基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧消防平臺架構設計

摘 要：本文闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧消防平臺架構設計，項目整體基于5G網(wǎng)絡、移動OneNET平臺實現(xiàn)物聯(lián)設備的接入，云平臺主要使用Spring、Apache Dubbbo等主流技術來實現(xiàn)，整體架構可擴展性高、運營成本低，云平臺市場前景好。

關鍵詞：NB-IOT;OneNET;Dubbbo; 消防;物聯(lián)網(wǎng)

1 引言

我司新一代智慧消防平臺是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算等現(xiàn)代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監(jiān)控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網(wǎng)絡，并對這些設備的狀態(tài)進行智能化感知、識別、定位，實時動態(tài)采集狀態(tài)、告警信息，通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學預警火災、網(wǎng)格化管理、落實多元責任監(jiān)管等目標。填補了原先針對“九小場所”和?；飞a企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白。

在統(tǒng)一的平臺內運行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現(xiàn)細節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、APP推送等手段，迅速通知相關人員。

項目于2020年4月啟動，成立了由8個人組成的項目組，作為技術部負責人，我主要負責需求分析和系統(tǒng)架構設計，并完全負責該項目的管理。經(jīng)過6個月研發(fā)、測試，平臺正式上線，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，獲得了領導和客戶的認可。

2 系統(tǒng)架構

2.1 邏輯架構

所有物聯(lián)設備通過移動NB-IOT網(wǎng)絡連接到移動OneNET平臺，智慧消防平臺通過接口與移動OneNET平臺進行交互。OneNet平臺采用HTTP及時把設備上報的信息推送到平臺開發(fā)的接口層，消息經(jīng)過校驗后再推送到消息隊列里面，實現(xiàn)削峰平流的作用，之后是由業(yè)務分析引擎對消息進行處理和告警通知等，見圖1所示。

2.2 物理架構

系統(tǒng)是在阿里云進行部署的，業(yè)務應用采用多節(jié)點部署在由多個ECS上組成集群，緩存使用的是阿里云的Redis服務，數(shù)據(jù)庫使用的MySQL讀寫分離，接入層使用的阿里云的SLB進行負載均衡處理，WEB層使用Nginx進行分發(fā)請求。會話狀態(tài)是使用的Redis來存儲的，消息隊列使用的是RabbitMQ，即時消息使用的WebSocket來實現(xiàn)，如圖2所示。所有后端應用均采用多節(jié)點部署以防止單點故障。

2.3 技術架構

根據(jù)系統(tǒng)特點，主要從系統(tǒng)業(yè)務功能特性、系統(tǒng)性能、擴展性、維護性以及穩(wěn)定性方面考慮，同時兼顧考慮客戶特性等方面進行技術選型。項目采用前后端分離技術，后端整體使用流行的Java語言開發(fā)，用Maven進行依賴管理，采用Spring作為業(yè)務框架進行構建（Spring AOP、Spring MVC等組件）。使用Apache Dubbo作為微服務調用框架，Nacos作為注冊和配置中心，Seata作為分布式事務管理器，使用Quartz作為系統(tǒng)定時任務調度器，見圖3所示。前端使用的Vue + Element UI框架，流行度和成熟度也是非常高的。

對于架構設計而言，無論從展現(xiàn)層，還是業(yè)務層、數(shù)據(jù)層以及事務控制管理等方面使用的技術和框架，都是目前業(yè)界非常主流的、應用范圍非常廣泛、性能表現(xiàn)非常優(yōu)秀的技術和框架。架構設計的展現(xiàn)層技術能夠較好滿足系統(tǒng)界面需求以及客戶使用習慣需求，實現(xiàn)跨平臺部署和運行的目的。

3 智慧消防平臺功能設計

基于現(xiàn)有消防安全監(jiān)管的需要，平臺針對不同角色設計了相應的功能，具體模塊見下表。運營后臺是提供給平臺管理用的，主要進行租戶管理及設備類型的設置等;監(jiān)管單位支持多級組織的分級監(jiān)管，上線可以看到下級的所有單位的運行數(shù)據(jù);業(yè)主單位是指具體實施安裝消防設備的單位，為了日常維護方便，提供通過公眾號進行安裝設備和巡檢的功能。主要功能見表1。

4 具體設計與實現(xiàn)

4.1 設備管理層

設備類型管理用于管理各硬件廠家的各種類型的設備，通過參數(shù)配置實現(xiàn)統(tǒng)一接入的需求：主要參數(shù)包括設備分類、數(shù)據(jù)上報周期、接入?yún)f(xié)議、巡檢項目等。物聯(lián)設備都是通過IMEI號進行唯一識別的。設備添加的時候關聯(lián)到具體的點位平面圖上，方便進行告警展示。設備管理會收集電量、信號強度等，會進行檢驗提醒及報廢提醒。

4.2 設備接入層

平臺可以接入物聯(lián)設備及非物聯(lián)設備：非物聯(lián)設備包括各種傳統(tǒng)的滅火器、室內消火栓、室外消火栓等;而物聯(lián)設備則主要包括新一代煙霧感應器、可燃氣體感應器、門磁報警器、水壓檢測器、水位檢測器、溫度感應器等。

對于物聯(lián)設備，使用的是中國移動的NB-IOT卡，使用LwM2M協(xié)議直接與移動基站進行聯(lián)接入網(wǎng)。OneNET是由電信供應商中國移動打造的高效、穩(wěn)定、安全的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺：支持適配各種網(wǎng)絡環(huán)境和協(xié)議類型，可實現(xiàn)各種傳感器和智能硬件的快速接入，滿足物聯(lián)網(wǎng)領域設備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全以及大數(shù)據(jù)分析等平臺級服務需求。

智慧消防平臺通過API在OneNET上通過設備的IMEI號來添加設備，實現(xiàn)設備的綁定，調用刪除指令來解除設備的綁定。設備綁定后，平臺會自動把設備的上線、下線、心跳消息通過HTTP協(xié)議主動推送給智慧消防平臺。設備在警情發(fā)生時會立即上線并發(fā)送消息給OneNET平臺，OneNET平臺收到消息會立即轉發(fā)給智慧消防平臺，以此來實現(xiàn)告警信息的及時傳傳遞。設備在平時處于休眠狀態(tài)，以節(jié)省電池消耗。

智慧消防平臺收到消息后，會進行消息驗簽，通過驗證的消息會投遞到RabbitMQ的隊列中。

4.3 協(xié)議適配層

平臺建立不同廠家不同設備的編碼庫，并且根據(jù)設備的具體協(xié)議開發(fā)適配器，收到消息后，根據(jù)設備類型獲取其對應的適配器進行解析，轉化成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型提供給數(shù)據(jù)處理層。

4.4 數(shù)據(jù)處理層

應用集群采用分布式部署，監(jiān)聽隊列的消息，根據(jù)消息類型進行處理：上下線消息、心跳直接入庫，并對設備的狀態(tài)進行相應的調整;告警、故障內消息會根據(jù)等級（高、中、低）進行相應的處理，高級的告警會電話的短信通知到對應單位的消防值班人員，其它的告警及故障信息會在平臺的大屏上彈窗顯示。

數(shù)據(jù)處理層是架構設計的核心，需要考慮海量數(shù)據(jù)的存取。所以系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務進行拆分，主要分為：基礎服務，設備管理服務，設備狀態(tài)服務，告警服務，巡檢服務等。不同服務使用獨立的數(shù)據(jù)庫，以降低數(shù)據(jù)庫的壓力;狀態(tài)數(shù)據(jù)按時間歸檔，主庫只保留最近3個月的數(shù)據(jù)，過期的數(shù)據(jù)按月進行歸檔;平臺使用對象緩存，通過AOP攔截實現(xiàn)緩存及刷新。

4.5 智能處理層

采用行業(yè)主流的流式數(shù)據(jù)處理引擎對設備上報的數(shù)據(jù)進行進一步的加工和分析，基于大量的歷史告警及設備故障數(shù)據(jù)，通過不斷調整規(guī)則引擎算法，實現(xiàn)最優(yōu)的采購推薦及警情預測。

4.6 統(tǒng)計分析層

平臺提供大量統(tǒng)計報表，可以根據(jù)監(jiān)管的不同層級進行數(shù)據(jù)匯總展示，主要的統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括：告警統(tǒng)計、故障統(tǒng)計;實時的設備狀態(tài)統(tǒng)計;巡檢情況統(tǒng)計;實時的告警信息等。對于非實現(xiàn)的統(tǒng)計，平臺采用定時任務的方式，每隔一定的時間自動拉取最新的數(shù)據(jù)進行聚合運算，生成統(tǒng)計數(shù)據(jù)供展示和查詢使用。

5 總結

綜合來看NB-IoT有海量連接、深度覆蓋、低成本、超低功耗、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢。OneNET平臺則具有降低企業(yè)研發(fā)、運營和運維成本的優(yōu)勢。本平臺充分利用現(xiàn)有成熟的技術進行融合設計，既滿足了業(yè)務需求又降低了用戶的使用成本，獲得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

在5G網(wǎng)絡下，產業(yè)中所有的基礎設施、生產設備、各種電子產品都將被連接起來，更多的創(chuàng)新空間隨之而生，傳統(tǒng)產業(yè)將迎來非常巨大的市場機遇。連接賦能的重點業(yè)務也將廣泛的拓展。技術的革新帶來的是更加低成本的應用和更好的業(yè)務體驗，萬物互聯(lián)的時代已經(jīng)到來。我司正是基于行業(yè)的發(fā)展趨勢構建了新一代智慧消防平臺，基于其強大的感知功能，必將改變消防監(jiān)管的方方面面，相信在不久的將來會迎來大規(guī)模的推廣和使用。

參考文獻

[1]李菁，葉卓映.NB-IoT技術及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應用研究[J].無線互聯(lián)科技，2019，10：11-12.

[2]吳先洪 車輝 楊波 邢慧芬 樊玉琦.基于大數(shù)據(jù)的智慧消防系統(tǒng)架構探討[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2021，6：47-54.

[3]于曉虹.微服務架構在分布式系統(tǒng)的設計和應用[J].電子技術與軟件工程，2021，6：28-29.

作者簡介：蒲邦雄，男，四川省南部縣人，1982年4月生人，漢，大學本科，工程師，目前就職于有伴（上海）智能科技有限公司，主要研究方向為軟件系統(tǒng)架構