基于NB-IoT的高可靠智慧消防系統研究與開發*

徐 輝，熊書明，劉思純

（江蘇大學計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮江 212013）

隨著信息技術的不斷發展，構建智慧城市逐漸成為現代化城市建設的重要目標，而網絡化智慧消防系統研究與應用，有助于智慧城市進一步發展。物聯網（Internet of Things，IoT）可實現萬物互聯，將物理世界中的對象通過Internet連成一個復雜系統，并使其具有接收數據和發送數據的能力[1]，其在城市智慧消防管理中的應用能夠使得城市管理更加精細化、動態化、信息化和智能化。作為物聯網通信技術快速發展的一個重要方面，窄帶物聯網（Narrow Band-IoT，NB-IoT）的研究和應用得到越來越多的關注[2-3]。

第三代合作伙伴計劃 （3rd Generation Partnership Project，3GPP）在Rel-13中引入了一種專門用于海量機器類通信的全新無線接口——NB-IoT，該接口在許可的蜂窩頻譜上工作，并且與長期演進技術/長期演進技術升級版（Long Term Evolution/Long Term Evolution-Advanced，LTE/LTEA）系統兼容[4]，同時，具有深度室內穿透性能，非常適合室內應用。

本研究利用NB-IoT的重復傳輸機制、透明傳輸技術，開發高可靠智慧消防管理系統，在信噪比較低的接收環境下，通過增加重傳次數來大幅降低誤碼率，從而提高數據傳輸的可靠性。

1 系統方案

1.1 基于NB-IoT的網絡架構設計

本文設計的基于NB-IoT的高可靠智慧消防系統的網絡架構包含NB-IoT網絡、物聯網云、終端應用3個部分，見圖1。

圖1 基于NB-IoT的網絡架構

1）NB-IoT網絡部分。負責上傳原始消防數據信息應用于遠程服務，并保證用戶命令在硬件層的順利執行。詳細工作流程如下：在數據上傳階段，STM32微處理器將監測對象中傳感器感知的溫度、煙霧濃度等實時數據進行處理，并通過Serial串行口發送到NB-IoT模塊，NB-IoT模塊將數據打包為預先通過AT指令配置的受限應用協議（Constrained Application Protocol，CoAP）數據報發送到本地服務器，本地服務器解析后，經過初步處理分析打包為消息隊列遙測傳輸協議 （Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議報文，發送云端；在命令執行階段，本地服務器接收由云端轉發的命令信息，分析處理后，打包成CoAP報文交到設備的NB-IoT模塊，NB-IoT模塊通過預設的格式解析報文，并將命令交給STM32執行（如驅動蜂鳴器報警）。

2）物聯網云部分。負責遠程應用接入。詳細工作流程如下：應用下發命令時，通過預先設定的規則引擎將命令轉發到NB-IoT網絡，同理，命令執行完畢返回數據時，數據由云端通過規則引擎返回應用服務器。

3）終端應用部分。提供用戶遠程操作消防系統硬件的平臺。用戶可通過超文本傳輸協議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）訪問消防預警遠程控制服務，進行硬件控制以及實時數據可視化分析與展示。

1.2 功能模塊結構設計

基于NB-IoT的高可靠智慧消防系統的功能模塊采用分層體系結構，包括硬件層、網絡層和應用層，見圖2。

圖2 功能模塊

1）硬件層。由感知模塊、預警模塊和滅火模塊組成。當火災發生時，溫度的變化是其最顯著特征之一，溫度升高的同時伴隨著濃煙產生，故選用溫度傳感器和煙霧濃度傳感器作為系統感知模塊。預警模塊和滅火模塊則分別選擇了蜂鳴器和花灑。

2）網絡層。由NB-IoT模塊、云平臺與各服務器組成。構建了硬件層與應用層之間的數據通道，從而保證系統可靠的數據傳輸。

3）應用層。由火情查看、設備詳情等模塊組成。提供了可供用戶便捷操作的界面，滿足用戶實時觀測火情的需求，并提供了控制消防設備功能，便于設備管理。

2 NB-IoT模塊設計與NB-IoT網絡仿真

2.1 NB-IoT模塊

系統的NB-IoT模塊選用M6710，其在NB-IoT網絡模式下，下行數據傳輸速率可達125 kb/s，上行速率可達150 kb/s，并內置了傳輸控制協議/網際協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）、用戶數據包協議（User Datagram Protocol，UDP）、MQTT、輕量級機器對機器 （Lightweight Machine to Machine，LwM2M）和CoAP等工作協議，可便捷連接到運營商及主流云平臺。其中，CoAP是一種固定的收發器機制，并且易于操作，通過配置相關的服務器地址和端口號即可創建UDP套接字，實現設備與服務器之間的透明傳輸。為了使系統簡單、可靠和便捷，選擇了CoAP模式作為M6710的工作模式。

2.2 NB-IoT網絡仿真

為證明NB-IoT技術的數據傳輸可靠性，研究采取了仿真實驗策略，選擇NS3作為仿真驗證平臺，其LTE模塊經過充分測試，被證明可以作為開發NB-IoT模塊的基礎，并支持長期演進技術-授權頻段的協助接入 （Long Term Evolution-Licensed Assisted Access，LTE-LAA）的擴展[5]，而LTELAA的NS3擴展可通過適當地調整NS3中LTE參數來進行NB-IoT網絡分析，有助于評估NB-IoT的可靠性。

網絡仿真過程中，在固定的區域內，隨機放置250臺NB-IoT設備（圖3中懸浮的深色圓點設備），并按照標準定義在單個物理資源塊（Physical Resource Block，PRB）上設置23 dBm的功率。假定NB-IoT設備是固定的，并向與其連接的NB基站（圖3中與2個淺色圓點設備相連接的深色圓點設備）發送固定大小的數據包，包長為20 B；在處于由多個NB基站覆蓋的情況下，NB-IoT設備始終連接到最近的接入節點。每個NB基站放置3個定向天線并以43 dBm的功率進行傳輸，同時模擬了本地服務器（圖3中與深色圓點設備相連接的2個淺色圓點設備）和云端，用于實際測試與評估，網絡仿真結果見圖3。

圖3 NB-IoT網絡仿真結果

用于網絡仿真分析的參數設置如下：用戶設備數量為250臺；用戶設備發射功率為23 dBm；NB基站發射功率為43 dBm；NB基站數量為20個；NB基站的LTE帶寬為832~864 MHz；發射模式為SISO；包長為20 B；重復次數為32次。

3 系統應用層設計

系統基于物聯網云設計了消防預警遠程控制應用，主要功能包括火災預警和防火設備情況查看。

3.1 火災預警功能

功能詳細實現過程如下。以5 s為周期定期喚醒微處理器以進行火災狀態查詢，判斷當前地區是否出現火災。若判斷出現火災，觸發火災預警程序。微處理器獲取各火災特征參量感知設備數據，并激活NB-IoT模塊以將各參量發送至應用服務器，由應用服務器判斷各參量是否超過規定閾值。若超過閾值，激活電機，打開蜂鳴器和花灑；若未超過閾值，則立即跳出當前中斷子程序。如果有其他中斷子程序，則進入執行；否則，進入休眠，等待下一次被喚醒。火災預警功能的偽代碼如下。

Begin

休眠5 s;

激活微處理器以獲取各火災特征參量;

激活NB模塊,由NB模塊將數據發送到本地服務器;

通過云端將數據轉發給應用服務器;

If(火災特征參量超過閾值) {

下發打開蜂鳴器和花灑的命令;

}else{

下發關閉蜂鳴器和花灑的命令;

}

云端將命令轉發給本地服務器;

本地服務器處理后發送到設備NB模塊;

微處理器通過串行口接受數據;

If(打開){

打開蜂鳴器和花灑;

}else{

關閉蜂鳴器和花灑;

}

End

3.2 防火設備情況查看功能

功能詳細實現過程如下。防火設備情況查看程序通過外部中斷按鈕啟動。當用戶進入或刷新應用的火情查看或設備詳情模塊時，都會向服務器發送防火設備情況查看指令，服務器接收到指令后通過MQTT協議將其發送到云端，由云端轉發至本地服務器，最后由NB-IoT模塊接收指令信息，解析后發送到微處理器串行口，由微處理器獲取各防火設備情況信息；若獲取不到，代表該設備出現了問題，返回為null。獲取完畢后，通過NB-IoT模塊將信息返回，由應用服務器處理后顯示用戶界面。防火設備情況查看功能的偽代碼如下。

Begin

用戶進入或刷新火情查看或設備詳情模塊;

應用服務器接收到設備情況查看指令,并將其打包發送到云端;

云端將指令發送給本地服務器;

本地服務器發送到設備NB模塊;

微處理器收集設備信息;

If(可以收集到) {

通過NB模塊將信息返回應用服務器;

}else{

通過NB模塊返回null給應用服務器;

}

應用服務器將信息處理后顯示到應用界面;

End

4 系統測試與分析

4.1 NB-IoT可靠性測試與分析

為測試NB-IoT技術的數據傳輸可靠性，基于圖3的網絡結構和網絡仿真結果，定義了NB-IoT仿真網絡數據傳輸接收率為整個網絡發送包數量與接收包數量之比，即

隨機選擇區域中10個NB-IoT設備，令其發送50次數據（每次發送1個包），在本地服務器記錄BR。網絡仿真過程中共進行了5次實驗，NB-IoT模塊可靠性測試結果見表1。BR分別為498，500，498，496，499，ρ的平均值為99.64%。以上結果表明，實際效果與預期一致，系統的NB-IoT通信模塊具有高連接可靠性。

表1 NB-IoT模塊可靠性測試結果

4.2 遠程訪問模塊

遠程訪問模塊包括4個一級目錄，分別為消防監測、消防控制、系統管理和消防日志。消防監測目錄下存在2個二級目錄，分別為火情查看和設備詳情。用戶可通過火情查看界面查看監測地區的火情（如室內溫度、室內煙霧濃度），當發生火情（即數據超過閾值）時，可通過火情查看界面左下方的消防負責人聯系方式模塊及時通知消防人員；火情查看界面右下方為節點故障功能統計模塊，當達到一定節點數量之后，管理人員可通知維修人員進行檢修。火情查看界面的用戶部分可視化操作見圖4。

圖4 火情查看界面的用戶可視化操作

5 結束語

本研究提出了一種基于NB-IoT的高可靠智慧消防系統設計方案。該系統通過感知設備檢測火災情況，應用NB-IoT通信技術、CoAP和MQTT協議等，實現了用戶對火情和設備情況的實時監測。

同時，通過比較火災特征參量數值與規定值，進行火災預警，達到了預期功能。隨著智慧消防系統的研究和應用，能夠使得越來越少的人遭受火災傷害。