基于6LoWPAN的高校智慧消防服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

施榮華 余爾航 胡超

摘 要：高校智慧消防服務(wù)平臺(tái)以IPv6物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，采用6LoWPAN協(xié)議和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)6to4隧道技術(shù)，基于MIPS微處理器和OpenWrt操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了支持6LoWPAN無(wú)線通信協(xié)議和IPv4協(xié)議的融合網(wǎng)關(guān)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建高校智慧消防服務(wù)平臺(tái)，并以IPSec和云盾保障服務(wù)平臺(tái)的安全性和服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)高校各校區(qū)各建筑的消防狀況遠(yuǎn)程、全面、集中化管理，確保校園的消防安全。測(cè)試結(jié)果表明，該方案可行性高、組網(wǎng)方便、易于維護(hù)和升級(jí)。

關(guān)鍵詞：IPv6;6LoWPAN;智慧消防;智能設(shè)備;智能網(wǎng)關(guān);OpenWrt

中圖分類號(hào)：TP391.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）11-00-04

0 引 言

近年來(lái)消防安全形勢(shì)嚴(yán)峻，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和發(fā)生幾率居高不下。由于高校中存在各類大型實(shí)驗(yàn)室，危化品使用頻繁，導(dǎo)致高校火災(zāi)在全國(guó)各類火災(zāi)中占很大比例，并且高校中消防設(shè)備監(jiān)管和消防安全管理的工作存在基數(shù)較大、狀態(tài)多變等特點(diǎn)，傳統(tǒng)消防安全管理模式難以有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜的突發(fā)性消防事故，針對(duì)高校中傳統(tǒng)消防模式無(wú)法滿足當(dāng)前消防安全需求的問題，通過(guò)引入6LoWPAN無(wú)線通信協(xié)議對(duì)消防設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)消防狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，對(duì)消防部門人員值班巡檢進(jìn)行管理，保證所有消防設(shè)備隨時(shí)待命，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備非正常運(yùn)行或出現(xiàn)緊急消防事件時(shí)可及時(shí)報(bào)警并采取應(yīng)急預(yù)案，以保障師生生命財(cái)產(chǎn)安全。本文在此基礎(chǔ)上研究了基于6LoWPAN的高校智慧消防服務(wù)平臺(tái)。

文獻(xiàn)[1]提出一種基于互聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)防控云平臺(tái)，該系統(tǒng)平臺(tái)采用個(gè)人計(jì)算機(jī)（Windows）+移動(dòng)設(shè)備（Android）模式，但未對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集協(xié)議進(jìn)行描述;文獻(xiàn)[2]提出一種基于藍(lán)牙傳感器的智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過(guò)BIM技術(shù)查明火災(zāi)地點(diǎn)、范圍，分析火勢(shì)蔓延方向，制定滅火策略，但使用藍(lán)牙協(xié)議使得系統(tǒng)的功耗較大，不適用于大范圍部署;文獻(xiàn)[3-4]提出一種基于ZigBee的智慧消防物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，但由于ZigBee協(xié)議限制，數(shù)據(jù)量相比6LoWPAN更大，傳輸距離較短，不易與互聯(lián)網(wǎng)融合;文獻(xiàn)[5]提出一種基于LoRa技術(shù)的智慧消防報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有長(zhǎng)距離、廣覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，但終端信道接入方法采用純ALOHA機(jī)制，終端無(wú)信道檢測(cè)直接發(fā)送，隨著終端或數(shù)據(jù)包數(shù)量增多，多個(gè)包在信道上發(fā)生碰撞的概率增大，極易產(chǎn)生沖突，不適用于高校消防系統(tǒng);文獻(xiàn)[6]提出一種基于6LoWPAN的大氣環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，但其系統(tǒng)功能比較單一，且未給出監(jiān)控終端和6LoWPAN節(jié)點(diǎn)之間IPv6通信的解決方法。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外智慧消防建設(shè)取得了不少理論研究和工程經(jīng)驗(yàn)成果，但目前關(guān)于“智慧消防”的建設(shè)還存在信息孤立、基礎(chǔ)核心平臺(tái)建設(shè)不全等問題。

針對(duì)以上問題，本文通過(guò)6LoWPAN良好的互操作性來(lái)解決信息孤立問題，6LoWPAN支持與其他IEEE 802.15.4設(shè)備互通，同時(shí)也支持與其他IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。通過(guò)設(shè)計(jì)基于消防大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)控制層，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，對(duì)消防設(shè)備進(jìn)行智能化控制，實(shí)現(xiàn)服務(wù)平臺(tái)的智能化。同時(shí)，通過(guò)調(diào)用高校中原有的消防和安保設(shè)備，集合成大安全概念網(wǎng)，對(duì)高校師生和財(cái)產(chǎn)進(jìn)行全面保護(hù)，構(gòu)建組網(wǎng)方便、功能完善、易于維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)的創(chuàng)新型高校智慧消防服務(wù)平臺(tái)。

1 服務(wù)平臺(tái)功能需求和總體設(shè)計(jì)

1.1 服務(wù)平臺(tái)功能需求

服務(wù)平臺(tái)需求如下。

（1）設(shè)備管控集中化。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)高校內(nèi)消防設(shè)備、環(huán)境及安防狀態(tài)、設(shè)備能耗等進(jìn)行智能感知、集中統(tǒng)一管理和自動(dòng)控制。

（2）消防管理智能化。消防設(shè)備和消防狀態(tài)的狀況通過(guò)圖表等可視化形式展示，一鍵單獨(dú)或批量監(jiān)控所有設(shè)備和狀態(tài)，出現(xiàn)消防問題自動(dòng)向后臺(tái)報(bào)警并通知管理員。

（3）管理系統(tǒng)平臺(tái)化。在基礎(chǔ)硬件設(shè)施上，依托消防大數(shù)據(jù)的支持和保障，建立可視化綜合管理服務(wù)平臺(tái)，打造一個(gè)信息化高校消防安全網(wǎng)絡(luò)。

1.2 服務(wù)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

基于IPv6物聯(lián)網(wǎng)的高校智慧消防服務(wù)平臺(tái)的整體框架如圖1所示。服務(wù)平臺(tái)由4個(gè)部分組成，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)控制層、平臺(tái)應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)采集層通過(guò)傳感器對(duì)消防設(shè)備、消防狀態(tài)和消防部門的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，構(gòu)建底層數(shù)據(jù)庫(kù)，重點(diǎn)在于消防設(shè)施和狀態(tài)信息的采集和標(biāo)準(zhǔn)化。

數(shù)據(jù)傳輸層使用融合網(wǎng)關(guān)，對(duì)數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送和通信以及進(jìn)行部分處理，形成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，融合IPv4網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)控制層和平臺(tái)應(yīng)用層對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控、分類、辨別、定位和管理等應(yīng)用，構(gòu)建可視化的智慧消防服務(wù)平臺(tái)。

2 服務(wù)平臺(tái)部件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集層

由于消防服務(wù)平臺(tái)采集的數(shù)據(jù)種類繁多，所需傳感器種類、信號(hào)類型等各不相同，因此需對(duì)不同消防設(shè)備進(jìn)行分類，使用不同的傳感器進(jìn)行監(jiān)控，如使用智能水表監(jiān)控消防噴淋是否有水，及水壓狀況和消防水泵的開合狀態(tài);使用智能標(biāo)簽定位消防水槍、滅火器、消防急救箱的位置;使用溫感、煙感設(shè)備確保設(shè)備樓棟的狀態(tài)正常等。

針對(duì)高校智慧消防服務(wù)平臺(tái)的功能需求，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集層基于6LoWPAN協(xié)議。6LoWPAN協(xié)議是一種低功耗、短距離、低硬件需求的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[7-9]。6LoWPAN協(xié)議棧如圖2所示。在6LoWPAN協(xié)議棧中，物理層與MAC層采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議，在MAC層和網(wǎng)絡(luò)層之間增加一個(gè)適配層來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的融合，主要功能為壓縮、分片與重組、Mesh路由，以實(shí)現(xiàn)在IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)、低功耗設(shè)備中傳輸IPv6數(shù)據(jù)包。6LoWPAN是一種基于IPv6的協(xié)議，擁有廣闊的地址空間，可以滿足大量節(jié)點(diǎn)的部署需要，并且方便與其他IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，構(gòu)建異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)互通。

底層數(shù)據(jù)的上傳通過(guò)Client/Server方式，數(shù)據(jù)控制層作為客戶端，而數(shù)據(jù)采集層作為數(shù)據(jù)服務(wù)器端。在需要獲取數(shù)據(jù)時(shí)，控制層向采集層發(fā)送請(qǐng)求，采集層接收并響應(yīng)請(qǐng)求后，為控制層提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)。按照實(shí)際的數(shù)據(jù)需求，通過(guò)請(qǐng)求數(shù)據(jù)服務(wù)，控制層即可獲取采集層的所有數(shù)據(jù)。因此，采用Client/Server模式上傳數(shù)據(jù)在提高靈活性的同時(shí)降低了通信流量。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層通過(guò)融合網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的融合，利用OpenWrt配置融合網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)層，通過(guò)在IPv6靜態(tài)分配基礎(chǔ)上使用DHCP動(dòng)態(tài)分配，搭建純IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。通過(guò)6to4隧道技術(shù)使IPv6的信息能通過(guò)IPv4網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)IPv4網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的融合。

融合網(wǎng)關(guān)硬件基于MIPS微處理器的智能網(wǎng)關(guān)接口類型如下。

（1）局域網(wǎng)內(nèi)部接口：無(wú)線（802.11，如WiFi），有線以太網(wǎng)，USB，6LoWPAN。

（2）局域網(wǎng)外部接口：ADSL，有線以太網(wǎng)。

融合網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)層采用Linux OpenWrt操作系統(tǒng)，OpenWrt是用于路由器和嵌入式設(shè)備的GNU/Linux發(fā)行版操作系統(tǒng)，也是一種高度模塊化、自動(dòng)化的嵌入式Linux系統(tǒng)[10]，可以直接通過(guò)Web界面對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置。使用Netfilter框架構(gòu)成內(nèi)核空間，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行過(guò)濾與處理，實(shí)現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換。Netfilter框架通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置若干HOOK來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的控制。通過(guò)在IPv4網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置HOOK，即可在網(wǎng)絡(luò)層中根據(jù)需要來(lái)處理IPv4數(shù)據(jù)包與IPv6數(shù)據(jù)包。

2.3 數(shù)據(jù)控制層與平臺(tái)應(yīng)用層

數(shù)據(jù)控制層與平臺(tái)應(yīng)用層基于大數(shù)據(jù)構(gòu)建消防數(shù)據(jù)可視化服務(wù)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的挖掘分析，實(shí)現(xiàn)消防隱患早發(fā)現(xiàn)、早識(shí)別、早處理，提供不同時(shí)間段、不同類型火災(zāi)發(fā)生幾率，并制定滅火緊急預(yù)案。宏觀把握當(dāng)前消防現(xiàn)狀，科學(xué)預(yù)測(cè)火災(zāi)形式，提升火災(zāi)防控效能。建立可視化界面，將底層數(shù)據(jù)分析結(jié)果以可視化的形式展現(xiàn)，使得用戶能夠直白地觀察消防設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，若出現(xiàn)火災(zāi)險(xiǎn)情，平臺(tái)向用戶和消防部門及時(shí)報(bào)警，盡早發(fā)現(xiàn)盡快處理，防患于未然。通過(guò)串聯(lián)高校原有的消防設(shè)備和安保設(shè)備，建立一個(gè)高校大安全服務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，有效保護(hù)師生以及高校財(cái)產(chǎn)安全。

數(shù)據(jù)控制層基于Linux下的Java環(huán)境搭建Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)底層數(shù)據(jù)。基于Spring Boot框架配置服務(wù)器，搭建GIS應(yīng)用服務(wù)與Web應(yīng)用服務(wù)，在GIS與Web服務(wù)上衍生出報(bào)警、視頻、運(yùn)行狀態(tài)信息等子服務(wù)，并將各自服務(wù)的接口連接到應(yīng)用層，以便應(yīng)用層對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。

應(yīng)用層通過(guò)對(duì)底層數(shù)據(jù)建模，建立可視化界面，使得用戶能通過(guò)服務(wù)平臺(tái)或手機(jī)APP得到各消防設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與高校內(nèi)重點(diǎn)消防安全部位的火災(zāi)報(bào)警信息，并為高校管理層、各二級(jí)學(xué)院、維保單位提供詳實(shí)的高校消防物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，基于Hadoop框架建立大數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過(guò)消防大數(shù)據(jù)研判，統(tǒng)計(jì)分析處置信息，實(shí)現(xiàn)服務(wù)平臺(tái)的智能化。

數(shù)據(jù)控制層與平臺(tái)應(yīng)用層軟件框架如圖4所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試用例

為驗(yàn)證6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的性能，測(cè)試6組實(shí)驗(yàn)，基于占空比分別為0.06、0.12、0.25的ZigBee網(wǎng)絡(luò)與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)測(cè)試各組端到端時(shí)延的累積分布函數(shù)（CDF）與數(shù)據(jù)包投遞率來(lái)判斷其優(yōu)劣。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中允許選擇性地使用超幀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)由信標(biāo)參數(shù)BO（Beacon Order）與超幀參數(shù)SO（Superframe Order）確定。信標(biāo)參數(shù)BO定義了兩個(gè)連續(xù)信標(biāo)之間的時(shí)間間隔，從而確定了超幀發(fā)送周期，該間隔被稱為信標(biāo)間隔BI（Beacon Interval）。超幀參數(shù)SO定義了超幀的活躍時(shí)間，即超幀持續(xù)時(shí)間SD（Superframe Duration），超幀結(jié)構(gòu)的工作周期及占空比（DC）的定義見式（1）：

6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的占空比定義見式（2）：

式中：AI為活動(dòng)間隔;SI為睡眠間隔;Tpkt為數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間;Dtx為數(shù)據(jù)包傳輸之后的延時(shí)，通常設(shè)置為20 ms;Tsend為數(shù)據(jù)包發(fā)送周期。

通過(guò)以上分析，設(shè)置數(shù)據(jù)包發(fā)送周期為20 s，并對(duì)比ZigBee網(wǎng)絡(luò)與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)之間的端到端時(shí)延和數(shù)據(jù)包投遞率。

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

端到端時(shí)延的累積分布函數(shù)如圖5所示。在相同占空比下，6LoWPAN協(xié)議的端到端延時(shí)明顯小于ZigBee協(xié)議。由于在6LoWPAN-1的配置中減小了活動(dòng)間隔，導(dǎo)致平均時(shí)延和標(biāo)準(zhǔn)差增大一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響，故不參與討論。

ZigBee與6LoWPAN的數(shù)據(jù)包投遞率如圖6所示。可以看到，ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失，且由于存在同步故障，當(dāng)信標(biāo)參數(shù)越低時(shí)，丟包率越高。6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)在接收數(shù)據(jù)包方面性能更優(yōu)，如上文所述，6LoWPAN-1不參與討論。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從智能設(shè)備和智能網(wǎng)關(guān)的現(xiàn)狀入手，分析了IPv6協(xié)議和6LoWPAN協(xié)議的優(yōu)勢(shì)，提出了基于6LoWPAN的高校智慧消防服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)6LoWPAN無(wú)線傳感協(xié)議實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)采集的低功耗、高覆蓋。利用6to4隧道技術(shù)設(shè)計(jì)了高適應(yīng)性融合網(wǎng)關(guān)，確保6LoWPAN協(xié)議與IPv4協(xié)議的融合。建立可視化服務(wù)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)消防大數(shù)據(jù)的分析和挖掘，對(duì)消防形勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)并制定解決方案，提升火災(zāi)防控效能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方案切實(shí)可行、組網(wǎng)方便、易于維護(hù)和升級(jí)，能夠進(jìn)一步發(fā)掘消防隱患，提高消防效率，優(yōu)化資源配置，更好地保障師生生命財(cái)產(chǎn)安全。本文對(duì)數(shù)據(jù)采集能耗的優(yōu)化以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的優(yōu)化未做相關(guān)分析和研究，該部分將在后續(xù)工作中完成。

參 考 文 獻(xiàn)

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