(jié)合的方式解決如地下車庫(kù)等場(chǎng)景通信信號(hào)不佳的實(shí)際問(wèn)題。

圖2 系統(tǒng)三層架構(gòu)示意圖

2.1 感知層

終端節(jié)點(diǎn)連接設(shè)備：溫濕度傳感器、煙霧傳感器、氣體傳感器、一個(gè) LoRa、多個(gè)繼電器。

感知層主要通過(guò)單片機(jī)連接多種傳感器設(shè)備對(duì)實(shí)地環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)連接一個(gè)LoRa作為無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)之間的交互。在現(xiàn)場(chǎng)配有消防彈、噴水器等滅火裝置，將它們用繼電器作為開關(guān)與單片機(jī)相連。一旦發(fā)生火災(zāi)時(shí)，單片機(jī)采集到傳感器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)會(huì)超出警報(bào)閾值，單片機(jī)立刻進(jìn)行火災(zāi)事件處理，用LoRa發(fā)出火災(zāi)預(yù)警指令，并驅(qū)動(dòng)自己管轄范圍內(nèi)的滅火裝置進(jìn)行滅火。

2.2 傳輸層

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)備：一個(gè)LoRa、一個(gè)NB-IoT。

傳輸層主要進(jìn)行實(shí)地與云服務(wù)器的遠(yuǎn)程信息交互，分為上行和下行兩條鏈路。上行時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)將自己采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的LoRa用于接收各節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；NB-IoT作為網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器建立UDP連接，將整合、處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務(wù)器。下行時(shí)，NB模塊與云服務(wù)器建立UDP連接，云服務(wù)器將要下發(fā)的指令發(fā)送給NB模塊，NB模塊收到指令后再交給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)LoRa向?qū)?yīng)的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令。

2.3 處理層

處理層主要對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)處理，并將處理結(jié)果反饋到Web端或終端設(shè)備的微信小程序上，方便管理員進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

3 系統(tǒng)功能

3.1 產(chǎn)品功能應(yīng)用流程

項(xiàng)目系統(tǒng)主要功能有實(shí)時(shí)采集底層環(huán)境信息、融合底層數(shù)據(jù)選擇性上報(bào)、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程上傳數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程下發(fā)指令、自動(dòng)感知火災(zāi)、自動(dòng)滅火，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能流程展示

（1）實(shí)時(shí)采集底層環(huán)境信息

項(xiàng)目使用溫濕度、煙霧、氣體等多種傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，傳感器起到了對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用。

（2）融合底層數(shù)據(jù)選擇性上報(bào)

終端節(jié)點(diǎn)按時(shí)序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)發(fā)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和簡(jiǎn)單處理，再通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆绞竭x擇性地發(fā)給云服務(wù)器，從而達(dá)到盡可能減少能量消耗和降低時(shí)延的目的。

（3）實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程上傳數(shù)據(jù)

傳輸層主要進(jìn)行實(shí)地與云服務(wù)器的遠(yuǎn)程信息交互，分為上行和下行兩條鏈路。對(duì)于上行鏈路，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用NB模塊，采用UDP連接與云服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，將融合后的數(shù)據(jù)按存儲(chǔ)格式發(fā)給云服務(wù)器。為防止NB掉出網(wǎng)絡(luò)，模擬4G的連接方式向基站不斷發(fā)送心跳包維持通信鏈路。

（4）實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程下發(fā)指令

對(duì)于傳輸層與云服務(wù)器的下層鏈路交互，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用NB模塊，采用UDP連接與云服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。當(dāng)用戶需要遠(yuǎn)程控制滅火裝置進(jìn)行滅火時(shí)，通過(guò)點(diǎn)擊按鈕觸發(fā)云服務(wù)器向NB模塊發(fā)送對(duì)應(yīng)指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)下發(fā)指令的功能。為防止NB掉出網(wǎng)絡(luò)，模擬4G的連接方式向基站不斷發(fā)送心跳包維持通信鏈路。

（5）自動(dòng)感知火災(zāi)

將溫濕度、氣體、煙霧等傳感器采集到的數(shù)據(jù)按一定的權(quán)重累加計(jì)算，得出火災(zāi)發(fā)生的概率；設(shè)定一個(gè)警報(bào)閾值，當(dāng)計(jì)算結(jié)果高于警報(bào)閾值時(shí)上報(bào)火災(zāi)。

在消防設(shè)備部署完成后，用戶可以登錄微信小程序或者網(wǎng)頁(yè)去查看部署地點(diǎn)的火災(zāi)等級(jí)以及傳感器接收到的信息，后端會(huì)根據(jù)收集到的信息自動(dòng)判斷火災(zāi)等級(jí)，最高為一級(jí)，最低為五級(jí)。當(dāng)火災(zāi)等級(jí)為較高的一級(jí)、二級(jí)時(shí)系統(tǒng)會(huì)給用戶發(fā)預(yù)警信息，用戶可以調(diào)用預(yù)設(shè)地點(diǎn)的攝像頭查看是否發(fā)生火災(zāi)，由用戶自己判斷是否需要滅火；當(dāng)火災(zāi)等級(jí)較高時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)下發(fā)執(zhí)行滅火指令。

（6）自動(dòng)滅火

當(dāng)計(jì)算結(jié)果高于緊急火災(zāi)預(yù)警閾值時(shí)單片機(jī)自動(dòng)運(yùn)行滅火事件，驅(qū)動(dòng)繼電器打開滅火彈、噴淋設(shè)備等滅火裝置進(jìn)行滅火。

通過(guò)以上分析可以得出，本產(chǎn)品中采用的LoRa與NB-IoT無(wú)線通信模塊相結(jié)合的專業(yè)技術(shù)，使本產(chǎn)品可以適用于更多場(chǎng)景環(huán)境；產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用的三層結(jié)構(gòu)，也是該產(chǎn)品能夠完成檢測(cè)數(shù)據(jù)、處理災(zāi)情等一系列功能的結(jié)構(gòu)支撐。

本產(chǎn)品相較于市面上主要側(cè)重于網(wǎng)格化管理、消防智能設(shè)備應(yīng)用和管理的傳統(tǒng)智慧消防系統(tǒng)，共同的趨勢(shì)是往大數(shù)據(jù)方面進(jìn)行演變，但是將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能進(jìn)行綜合后，可以應(yīng)用到更多領(lǐng)域，例如配電箱、倉(cāng)庫(kù)、消防或軍事演習(xí)等。

3.2 火情檢測(cè)的網(wǎng)頁(yè)端反饋

本系統(tǒng)中的網(wǎng)頁(yè)前端主要采用HTML+CSS+JS+Vue進(jìn)行搭建，柱形圖、餅狀圖、折線圖采用Echarts插件進(jìn)行繪制，部分點(diǎn)擊動(dòng)畫和背景動(dòng)畫采用JQuery；后端采用Flask，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL，前端展示數(shù)據(jù)庫(kù)。云端服務(wù)器采用Tomcat進(jìn)行部署。

登錄“智慧消防平臺(tái)”Web頁(yè)面以后，界面左上角有五個(gè)模塊，分別為數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備管理、管理員列表。在如圖4所示的數(shù)據(jù)采集模塊界面有蕪湖市地圖的行政區(qū)劃，點(diǎn)擊各分塊區(qū)劃可分塊查看各區(qū)的火情數(shù)據(jù)；左下方是應(yīng)用場(chǎng)景，右下方分別有對(duì)應(yīng)各場(chǎng)景的報(bào)警記錄和歷史數(shù)據(jù)的鏈接，界面右邊有報(bào)警記錄以及關(guān)于處理數(shù)、報(bào)警數(shù)的記錄。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊

3.3 設(shè)備的安裝及應(yīng)用

3.3.1 安裝環(huán)境要求

本產(chǎn)品的安裝環(huán)境要求：該地區(qū)已經(jīng)有NB信號(hào)的覆蓋，能提供正常220 V家用電壓，屬于火災(zāi)易發(fā)區(qū)域等。

3.3.2 安裝過(guò)程

本產(chǎn)品安裝簡(jiǎn)單，只須將單片機(jī)、通信模塊（NB、LoRa）、各種傳感器封裝到消防塑料盒中，將消防塑料盒和滅火彈設(shè)施固定在火災(zāi)易發(fā)處即可。

3.3.3 主要使用流程

在消防設(shè)備部署完成后，用戶可以登錄微信小程序或者網(wǎng)頁(yè)去查看部署地點(diǎn)的火災(zāi)等級(jí)以及傳感器接收到的信息，后端會(huì)根據(jù)收集到的信息自動(dòng)判斷火災(zāi)等級(jí)，最高為一級(jí)，最低為五級(jí)。當(dāng)火災(zāi)等級(jí)為較高的一級(jí)、二級(jí)時(shí)系統(tǒng)會(huì)給用戶發(fā)預(yù)警信息，用戶可以調(diào)用預(yù)設(shè)地點(diǎn)的攝像頭查看是否發(fā)生火災(zāi)，由用戶自己判斷是否需要滅火；當(dāng)火災(zāi)等級(jí)較高時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)下發(fā)執(zhí)行滅火指令。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展愈發(fā)蓬勃，底層感知技術(shù)越來(lái)越精細(xì)，無(wú)線傳輸設(shè)備的信息傳輸越發(fā)穩(wěn)定多樣，智能終端設(shè)備功能日益強(qiáng)大，在此背景下智慧消防應(yīng)運(yùn)而生。本文設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT的智慧消防監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)中采集環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器起到了實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用，單片機(jī)、LoRa以及一系列滅火裝置起到了對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的判斷感知、采取滅火操作等一些列措施的作用，如環(huán)境遇突發(fā)火情時(shí)可以得到及時(shí)有效的控制。為防止機(jī)器誤判，本系統(tǒng)具有人為干預(yù)的功能，將火情監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋至終端，方便管理員進(jìn)行清晰觀察與干預(yù)操作。系統(tǒng)結(jié)合NB-IoT與LoRa，能夠適應(yīng)多種場(chǎng)景，包括地下車庫(kù)等信號(hào)差的環(huán)境。綜述全文，本系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精準(zhǔn)度高、功能多樣、配置方便、操作簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，可部署于多類場(chǎng)景進(jìn)行廣泛應(yīng)用。