智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

連蓮

摘要：為了從根本上解決傳統(tǒng)消防監(jiān)控系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單、無線通信距離短、誤碼率高、網(wǎng)絡(luò)連接繁瑣等問題，設(shè)計(jì)一款功能完善、實(shí)用性強(qiáng)的智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。首先，在完成對(duì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從終端采集終點(diǎn)設(shè)計(jì)、中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、射頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)方面入手，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；其次，從節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計(jì)兩個(gè)方面入手，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；最后，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了全面測(cè)試。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)除了可以實(shí)現(xiàn)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的快速接入，還保證了組網(wǎng)的便捷性，降低了數(shù)據(jù)誤差，使得系統(tǒng)靈敏度得以大幅度提升，同時(shí)，還能提高數(shù)據(jù)傳輸效率和通信距離。

關(guān)鍵詞：智慧消防；物聯(lián)網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：X913.4? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2022）11-0032-03

現(xiàn)階段，LoRa無線通信技術(shù)作為一種常用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸，極大地提高了人機(jī)交互的智能化水平，同時(shí)，還簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜度，降低了數(shù)據(jù)采集誤差，使得應(yīng)用成本降到最低，另外，還保證了遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸效率，極大地提高了系統(tǒng)遠(yuǎn)程報(bào)警監(jiān)控功能和故障排查功能的實(shí)現(xiàn)效果。因此，在LoRa無線通信技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要用到了智能消防安全出口標(biāo)志燈，該標(biāo)志燈除了具有強(qiáng)大的引導(dǎo)功能外，還具有紅外探測(cè)功能、有害氣體檢測(cè)功能、數(shù)據(jù)收發(fā)功能等多種功能，便于用戶全面地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)發(fā)展情況。為了確保所設(shè)計(jì)的智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠更好地滿足復(fù)雜化環(huán)境使用需求，在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)期間，技術(shù)人員要將采集節(jié)點(diǎn)和中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間、傳輸距離、傳輸速率分別設(shè)置為10min、19m、35kbps，同時(shí)，還要盡可能降低溫度數(shù)據(jù)采集誤差，從而確保系統(tǒng)具有功耗低、靈敏度高、誤報(bào)率低等性能。智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集控制、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、采集節(jié)點(diǎn)、中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和5G網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等組成，該系統(tǒng)通過利用LoRa無線網(wǎng)絡(luò)，將采集節(jié)點(diǎn)和中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效連接，使得這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出一對(duì)多的通信模式。通過將采集節(jié)點(diǎn)設(shè)置在智能樓宇內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)重要數(shù)據(jù)信息的全面化采集和整理，中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要用于對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收，并利用5G網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器傳輸相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)，此時(shí)，控制管理中心利用系統(tǒng)PC端隨意登錄和訪問服務(wù)器內(nèi)的重要信息數(shù)據(jù)，同時(shí)，服務(wù)器采用發(fā)送短信的方式，確保管理人員快速與消防救援管理中心之間建立密切的聯(lián)系。

2 智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要用到了兩種節(jié)點(diǎn)，一種是采集節(jié)點(diǎn)，另一種是中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其中，采集節(jié)點(diǎn)用到了STM32F042F6P6微控制器，中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)用到了STM32F030C8T6微控制器。兩款MCU具有良好的運(yùn)行性能，工作頻率高達(dá)50MHz[1]，所使用的存儲(chǔ)器具有高速嵌入性能，為了進(jìn)一步提高技術(shù)人員代碼編寫效率，需要將8位設(shè)備與16位設(shè)備進(jìn)行有效結(jié)合，并將其連接于ARM內(nèi)核中。兩種微控制器對(duì)低功率模式提供了很好的支持作用，完全符合系統(tǒng)低功耗管控相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2.1? 終端采集終點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文所使用的智能消防安全出口標(biāo)志燈完全滿足相關(guān)性能參數(shù)設(shè)置需求，該標(biāo)志燈在原有引導(dǎo)功能的基礎(chǔ)上，還增加了多種實(shí)用功能，例如：紅外探測(cè)功能、煙霧探測(cè)功能、溫度采集功能和外界通信功能等。所有的采集節(jié)點(diǎn)均含有相應(yīng)的ID，在進(jìn)行實(shí)際安裝期間，技術(shù)人員要嚴(yán)格按照建筑平面設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，對(duì)這些采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)安裝[2]，從而保證系統(tǒng)定位功能的實(shí)現(xiàn)效果。一旦現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)突發(fā)安全事件，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)，對(duì)突發(fā)安全事件出現(xiàn)的具體位置進(jìn)行精確定位。采集節(jié)點(diǎn)所起到的核心作用為：通過全面采集和精確監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相關(guān)參數(shù)，向中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳輸溫度、有害氣體濃度以及火情情況等相關(guān)信息，同時(shí)，還要借助控制中心采用遠(yuǎn)程管控的方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行管控，便于及時(shí)處理現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的異常情況，從而有效保障人們的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全[3]。

2.2? 中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要用于對(duì)相關(guān)重要信息數(shù)據(jù)的接收或者上傳，確保系統(tǒng)具有強(qiáng)大的檢測(cè)功能，中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了充分發(fā)揮和利用中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)將該節(jié)點(diǎn)設(shè)置在LoRa無線通信網(wǎng)絡(luò)接收區(qū)域內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所上傳信息數(shù)據(jù)的采集處理，然后對(duì)這些采集好的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列打包處理[4]，在此基礎(chǔ)上，還要采用UDP透?jìng)髂Ｊ剑?G網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器傳輸重要信息數(shù)據(jù)，以保證信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃浴?/p>

2.3? 射頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

射頻結(jié)構(gòu)在具體設(shè)計(jì)中主要用到了擴(kuò)頻調(diào)制跳頻技術(shù)，通過利用該技術(shù)可以最大限度提高系統(tǒng)靈敏度，此外，通過采用LoRa鏈接預(yù)算模式可以拓展通信范圍，使得系統(tǒng)的通信性能得以大幅度提高。為了進(jìn)一步提高LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、安全性和靈活性，技術(shù)人員要在利用擴(kuò)頻調(diào)制帶寬的基礎(chǔ)上不斷增加多個(gè)發(fā)射信號(hào)的抗干擾性能。另外，射頻結(jié)構(gòu)為用戶提供了帶寬選擇功能，便于用戶根據(jù)自身的需求，選用合適的帶寬，該射頻結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻因子最小值為6，最大值為12，有效地覆蓋了各個(gè)可用的頻道[5]。

3 智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1? 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)主要用于現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)相關(guān)信息數(shù)據(jù)的完整化、全面化采集，此外，利用無線射頻網(wǎng)絡(luò)可以向中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)，還能利用5G網(wǎng)絡(luò)模塊向服務(wù)器傳輸相應(yīng)的終端數(shù)據(jù)[6]。采集節(jié)點(diǎn)在實(shí)際運(yùn)用中需要借助中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)從控制中心獲取到相應(yīng)的報(bào)文命令幀，并對(duì)數(shù)據(jù)的正確性和有效性進(jìn)行校驗(yàn)，經(jīng)過校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)命令幀數(shù)據(jù)真實(shí)有效，再將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街欣^網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)并呈現(xiàn)在PC端屏幕上。

3.2? 應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議設(shè)計(jì)水平的提高在控制傳輸數(shù)據(jù)的丟包率方面具有重要作用，數(shù)據(jù)在實(shí)際傳輸期間一旦出現(xiàn)傳輸異常，將會(huì)導(dǎo)致解壓后的數(shù)據(jù)包出現(xiàn)不完整性，最終降低了所采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性和正確性[7]。該系統(tǒng)應(yīng)用層在具體設(shè)計(jì)中主要采用了自定義協(xié)議設(shè)計(jì)方式，對(duì)所采集好的終端數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列打包處理，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该鞫取榱藢?shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的安全化發(fā)送和接收，需要利用CRC16校驗(yàn)算法，對(duì)接收設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化處理，確保數(shù)據(jù)能夠安全、可靠地傳輸，同時(shí)，數(shù)據(jù)可以從系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)街欣^網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)成功構(gòu)建并投入使用后，中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)之間通常存在一定的映射關(guān)系，該映射關(guān)系呈現(xiàn)出一對(duì)多狀態(tài)。此外，采集節(jié)點(diǎn)與中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間可以構(gòu)建相應(yīng)的連接關(guān)系，該連接關(guān)系可以呈現(xiàn)出一對(duì)一狀態(tài)[8]。采用廣播實(shí)現(xiàn)的方式全面了解和把握中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的覆蓋情況，同時(shí)還要采用遠(yuǎn)程管控的方式對(duì)所有采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一化管理[9]。該系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)中還可以利用下發(fā)報(bào)文命令，全面查看和了解該標(biāo)志燈的設(shè)備信息、功能狀態(tài)以及運(yùn)行時(shí)間等相關(guān)信息，為后期故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)創(chuàng)造良好的條件。

4 智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試與分析

通過將智能消防標(biāo)志燈安裝和固定于地下停車場(chǎng)位置處，并完成對(duì)系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境的搭建，然后對(duì)該標(biāo)志燈的運(yùn)行性能進(jìn)行有效檢驗(yàn)。在對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試期間，所涉及的節(jié)點(diǎn)類型包含中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和終端采集節(jié)點(diǎn)兩種，其中中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為4個(gè)，利用該節(jié)點(diǎn)可以向服務(wù)器內(nèi)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，然后利用第三方短信服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的有效接收，同時(shí)還能借助PC端訪問服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看。此外，還要在構(gòu)建樓層復(fù)雜環(huán)境的基礎(chǔ)上對(duì)海量數(shù)據(jù)接收過程進(jìn)行全面化測(cè)試，在整個(gè)測(cè)試期間需要將射頻中心頻率、發(fā)射功率、串口波特率分別設(shè)置為433MHz、20dBm、1152000bps。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)傳輸速度最小值為139bps，最大值為37349bps，接收法的靈敏度達(dá)到了-138.5dBm，完全符合系統(tǒng)靈敏度設(shè)置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。當(dāng)終端采集點(diǎn)處于所設(shè)置好的墻壁狀態(tài)下，使用無線通信網(wǎng)絡(luò)可以將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的衍射范圍控制在20m以上，完全符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，這說明本文所設(shè)計(jì)的智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的通行能力。LoRa射頻通信的不斷提升有效地證明了該系統(tǒng)具有較高的網(wǎng)絡(luò)通信穿透能力，完全符合樓宇自動(dòng)化控制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

為了更好地驗(yàn)證該系統(tǒng)在AD采集轉(zhuǎn)換方面所表現(xiàn)出的性能，需要在25℃的室溫下執(zhí)行溫度采集測(cè)試并將總測(cè)試次數(shù)設(shè)置為100次，該系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)采集能力，采集精度可達(dá)到92%，完全符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

5 結(jié)語

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中表現(xiàn)出較高的抗干擾性能，同時(shí)還簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議內(nèi)容，使得誤碼率降到了最低，數(shù)據(jù)采集正確率提升至93％。該系統(tǒng)科學(xué)地應(yīng)用了5G網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，使系統(tǒng)的運(yùn)行性能得以大幅度提升，為后期消防工作的開展提供了重要的平臺(tái)支持，為進(jìn)一步提高智慧城市建設(shè)服務(wù)水平創(chuàng)造了良好的條件。

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Design and implementation

of intelligent firefighting IOT monitoring system

Lian Lian

（Tianjin Dongli District Fire and Rescue Brigade，Tianjin 300300）

Abstract：In order to fundamentally solve the problems of traditional fire monitoring system with simple function， short wireless communication distance， high bit error rate and cumbersome network connection， a smart fire IOT monitoring system with perfect function and high practicality is designed. Firstly， on the basis of completing the overall structure design of the system， the system hardware design is completed from three aspects of terminal collection endpoint design， relay gateway node design and RF structure design; secondly， the system software design is completed from two aspects of node software design and application layer communication protocol design; finally， the system performance is tested comprehensively. The results show that： the designed intelligent firefighting IOT monitoring system can realize fast access to the interconnection network， but also ensure the convenience of networking， reduce the data error， make the system sensitivity can be greatly improved， at the same time， it can also improve the data transmission efficiency and communication distance.

Keywords：intelligent firefighting; Internet of things; monitoring system