基于物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的無線智能消防炮控制系統(tǒng)

秦洪偉，鄧成中

(西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039)

目前，智能消防炮的通信控制方式主要是現(xiàn)場總線通信，如RS485總線通信、CAN總線通信等?；诂F(xiàn)場總線的控制方式一般是通過主從設(shè)備的外圍通信接口間點(diǎn)對點(diǎn)的有線連接及軟件制定通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多機(jī)間的全雙工通信?，F(xiàn)場總線通信方式具有硬件成本較低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、近距離傳輸可靠和速率較高的特點(diǎn)。由于受現(xiàn)場線路距離和現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的限制，該通信方式一般適用小范圍和對滅火要求不高的場合[1]。無線射頻通信控制不僅有現(xiàn)場總線通信的大部分優(yōu)勢，而且其信息輸送范圍不受線路限制，能夠在現(xiàn)場著火的情況下，順利地將信息傳輸至外部控制設(shè)備；但無線射頻通信在大范圍數(shù)據(jù)傳送過程中容易發(fā)生延遲和丟失，當(dāng)多個(gè)從機(jī)設(shè)備向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失和亂碼，最后造成控制失常。為解決當(dāng)前智能消防炮通信控制存在的弊端，筆者設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能消防炮通信控制系統(tǒng)，利用433 MHz無線射頻通信技術(shù)、防碰撞協(xié)議和主從機(jī)安全認(rèn)證協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和傳輸。該系統(tǒng)很好地解決了大范圍內(nèi)無線通信的數(shù)據(jù)丟失、亂碼和信號(hào)延遲的問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成

如圖1所示，該系統(tǒng)的組成主要包括消防炮控制單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)器和中控平臺(tái)。

消防炮控制單元主要實(shí)現(xiàn)火焰探測、炮口位置調(diào)整、噴水電磁閥開關(guān)控制及報(bào)警裝置的啟動(dòng)[2]；無線數(shù)據(jù)收發(fā)器主要實(shí)現(xiàn)消防炮控制單元端和中控平臺(tái)端的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送；中控平臺(tái)主要負(fù)責(zé)對消防炮傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果選擇相應(yīng)的控制策略。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成示意圖

消防炮控制單元采集火焰信號(hào)、消防炮位置、故障信號(hào)和視頻圖像信號(hào)等信息，通過有線數(shù)據(jù)交換方式傳送至消防炮控制單元端的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器；該收發(fā)器將數(shù)據(jù)通過無線通信方式發(fā)送至中控平臺(tái)端的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器；中控平臺(tái)端的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器將接收到的數(shù)據(jù)通過有線數(shù)據(jù)交換方式發(fā)送至中控平臺(tái)；中控平臺(tái)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后根據(jù)預(yù)制策略自動(dòng)選擇控制指令，并通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)器將指令傳輸?shù)较琅诳刂茊卧?，從而?shí)現(xiàn)對消防炮的控制。

2 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在此系統(tǒng)中，筆者采用了STM8S單片機(jī)作為無線數(shù)據(jù)收發(fā)器的主控制器。STM8S系列單片機(jī)具有增強(qiáng)型的全雙工高速同步/異步串口，具有硬件自動(dòng)校驗(yàn)功能，這為主從機(jī)間高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸提供了必要的前提條件。STM8S單片機(jī)還具有多種低功耗模式，外設(shè)的時(shí)鐘可單獨(dú)關(guān)閉，并可在1.65～5.5 V的寬電壓范圍運(yùn)行，能夠滿足消防炮控制系統(tǒng)在內(nèi)部電源供電的情況下實(shí)現(xiàn)低功耗信號(hào)傳輸?shù)囊?。通過設(shè)置STM8S單片機(jī)輸出擺率控制抑制EMC干擾，從而提高工作在復(fù)雜惡劣環(huán)境下的控制器的抗干擾能力[3]。在無線通信芯片方面，筆者采用了美國Silicon Labs公司原裝進(jìn)口的SI4463射頻芯片。它具有接收靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、穿透繞射能力強(qiáng)[3]等特點(diǎn)。

如圖2所示，消防炮控制單元硬件的組成包括電源管理模塊、無線收發(fā)器模塊、主控制器模塊、火焰探測模塊、消防炮俯仰和水平電機(jī)控制模塊、火災(zāi)報(bào)警模塊。電源管理模塊由直流24 V電源輸入并輸出24、5和3.3 V電壓以滿足各模塊對電源電壓的要求。

圖2 消防炮控制單元硬件結(jié)構(gòu)框圖

中控平臺(tái)硬件的組成包括電源管理模塊、無線收發(fā)器模塊、主控制器模塊、火焰報(bào)警模塊、狀態(tài)顯示模塊、控制按鍵模塊和顯示器模塊[4]，如圖3所示。顯示器模塊主要顯示當(dāng)前各消防炮單元工作狀態(tài)；狀態(tài)顯示模塊通過指示燈顯示當(dāng)前中控平臺(tái)工作狀態(tài)；控制按鍵模塊可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)遠(yuǎn)程控制消防炮。

無線通信模塊硬件電路如圖4所示，在本設(shè)計(jì)中根據(jù)SI4463芯片官方手冊對芯片的電氣特性要求[5]，模塊采用DC3.3V供電，主控與模塊間，選用SPI實(shí)現(xiàn)交互通信。為提高SI4463輸出功率(可達(dá)20 dB)，選取電子開關(guān)芯片UPG2214TB進(jìn)行發(fā)送和接收切換(在操作芯片的過程中通過軟件控制GPIO2和GPIO3切換，若不切換，輸出功率會(huì)降低到17 dB)。另外，本模塊與STM8SF103P采用硬件SPI通信，在圖2中SCLK、SDO、SDI、nSEL分別對應(yīng)連接STM8SF103P的SPI時(shí)鐘引腳、SPI數(shù)據(jù)輸出引腳、SPI數(shù)據(jù)輸入引腳、模塊片選輸出引腳。

圖3 中控平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖4 無線通信模塊硬件電路

3 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

程序部分采用模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)用C語言進(jìn)行開發(fā)。主要由4部分組成：主程序控制模塊、通信控制程序模塊、外圍硬件控制程序模塊、中斷處理程序模塊。主程序控制模塊主要完成各個(gè)模塊的初始化和參數(shù)配置；通信程序控制模塊主要對SI4463芯片的參數(shù)配置、收發(fā)數(shù)據(jù)防碰撞協(xié)議和安全認(rèn)證協(xié)議的處理；外圍硬件控制模塊主要對系統(tǒng)外部LED燈指示、按鍵處理和控制消防炮運(yùn)動(dòng)姿態(tài)電機(jī)及噴水電磁閥；中斷處理主要處理系統(tǒng)中斷。主程序及中斷處理流程如圖5所示。

主循環(huán)程序中主要配置了數(shù)據(jù)的發(fā)送、數(shù)據(jù)處理和中斷使能控制。中斷處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收處理和對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)外部消防炮向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，主控制程序進(jìn)入中斷處理過程并進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理。如果接收的數(shù)據(jù)驗(yàn)證通過，中斷處理完畢并轉(zhuǎn)入主循環(huán)處理環(huán)節(jié)。如果中斷處理中的接收數(shù)據(jù)驗(yàn)證沒有通過，則程序默認(rèn)丟棄當(dāng)前接收數(shù)據(jù)包，程序繼續(xù)等待接收中斷。

圖5 主程序及中斷流程圖

4 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無線通信程序設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無線通信程序主要由2部分組成：SI4463模塊驅(qū)動(dòng)程序和無線通信協(xié)議程序。

4.1 模塊驅(qū)動(dòng)程序

通過官方提供的WDS軟件，配置好模塊關(guān)鍵參數(shù)，自動(dòng)生成參數(shù)頭文件[5]。通過官方提供的時(shí)序圖，編寫必要的驅(qū)動(dòng)代碼，如下：

SI446X_RESET();//SI4463模塊復(fù)位

SI446X_CONFIG_INIT();//寄存器初始化

SI446X_SET_POWER(0x7F);//設(shè)置輸出功率

SI446X_Start_RX(0,0, PACKET_LENGTH, 0, 0, 3);//進(jìn)入接收模式

SI4463的參數(shù)配置主要采用WDS軟件，設(shè)置好相應(yīng)的內(nèi)容后生成參數(shù)宏定義的頭文件，在程序中只須將該頭文件中的參數(shù)以相應(yīng)的命令寫入射頻芯片即可完成配置。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本文依據(jù)開放系統(tǒng)互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)七層協(xié)議模型，采用了RFID三層簡單的協(xié)議結(jié)構(gòu)作為本系統(tǒng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)。RFID 通信系統(tǒng)由三層構(gòu)成,自上而下依次為物理層、通信層和應(yīng)用層，如圖6所示。物理層的主要問題是電氣信號(hào)問題[6],如頻道分配、物理載波等,其中最重要的問題就是載波“切割”問題。

通信層定義了主從機(jī)間雙向數(shù)據(jù)交換和指令的方式,其中需要解決的核心問題是多個(gè)從機(jī)同時(shí)訪問一個(gè)主機(jī)時(shí)的沖突。應(yīng)用層用于解決與最上層應(yīng)用直接相關(guān)的內(nèi)容,包括認(rèn)證、識(shí)別以及應(yīng)用層數(shù)據(jù)的表示、邏輯的處理等?，F(xiàn)就以上3個(gè)層面對系統(tǒng)物理層的定義、通信層防沖突碰撞協(xié)議和應(yīng)用層主從機(jī)安全協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1)物理層定義。

物理層主要定義了通信信道標(biāo)準(zhǔn)，433 MHz 短距離無線通信在國際上尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各種標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層也不盡相同。筆者為了提高數(shù)據(jù)的可靠傳輸，增大發(fā)射距離，采用了抗干擾能力強(qiáng)的曼切斯特(Manchester)編碼，采用了高斯頻移鍵控(GFSKGauss frequency Shift Keying)進(jìn)行調(diào)制。對物理層的定義[7]如表1所示。

表1 通信物理層定義

在實(shí)際應(yīng)用中，通過配置WDS軟件生成物理層配置程序。工作頻率(Base frequency)配置為433 MHz，如圖7所示。

圖7 物理層工作頻率配置

調(diào)制模式(Modulation type)設(shè)置為高斯頻移鍵控2GFSK，如圖8所示。

圖8 物理層調(diào)制模式配置

編碼模式(Encoding type)設(shè)置為兼容曼切斯特(Manchester)和循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)模式，如圖9所示。

圖9 物理層編碼模式配置

2)主從機(jī)鏈路傳輸協(xié)議。

通信層控制著主從機(jī)間的數(shù)據(jù)交換過程，數(shù)據(jù)鏈路連接的建立和釋放，容錯(cuò)控制，數(shù)據(jù)幀的定義與幀同步，幀數(shù)據(jù)傳送的控制等。其中最為關(guān)鍵的是解決信號(hào)碰撞問題。信號(hào)碰撞是指多個(gè)通信通路競爭一個(gè)通信信道，造成主機(jī)無法準(zhǔn)確判讀從機(jī)，從機(jī)無法與主機(jī)建立鏈接。信號(hào)碰撞發(fā)生后會(huì)給無線信號(hào)鏈路帶來信號(hào)傳輸失敗、信號(hào)流失，甚至信號(hào)傳輸錯(cuò)誤等嚴(yán)重問題。筆者根據(jù)分隙ALOHA算法的思路[8]，對其進(jìn)行改進(jìn)，讓其適用于無線射頻系統(tǒng)中。改進(jìn)后的分隙ALOHA算法模型如圖10所示。

圖10 改進(jìn)后的分隙ALOHA算法模型

其中，SYN為主機(jī)產(chǎn)生的同步時(shí)鐘信號(hào)，T0為同步時(shí)鐘信號(hào)的周期，從機(jī)i(1,…,n)的通信時(shí)間段長為Δt并可分為3個(gè)子時(shí)間片，τi為從機(jī)i收到主機(jī)同步時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)間段后的延遲時(shí)間。根據(jù)分隙原則，可以得出系統(tǒng)的各個(gè)呼叫器之間無碰撞沖突的條件[7]為：

該防碰撞協(xié)議的執(zhí)行過程如下：

(1)主機(jī)產(chǎn)生的同步時(shí)鐘信號(hào)的周期長度必須保證每個(gè)從機(jī)在時(shí)間段內(nèi)都有1次通信機(jī)會(huì)，并且能夠完成與主機(jī)的1次通信，其次，任意2個(gè)從機(jī)之間的通信時(shí)間片不能重疊，從而保證數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)不發(fā)生碰撞；

(2)每個(gè)從機(jī)都要被分配一個(gè)固定的通信時(shí)間片，從機(jī)與主機(jī)的信息交互必須等到分配的時(shí)間片后才開始通信；

(3)為了提高通信的成功率，在每個(gè)時(shí)間片內(nèi)，從機(jī)最多可向主機(jī)發(fā)送3次數(shù)據(jù)包；

(4)主機(jī)向所有從機(jī)通過廣播發(fā)送同步時(shí)鐘信號(hào)，每臺(tái)從機(jī)設(shè)備收到同步時(shí)鐘信號(hào)后開始計(jì)算屬于自己的通信時(shí)間片，主機(jī)發(fā)送的同步時(shí)鐘信號(hào)是按照周期發(fā)出的，必須保證2個(gè)同步時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送的時(shí)間間隔能夠滿足每個(gè)從機(jī)都能分配到足夠長的通信時(shí)間片。

在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，主從機(jī)鏈路傳輸協(xié)議程序流程圖如圖11所示。當(dāng)多臺(tái)消防炮向中控臺(tái)發(fā)出通信請求后，中控臺(tái)程序通過判斷當(dāng)前周期T內(nèi)的時(shí)間片，與對應(yīng)時(shí)間片內(nèi)的消防炮建立通信連接。只有對應(yīng)時(shí)間片內(nèi)的消防炮才能與中控臺(tái)建立通信連接。當(dāng)對應(yīng)時(shí)間片內(nèi)的消防炮與中控臺(tái)通信完畢，中控臺(tái)進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間片，依次與下一臺(tái)消防炮建立通信連接。

圖11 主從機(jī)鏈路傳輸協(xié)議流程圖

3)主從機(jī)安全認(rèn)證協(xié)議。

由于在本系統(tǒng)中消防炮中央控制器系統(tǒng)和各消防炮子系統(tǒng)間采用的是無線信道通信，這種廣播特性易遭到惡意的信息截取俘獲、數(shù)據(jù)注入、擾亂等攻擊。這種廣播特性的缺陷不僅會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場出現(xiàn)火情后消防炮無法正常工作，而且會(huì)讓不法分子掌握主機(jī)控制權(quán)從而對生命和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅。為此，在不增加硬件成本的情況下，通過改進(jìn)的T2MAP[9]能夠滿足本系統(tǒng)的安全認(rèn)證級(jí)別要求，如圖12所示。當(dāng)然改進(jìn)后的T2MAP協(xié)議算法并不比原T2MAP算法更優(yōu)越，只是更加適用于本系統(tǒng)。

圖12 改進(jìn)T2MAP認(rèn)證協(xié)議模型

該認(rèn)證協(xié)議的具體程序設(shè)計(jì)流程如下：

(1)控制臺(tái)向消防炮發(fā)送認(rèn)證請求，控制臺(tái)從ID數(shù)組(預(yù)先給每個(gè)消防炮從機(jī)分配的ID值數(shù)組)選取要呼叫的消防炮從機(jī)ID值并隨機(jī)從隨機(jī)密鑰中抽取密鑰，讓ID號(hào)與隨機(jī)密鑰值異或運(yùn)算后編碼處理發(fā)送給消防炮從機(jī)；

(2)消防炮從機(jī)接收到主機(jī)加密密鑰后，將接收到的加密密鑰依次與IDi^KEYi比照，如果驗(yàn)證通過，則完成對中控臺(tái)主機(jī)的認(rèn)證；

(3)消防炮對中控臺(tái)驗(yàn)證通過后，消防炮從機(jī)隨機(jī)抽取密鑰，讓ID號(hào)與隨機(jī)密鑰值與運(yùn)算編碼處理后發(fā)送給中控臺(tái)；

(4)中控臺(tái)主機(jī)接收到消防炮加密密鑰后，中控臺(tái)主機(jī)將接收到的加密密鑰依次與IDi^KEYi比照，如果驗(yàn)證通過，則完成消防炮從機(jī)認(rèn)證；

(5)控制臺(tái)主機(jī)和消防炮從機(jī)都驗(yàn)證通過后，系統(tǒng)允許雙向通信。

5 系統(tǒng)測試與分析

為驗(yàn)證本文研制的無線智能消防炮控制系統(tǒng)的性能，搭建了如圖13所示的硬件測試平臺(tái)。

圖13 無線智能消防炮控制系統(tǒng)測試平臺(tái)

如圖13所示，硬件測試平臺(tái)組件包括主機(jī)無線收發(fā)器、筆記本電腦、2組消防炮從機(jī)無線數(shù)據(jù)收發(fā)器、供電電源等。為適應(yīng)遠(yuǎn)距離測試，供電電源采用了普通手機(jī)充電寶。測試方法為：通過2組消防炮從機(jī)無線數(shù)據(jù)收發(fā)器同時(shí)向主機(jī)無線數(shù)據(jù)收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)，通過PC機(jī)端上位機(jī)對主機(jī)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控得出主機(jī)和從機(jī)間的通信距離、通信速率、通信丟包率。

1)通信距離測試。如圖14所示，通信距離為1 108 m時(shí)(主機(jī)無線收發(fā)器與消防炮從機(jī)收發(fā)器2的距離)，設(shè)置通信速率為100 kb/s，通信比較穩(wěn)定(丟包率<2%)。

圖14 測試環(huán)境示圖

2)防碰撞測試。如圖15所示，當(dāng)多組消防炮從機(jī)同時(shí)向中控臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，中控平臺(tái)能夠在對應(yīng)的時(shí)間片內(nèi)與對應(yīng)的消防炮單元通信。

3)安全認(rèn)證測試。利用圖15所示測試環(huán)境，在中控臺(tái)與消防炮單元建立通信連接的過程中，利用其他消防炮單元隨機(jī)讀取主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，識(shí)別并發(fā)送通信請求。由于是隨機(jī)數(shù)與ID值邏輯運(yùn)算后產(chǎn)生的校驗(yàn)碼，因此消防炮單元無法識(shí)別主機(jī)校驗(yàn)碼。實(shí)驗(yàn)表明，即使網(wǎng)絡(luò)攻擊者獲取了主機(jī)和從機(jī)間的認(rèn)證協(xié)議也無法完成網(wǎng)絡(luò)攻擊。

圖15 現(xiàn)場測試示圖

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的智能消防炮控制系統(tǒng)已應(yīng)用于某消防改造項(xiàng)目中。在實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場，主機(jī)和從機(jī)間通信距離遠(yuǎn)，傳輸數(shù)據(jù)誤碼率低，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。在多個(gè)消防炮從機(jī)向主機(jī)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的驗(yàn)證中，有效地避免了信號(hào)碰撞異常。該系統(tǒng)是對現(xiàn)有智能消防炮設(shè)備的改良，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]聞名.無線遙控消防炮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué),2014.

[2]陳川,鄧成中.基于RS-485的智能消防炮遠(yuǎn)程更新方法設(shè)計(jì)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,34(3):26-29.

[3] ST Company.STM8S10xx_datasheet[EB/OL].(2009-05-12).[2017-09-19].http://www.stmcu.org/document/detail/index/id-200410.

[4]周勇,鄧成中.自動(dòng)消防炮定位顯示控制系統(tǒng)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,36(3):69-72.

[5]Silicon Laboratories.SI4463 ISM transceiver datasheet[EB/OL].(2012-11-20).[2017-09-19].https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/AN805.pdf.

[6]石明明,魯周迅.三種無線通信協(xié)議綜述[J].通信技術(shù),2011,44(7):72-73.

[7]鄧自軍.基于433M模組局域網(wǎng)協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué),2012.

[8] 單劍鋒,陳明,謝建兵.基于ALOHA算法的RFID防碰撞技技術(shù)研究 [J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,33(1):56-61.

[9] 高利軍.無線射頻識(shí)別系統(tǒng)安全認(rèn)證協(xié)議研究[D].天津：天津大學(xué),2015.