火災報警系統用戶信息遠程傳輸裝置設計*

唐珺 蔡衛平 張濤 黃偉

1.九江職業技術學院電氣工程學院；2.北京華晟經世信息技術股份有限公司九江分部

針對國內現有火災報警系統品牌多、型號繁雜、各廠商之間無法數據共享互聯互通等問題，設計了一款基于窄帶物聯網的火災報警系統用戶信息遠程傳輸裝置。該產品可以將不同廠家不同型號的消防設備接入消防云平臺，從而實現這些設備的互聯互通，為消防安全管理提供便利。

目前國內的火災報警系統主要依賴于傳統的火災告警主機，主要作用是監控管理本地的消防設備，例如手動火災報警按鈕、煙霧報警器、消防栓等。傳統的做法是通過485總線將這些設備串聯起來并入消防報警主機控制器來進行管理，并由消防控制人員進行監控，對發生的一些消防報警事件進行處理。

但是目前這種形式存在很多弊端，（1）是該類系統往往都是獨立運行,即所謂的單機版，由消控室人員進行獨立管理和處理，報警信息無法有效地匯入消防局進行管控，給消防管理人員造成很大的困擾。（2）是即使有部分廠家提供了遠程云平臺傳輸裝置，各個廠家也是不兼容的，只能用于自己廠家的設備，而目前市面上的消防報警主機控制器來自幾十種廠商，想要做到“互聯互通”也非常困難。本文介紹的火災報警系統采用窄帶物 聯 網(NBIoT, Narrow Band Internet of Things)技術,將所有消防設備統一接入到消防云平臺，從而實現不同廠家不同型號的消防設備“互聯互通”，便于消防部門集中管理。

1 功能需求與系統架構設計

1.1 后臺管理主要功能分析

根據用戶的需求，本系統設計的后臺管理功能分為監測中心、物聯設施、維保管理等7個模塊，各模塊功能描述如表1所示。

表1 平臺后臺管理功能Tab.1 Platform background management function

1.2 接口及性能需求

（1）硬件接口：設備支持2組485接口、2組232接口、1組CAN總線接口以及打印機接口，這些接口都可以適配接入不同廠家的消防控制主機。

（2）云端設備接口：用戶信息傳輸裝置接入云端的相關接口。

（3）云端應用接口：應用程序數據后臺接入云端應用接口，采集設備數據緩沖在云端，采用基于發布與訂閱模式。

（4）內部接口：后臺支撐系統提供給網頁或App端接口。

滿足高并發及高可用需求，具體并發參數指標待評估，架構設計能滿足并發指標的動態變化，靈活熱插拔式增加節點來擴展并發及高可用要求，同時需要保證服務器安全、網絡安全、數據安全。

1.3 系統架構設計

系統整體架構如圖1所示，消防手報、煙感探測器等消防終端將報警數據傳給火災報警控制主機，控制主機再將數據傳給用戶傳輸裝置，后者就是本文介紹的用戶信息遠程傳輸裝置。該裝置通過NBIoT或以太網連到外網把數據傳給電信物聯云，華為云主機再從電信物聯云提取數據并負責對數據進行解析，最后終端(LED大屏、手機App，PC)訪問華為云主機獲取數據。

2 硬件電路設計

用戶信息遠程傳輸裝置的硬件電路采用EDA工具AltiumDesigner19設計，電路框圖如圖2所示。由圖2可見，硬件由兩部分構成，即主控電路板模塊和接口電路板模塊（以下簡稱主控板和接口板），前者在圖中大虛線框內，后者在大虛線框外。之所以采用分體設計是因為要考慮到后續產品功能設計以及拓展的便利性。另外，消防產品標準也有相關的要求。

2.1 主控板

主控板采用STM32F429芯片作為主控制器，并擴展了Flash芯片以及RTC時鐘芯片，主控板連接有一塊480×272分辨率的彩色液晶屏，通過主控制器的FSMC功能進行驅動連接[1,2]。主控板上有4個UART接口。其中， UART1、UART2主要負責與火災報警控制器相連（根據不同廠家可選擇RS232或RS485）；UART3主要負責設備的參數設置和后期調試維護等功能，與電腦串口相連；UART4負責與網絡模塊（GPRS/NBIoT等）之間進行通信。由于設備安裝環境的不同，主控制板采用2種方式進行網絡數據通信，分別是以太網和NBIoT。用戶可通過液晶屏菜單進行自由切換選擇。

2.2 接口板

接口板是為了便于后續功能擴展而采用的一種分體設計方式，通過排線連接主控板，接口板具備2組RS485、2組RS232、1組CAN總線網絡、1組以太網、2個繼電器輸出、2個數字量輸入接口。由于消防產品有嚴格的EMC檢測要求，所以所有接口都額外增加了EMC處理電路和濾波電路。

3 系統軟件設計

3.1 用例分析

本系統中涉及的角色有如下4類：

（1）平臺管理員：系統整個平臺的管理人員。該角色負責模塊初始化及系統配置、權限分配；

（2）平臺普通人員：平臺管理人員授權的其他用戶（具體角色由平臺管理員設定)。這類人員可查看所有聯網單位信息；

（3）聯網單位用戶：聯網單位的用戶信息員，可查看本單位的設備運行狀態及報警信息；

（4）維修人員：設備維護方人員，可查看相關單位設備信息及維保記錄、維保預約及反饋等。

根據表1描述的系統平臺后臺管理功能，得到平臺管理員功能用例總圖，如圖3所示。該圖顯示了平臺管理員角色的所有場景用例圖和子用例圖，及用例之間的關系說明。系統中的其他角色(平臺普通人員、聯網單位用戶、維修人員）則由管理員分配相應功能權限，默認權限為該角色的常規業務。

3.2 軟件架構設計

如前文所述，圖1中的用戶信息遠程傳輸裝置將火災報警數據傳給云端應用服務器，然后各類終端通過訪問云端獲取數據[3]。整個系統的軟件包括部署在云端應用服務器的應用程序和終端App，應用程序整體架構設計如圖4所示。圖4中所示的后端開發，采用基于Spring Boot的SSM(Spring+SpringMVC+Mybatis)框架，該技術具有層層松耦合，易于業務擴展的特點。Spring核心框架承擔起幾個框架的整合任務，提供IOC和AOP功能，讓業務對象的管理更加便利與快速響應，AOP橫切面框架更是讓系統的后續通用功能可達到熱插拔效果。Mybatis本為一款輕量級的ORM應用框架，能把SQL語句與業務解耦，從而實現數據庫移植的便利。此外，系統的前端響應頁面單獨部署服務器，也就是前后端分離架構，主要有以下3個益處。

（1）前端靜態化：前端有且僅有靜態內容，不需要任何后臺技術進行動態化組裝；

（2）后端接口平臺無關化：只提供數據，不提供任何和界面表現有關的內容。換言之，他們提供的數據可以用于任何其他客戶端（如本地化程序、移動端程序）；

（3）構架分離化：后端構架幾乎可以基于任何語言和平臺的任何解決方案，而前端亦可采用任何框架。

因此，總體上來說，這種分離模式的優勢是前端靜態化讓前后端流量大幅減少、表現性能的提高、前后端平臺無關和技術無關、安全性方面的集中優化、開發的分離和構架的分離。系統的后期可擴展性、可移植性更好。

4 結語

傳統的火災報警系統采用單機版模式工作，消防部門對于各個單位的報警系統無法集中管理，消防監測效率不高。本文設計了一款火災報警系統用戶信息遠程傳輸裝置。該裝置采用STM32F429單片機作為主控制器，配備了RS232、RS485、CAN總線等多種接口，能夠連接不同廠家不同型號的火災告警主機，并且通過以太網或NBIOT接入消防云平臺，為消防部門的集中管理帶來了方便，實現了智慧消防。此外，本文還提出了云端應用服務器應用程序的設計方案，經過用戶測試，本系統實現了所有功能需求，運行情況良好。