秦立辰，陳付龍，程桂花，劉志超，熊 鯤，王旭陽，高安可

（安徽師范大學，安徽 蕪湖 241002）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的日益提高，越來越多的人意識到消防安全的重要性。近年來，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，消防技術日趨完善與規(guī)范，預警和處理火災的消防設施生產(chǎn)技術有很大進步。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的逐漸發(fā)展與成熟，底層感知技術越來越精細，無線傳輸設備的信息傳輸越發(fā)穩(wěn)定而多樣（如LoRa、NB-IoT等），智能終端設備功能日益強大，智慧消防在此契機下得以嶄露頭角。

所謂智慧消防，就是利用物聯(lián)網(wǎng)、移動“互聯(lián)網(wǎng)+”等最新技術，配合大數(shù)據(jù)云計算平臺、火警智能研判等專業(yè)應用，實現(xiàn)城市消防的智能化，提高信息傳遞的效率，保障消防設施的完好率，改善執(zhí)法及管理效果，增強救援能力，降低火災發(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，具有良好的社會效益和應用前景。

1 NB-IoT與LoRa的優(yōu)缺點分析

1.1 NB-IoT的優(yōu)缺點

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）是IoT領域基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)的一種新興技術，支持低功耗設備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWA）。NB-IoT技術根據(jù)超窄帶、反復傳輸、精簡網(wǎng)絡協(xié)議等原理，通過犧牲一定速率、時延和移動本能，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：

（1）海量接入：相同基站覆蓋條件下，NB-IoT技術是其他無線技能接入數(shù)的50～100倍，每個扇區(qū)能夠保證接入10萬個終端。

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

（3）覆蓋超強：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，同樣適用于對深度覆蓋有要求的地下應用。

（4）成本低廉：由于選取授權頻段上的蜂窩網(wǎng)絡技能，NB-IoT無須重新建網(wǎng)，射頻和天線也基本上都能夠復用；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，NB-IoT還具有如下缺點：

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

（2）通信成本高：除了NB-IoT通信模塊的價格，運營商還將收取運營費用。

（3）技術并不成熟：雖然NB-IoT技術被大范圍應用，但在實際應用過程中經(jīng)常出現(xiàn)各類故障，導致通信中斷。

（4）對接平臺問題：電信的IoT平臺走的是CoPA協(xié)議，CoPA 協(xié)議對接方面復雜，為兼容傳統(tǒng)TCP、UDP通信等，經(jīng)常導致施工時間過長。

由于我國企業(yè)更多掌握NB-IoT技術專利，我國從政策角度更傾向于發(fā)展NB-IoT。工信部發(fā)布的關于NB-IoT建設規(guī)劃表示，在2020年之前國內(nèi)將建設超過150萬個NB-IoT基站，連接數(shù)突破6億。因此，NB-IoT在中國發(fā)展環(huán)境友好。

1.2 LoRa 的優(yōu)缺點

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

LoRa網(wǎng)絡主要由終端（可內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關（或稱基站）、網(wǎng)絡服務器以及應用服務器組成，應用數(shù)據(jù)可雙向傳輸；其終端節(jié)點可以是各種設備，比如水表、氣表、煙霧報警器、寵物跟蹤器等。本項目的LoRa終端節(jié)點為各個傳感器，這些節(jié)點通過LoRa無線通信的網(wǎng)關連接；再通過4G網(wǎng)絡或者以太網(wǎng)絡，連接到網(wǎng)絡服務器中。LoRa 網(wǎng)關與網(wǎng)絡服務器之間通過TCP/IP 協(xié)議通信。

LoRaWAN 網(wǎng)絡架構是一個典型的星形拓撲結(jié)構，在這個網(wǎng)絡架構中LoRa 網(wǎng)關是一個透明傳輸?shù)闹欣^，連接終端設備和后端中央服務器。終端設備采用單跳與一個或多個網(wǎng)關通信。所有的節(jié)點與網(wǎng)關之間均是雙向通信。

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

本項目在如圖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)，是一種可以實現(xiàn)低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)通信技術。在本項目中二者都作為全系列物聯(lián)網(wǎng)探測器。NB-IoT與LoRa的多性能對比見表1所列。

表1 NB-IoT與LoRa的多性能對比

圖1 系統(tǒng)災情感知、反饋模型

2 系統(tǒng)模型

本系統(tǒng)設計體系可描述為三層結(jié)構：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)場數(shù)據(jù)。終端節(jié)點按時序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)發(fā)向網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點會對數(shù)據(jù)進行融合和簡單處理，再通過遠程傳輸?shù)姆绞竭x擇性地發(fā)給云服務器。當計算結(jié)果高于緊急火災預警閾值時單片機自動運行滅火事件，驅(qū)動繼電器打開滅火彈等滅火裝置進行滅火。為了方便觀察，采用網(wǎng)頁以及微信小程序?qū)崟r顯示各種數(shù)據(jù)。采用LoRa與NB-IoT無線通信模塊相結(jié)合的方式解決如地下車庫等場景通信信號不佳的實際問題。

圖2 系統(tǒng)三層架構示意圖

2.1 感知層

終端節(jié)點連接設備：溫濕度傳感器、煙霧傳感器、氣體傳感器、一個 LoRa、多個繼電器。

感知層主要通過單片機連接多種傳感器設備對實地環(huán)境進行實時監(jiān)測，同時連接一個LoRa作為無線傳輸模塊進行各節(jié)點之間的交互。在現(xiàn)場配有消防彈、噴水器等滅火裝置，將它們用繼電器作為開關與單片機相連。一旦發(fā)生火災時，單片機采集到傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)會超出警報閾值，單片機立刻進行火災事件處理，用LoRa發(fā)出火災預警指令，并驅(qū)動自己管轄范圍內(nèi)的滅火裝置進行滅火。

2.2 傳輸層

網(wǎng)關節(jié)點連接設備：一個LoRa、一個NB-IoT。

傳輸層主要進行實地與云服務器的遠程信息交互，分為上行和下行兩條鏈路。上行時，終端節(jié)點將自己采集到的數(shù)據(jù)通過LoRa發(fā)送給網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點上的LoRa用于接收各節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；NB-IoT作為網(wǎng)關與云服務器建立UDP連接，將整合、處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給云服務器。下行時，NB模塊與云服務器建立UDP連接，云服務器將要下發(fā)的指令發(fā)送給NB模塊，NB模塊收到指令后再交給網(wǎng)關節(jié)點，由網(wǎng)關節(jié)點通過LoRa向?qū)慕K端節(jié)點發(fā)送對應的指令。

2.3 處理層

處理層主要對網(wǎng)關節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)進行存儲與實時處理，并將處理結(jié)果反饋到Web端或終端設備的微信小程序上，方便管理員進行實時處理。

3 系統(tǒng)功能

3.1 產(chǎn)品功能應用流程

項目系統(tǒng)主要功能有實時采集底層環(huán)境信息、融合底層數(shù)據(jù)選擇性上報、實時遠程上傳數(shù)據(jù)、實時遠程下發(fā)指令、自動感知火災、自動滅火，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能流程展示

（1）實時采集底層環(huán)境信息

項目使用溫濕度、煙霧、氣體等多種傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，傳感器起到了對環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)控的作用。

（2）融合底層數(shù)據(jù)選擇性上報

終端節(jié)點按時序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)發(fā)向網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點會對數(shù)據(jù)進行融合和簡單處理，再通過遠程傳輸?shù)姆绞竭x擇性地發(fā)給云服務器，從而達到盡可能減少能量消耗和降低時延的目的。

（3）實時遠程上傳數(shù)據(jù)

傳輸層主要進行實地與云服務器的遠程信息交互，分為上行和下行兩條鏈路。對于上行鏈路，網(wǎng)關節(jié)點使用NB模塊，采用UDP連接與云服務器進行實時通信，將融合后的數(shù)據(jù)按存儲格式發(fā)給云服務器。為防止NB掉出網(wǎng)絡，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）實時遠程下發(fā)指令

對于傳輸層與云服務器的下層鏈路交互，網(wǎng)關節(jié)點使用NB模塊，采用UDP連接與云服務器進行實時通信。當用戶需要遠程控制滅火裝置進行滅火時，通過點擊按鈕觸發(fā)云服務器向NB模塊發(fā)送對應指令，實現(xiàn)實時下發(fā)指令的功能。為防止NB掉出網(wǎng)絡，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）自動感知火災

將溫濕度、氣體、煙霧等傳感器采集到的數(shù)據(jù)按一定的權重累加計算，得出火災發(fā)生的概率；設定一個警報閾值，當計算結(jié)果高于警報閾值時上報火災。

在消防設備部署完成后，用戶可以登錄微信小程序或者網(wǎng)頁去查看部署地點的火災等級以及傳感器接收到的信息，后端會根據(jù)收集到的信息自動判斷火災等級，最高為一級，最低為五級。當火災等級為較高的一級、二級時系統(tǒng)會給用戶發(fā)預警信息，用戶可以調(diào)用預設地點的攝像頭查看是否發(fā)生火災，由用戶自己判斷是否需要滅火；當火災等級較高時，系統(tǒng)會自動下發(fā)執(zhí)行滅火指令。

（6）自動滅火

當計算結(jié)果高于緊急火災預警閾值時單片機自動運行滅火事件，驅(qū)動繼電器打開滅火彈、噴淋設備等滅火裝置進行滅火。

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

本產(chǎn)品相較于市面上主要側(cè)重于網(wǎng)格化管理、消防智能設備應用和管理的傳統(tǒng)智慧消防系統(tǒng)，共同的趨勢是往大數(shù)據(jù)方面進行演變，但是將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能進行綜合后，可以應用到更多領域，例如配電箱、倉庫、消防或軍事演習等。

3.2 火情檢測的網(wǎng)頁端反饋

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

登錄“智慧消防平臺”Web頁面以后，界面左上角有五個模塊，分別為數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、設備管理、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)；左下方是應用場景，右下方分別有對應各場景的報警記錄和歷史數(shù)據(jù)的鏈接，界面右邊有報警記錄以及關于處理數(shù)、報警數(shù)的記錄。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊

3.3 設備的安裝及應用

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信號的覆蓋，能提供正常220 V家用電壓，屬于火災易發(fā)區(qū)域等。

3.3.2 安裝過程

本產(chǎn)品安裝簡單，只須將單片機、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施固定在火災易發(fā)處即可。

3.3.3 主要使用流程

在消防設備部署完成后，用戶可以登錄微信小程序或者網(wǎng)頁去查看部署地點的火災等級以及傳感器接收到的信息，后端會根據(jù)收集到的信息自動判斷火災等級，最高為一級，最低為五級。當火災等級為較高的一級、二級時系統(tǒng)會給用戶發(fā)預警信息，用戶可以調(diào)用預設地點的攝像頭查看是否發(fā)生火災，由用戶自己判斷是否需要滅火；當火災等級較高時，系統(tǒng)會自動下發(fā)執(zhí)行滅火指令。

4 結(jié) 語

隨著近年來物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展愈發(fā)蓬勃，底層感知技術越來越精細，無線傳輸設備的信息傳輸越發(fā)穩(wěn)定多樣，智能終端設備功能日益強大，在此背景下智慧消防應運而生。本文設計了一種基于NB-IoT的智慧消防監(jiān)測預警系統(tǒng)，系統(tǒng)中采集環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器起到了實時監(jiān)控的作用，單片機、LoRa以及一系列滅火裝置起到了對環(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)火情時可以得到及時有效的控制。為防止機器誤判，本系統(tǒng)具有人為干預的功能，將火情監(jiān)測結(jié)果反饋至終端，方便管理員進行清晰觀察與干預操作。系統(tǒng)結(jié)合NB-IoT與LoRa，能夠適應多種場景，包括地下車庫等信號差的環(huán)境。綜述全文，本系統(tǒng)具有實時性強、精準度高、功能多樣、配置方便、操作簡易的特點，可部署于多類場景進行廣泛應用。