基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的消防報警數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

上汽通用汽車有限公司 陶玉靈

上海海事大學(xué) 耿 烜 孟 麗

本文基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）的傳輸架構(gòu)，以EVB_M1開發(fā)板為基礎(chǔ)，設(shè)計了消防報警數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)方案，經(jīng)過測試，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)報警數(shù)據(jù)上傳與指令下載，并可以在消防管理信息系統(tǒng)中進行應(yīng)用。

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)是世間萬物的相互聯(lián)系形成的一種網(wǎng)絡(luò)，并通過各種信息傳感設(shè)備實現(xiàn)物品之間的網(wǎng)絡(luò)信息共享，物聯(lián)網(wǎng)來源于Internet of things一詞，具備典型的垂直行業(yè)特性。由于物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳送和智能化處理的特點，使其特別適用于消防報警、故障處理等消防設(shè)施信息管理系統(tǒng)。因此，本文重點研究消防報警數(shù)據(jù)經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)南到y(tǒng)設(shè)計方案。

通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，通過不同場景的通信技術(shù)把傳感器采集的數(shù)據(jù)傳至后臺服務(wù)器，可以進行統(tǒng)一的管理與應(yīng)用。一般來說，通信技術(shù)依網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離分為兩類：一類是覆蓋范圍小的通信技術(shù)，如：ZigBee、WiFi、藍牙等短距離通信技術(shù)，另一類是廣域網(wǎng)通信技術(shù)，包括UMTS、GSM、LTE等成熟的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及LPWAN技術(shù)。在低功耗廣域網(wǎng)中又分為兩類：一類是屬于授權(quán)頻段，如：3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的一種窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）技術(shù)、eMTC國際標(biāo)準(zhǔn)等。另一類則屬于非授權(quán)頻段的技術(shù)，如：LoRa、SIGFOX等。目前，NB-IOT技術(shù)已在電信運營蜂窩網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建，根據(jù)《關(guān)于全面推進移動互聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）建設(shè)發(fā)展的通知》通告中提出到2020年，NB-IOT網(wǎng)絡(luò)要實現(xiàn)全覆蓋，對于室內(nèi)，交通路網(wǎng)，地下管道等應(yīng)用實現(xiàn)深度覆蓋，基站數(shù)量達到150萬個。因此，NB-IOT網(wǎng)絡(luò)在未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中將具備強有力的競爭優(yōu)勢。

本文以NB-IOT為基礎(chǔ)，設(shè)計了消防報警數(shù)據(jù)在NB-IOT網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)恼w實現(xiàn)架構(gòu)，對基于NB-IOT協(xié)議的開發(fā)板進行了設(shè)置與二次開發(fā)，通過數(shù)據(jù)測試，最終可實現(xiàn)報警數(shù)據(jù)的上傳與消息指令的下載功能，完成了整體數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計。

2 傳輸方案設(shè)計

2.1 NB-IOT數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

本系統(tǒng)中設(shè)計采用NB-IOT模組實現(xiàn)消防報警數(shù)據(jù)遠程傳輸，對于窄帶物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品來說，無需安裝配置，支持自動登記設(shè)備，采集的數(shù)據(jù)通過NB-IOT基站進行傳輸。NB-IOT智能傳輸?shù)募軜?gòu)如圖1所示。其架構(gòu)是由嵌入NB-IOT模組的消防報警器、NB-IOT基站、IOT平臺、應(yīng)用服務(wù)器和客戶端軟件等組成。

圖1 NB-IOT消防報警數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

2.2 EVB_M1開發(fā)板應(yīng)用

本文硬件方面選用了物聯(lián)網(wǎng)俱樂部開發(fā)的EVB_M1開發(fā)板，如圖2所示，EVB_M1是基于UDP協(xié)議數(shù)據(jù)接發(fā)測試的，以MCU為主控芯片的硬件設(shè)計核心，采用了BC95模組的NB-IOT開發(fā)板，該模組支持NB-IOT通信標(biāo)準(zhǔn)，硬件通訊接口為UART，波特率一般設(shè)置為9600/15200bps，調(diào)試串口約為921600bps，信號電平3.0V并通過AT指令控制。BC95模組在設(shè)計上兼容了GSM/GPRS系列的M35 R2.0模塊，有利于產(chǎn)品的快速使用，易于升級，并提供完善的短信和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

圖2 EVB_M1開發(fā)板功能模塊

以BC95模塊為核心構(gòu)成的EVB_M1開發(fā)板，在設(shè)計中的應(yīng)用主要分為兩類：1)南向終端：包含計量數(shù)據(jù)處理傳感器、無線傳輸模塊和高精確計量儀表，通過CoAP協(xié)議實現(xiàn)與華為平臺的數(shù)據(jù)交互，并通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)與華為的OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺進行連接，從而上報報警數(shù)據(jù)的狀態(tài)信息；2)北向應(yīng)用：實現(xiàn)了終端的配置、數(shù)據(jù)訂閱等功能，主要是通過調(diào)用OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺的北向API，實現(xiàn)對終端設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)采集等。

2.3 數(shù)據(jù)的采集和傳輸

NB-IOT數(shù)據(jù)傳輸方式是由NB-IOT終端對用戶的報警數(shù)據(jù)進行采集，然后把采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IOT模組傳送到基站，基站將這些數(shù)據(jù)上傳到后端服務(wù)器，方便用戶獲取相關(guān)信息。在數(shù)據(jù)傳到基站這個過程，是將數(shù)據(jù)進行多次重復(fù)傳送來確保數(shù)據(jù)的精確性，可解決以往數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤傳和不準(zhǔn)確等問題。

2.3.1 數(shù)據(jù)采集

對于采集終端來說，初始化完成之后MCU芯片進入低功耗模式等待喚醒，此刻BC95模塊處于idel和PSM模式，當(dāng)終端有數(shù)據(jù)上報請求時，芯片休眠結(jié)束，開始采集報警信息并發(fā)送給NB-IOT通訊模塊，在數(shù)據(jù)包發(fā)送完成之后，再次進入休眠狀態(tài)等待下一次喚醒，通信模塊收到數(shù)據(jù)之后通過AT指令將數(shù)據(jù)信息傳送到NB-IOT基站，圖3為采集終端的具體流程。

BC95模組開機步驟一般包含以下幾點：1)通過給模組上電，初始化USIM卡；2)開始對小區(qū)的信號進行搜索；3)搜索到NB網(wǎng)絡(luò)時，開始進入連接狀態(tài)；4)激活PDN，獲取IP地址；5)開始建立用戶數(shù)據(jù)鏈接，收發(fā)用戶數(shù)據(jù)；6)無數(shù)據(jù)交互時，開始進入idel、PSM狀態(tài)；7)等待上發(fā)用戶數(shù)據(jù)，或再次進入連接狀態(tài)。

2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸

用戶獲取的信息是通過數(shù)據(jù)傳輸，即通過采集終端和數(shù)據(jù)庫之間通信鏈路實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)的傳輸所涉及的內(nèi)容包括通訊的開始、參數(shù)的設(shè)置、采集數(shù)據(jù)的消息指令、采集結(jié)果及關(guān)閉通訊鏈路等，如圖4為數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D。

圖3 數(shù)據(jù)采集終端流程圖

圖4 數(shù)據(jù)傳輸流程

在本系統(tǒng)中，采集的數(shù)據(jù)直接從報警器直達數(shù)據(jù)平臺，并在后臺服務(wù)器上進行數(shù)據(jù)的處理等操作，數(shù)據(jù)的傳輸是通過串口助手QCOM_V1.6發(fā)送AT指令實現(xiàn)對BC95模組的調(diào)試，此時的波特率為9600，其他參數(shù)設(shè)定后即可進行操作，配置過程如圖5所示。

圖5 EVB_M1軟件的調(diào)試和配置

3 數(shù)據(jù)收發(fā)功能測試

對于NB-IOT模組的測試，是通過AT指令進行的。測試準(zhǔn)備工具包含以下幾個方面：1)BC95-B5的轉(zhuǎn)接模塊；2)BC95轉(zhuǎn)接板USB適配底座；3)NB-IOT專用測試卡；4)串口調(diào)試工具；5)UDP網(wǎng)絡(luò)測試工具；6)VPS服務(wù)器及筆記本，用于串口的調(diào)試使用。圖6表示命令下發(fā)界面，根據(jù)頁面提示進行命令參數(shù)的設(shè)置并對設(shè)備進行數(shù)據(jù)的發(fā)送請求測試。

圖6 命令下發(fā)頁面

圖7表示數(shù)據(jù)上報頁面，根據(jù)命令下發(fā)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送狀態(tài)，顯示的是數(shù)據(jù)格式和發(fā)送時間。當(dāng)出現(xiàn)歷史命令頁面時，表明該模塊進入了idel/PSM狀態(tài)，再一次進行數(shù)據(jù)上報操作即可進入連接狀態(tài)。

圖7 數(shù)據(jù)上報頁面

經(jīng)過以上測試，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳與指令下載。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于NB-IOT的消防報警數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，使用以BC95模塊為核心的EVB_M1開發(fā)板，通過對數(shù)據(jù)采集和傳輸功能的設(shè)計與開發(fā)，實現(xiàn)了消防報警信號通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)的無線傳 輸功能，具有穩(wěn)定、安全的傳輸特點，將是窄帶物聯(lián)網(wǎng)在消防安全領(lǐng)域中的一類重要應(yīng)用。