NB-IoT技術(shù)在消防物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用*

儲浩，王勇，王棟

1 引言

2011年7月，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)發(fā)布了城市消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)，全面規(guī)定了城市消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中用戶信息傳輸裝置、通信服務(wù)器軟件、信息管理軟件的功能、試驗方法和檢驗規(guī)則等技術(shù)要求，并規(guī)定了報警傳輸網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和基本數(shù)據(jù)項等內(nèi)容，實現(xiàn)城市消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)規(guī)范和信息共享[1]。此后，國內(nèi)各城市相繼建立了城市消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在火災(zāi)防控工作中發(fā)揮了積極作用，取得了初步成效。但從全國范圍看，城市消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用發(fā)展還不平衡，存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、功能不完善、信息不規(guī)范等問題。隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，如何將城市中各個建筑物消防設(shè)施運行狀態(tài)和監(jiān)控數(shù)據(jù)及時有效地上傳到消防指揮中心和相關(guān)管理部門，成為城市消防工作亟待解決的問題[2]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，消防物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生。它利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把消防設(shè)備進(jìn)行連接整合，通過無線終端、業(yè)務(wù)平臺和傳感探測設(shè)備，實現(xiàn)實時、動態(tài)、互動、融合的消防信息采集、傳遞和處理，從而全面促進(jìn)和提高了相關(guān)機(jī)構(gòu)實施社會消防監(jiān)督與管理水平，增強(qiáng)了公安機(jī)關(guān)消防機(jī)構(gòu)滅火救援的指揮、調(diào)度、決策和處置能力[3-4]。

NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的一個新興技術(shù)，具有低功耗、低成本、大覆蓋、強(qiáng)連接等技術(shù)和應(yīng)用優(yōu)勢，非常適合建筑物內(nèi)大量消防設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與傳輸，能有效滿足消防物聯(lián)網(wǎng)對通信系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定的需求[5]。具體表現(xiàn)為：（1）在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益提高20 dB，覆蓋面積擴(kuò)大100倍。（2）NB-IoT一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[6]。（3）NB-IoT直接部署于LTE網(wǎng)絡(luò)，但不占用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)帶寬，保證了傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)同時穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行[7]。（4）更低的模塊成本，廠家預(yù)期的單個連接模塊不超過5美元。（5）可以采用電池供電，電池壽命可以達(dá)到3～5年，安裝簡單。（6）采用電信或者移動的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺[8]。因此，通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，能快速有效建立消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)消防大數(shù)據(jù)的采集和應(yīng)用，有效解決消防監(jiān)控系統(tǒng)遇到的各類問題。

本文具體探討了NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成架構(gòu)、通信模塊設(shè)計、平臺層和應(yīng)用層設(shè)計，分析了其工作原理及關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)，為城市消防聯(lián)網(wǎng)工作提供了新的思路和方法。

2 NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)組成

消防物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是對消防區(qū)域內(nèi)消控主機(jī)、煙感、給水設(shè)備、消防管網(wǎng)壓力、消防水池、水箱液位、漏電電流、線纜溫度等情況實時監(jiān)控和預(yù)警，傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺，應(yīng)用系統(tǒng)可進(jìn)行實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析展示、及時預(yù)判和預(yù)警。

NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分為四層，分別為：感知層、傳輸層、平臺層和應(yīng)用層，如圖1所示。

感知層：是已經(jīng)安裝在建筑物中的各類傳感裝置，主要由煙感、水位傳感器、水壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器等各種傳感器組成，各個感知點的傳感器將水壓、水位、電流和溫度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4 mA～20 mA的電流信號傳輸給物聯(lián)網(wǎng)通信主機(jī)。

圖1 NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖

傳輸層：由各種NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信主機(jī)和運營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)組成，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信主機(jī)的主要功能是采集傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行智能判斷和分析，將初步處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_。

平臺層：主要負(fù)責(zé)對NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備發(fā)送的各種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、清洗、存儲、分析和計算，最終結(jié)果存放到時間序列數(shù)據(jù)庫。

應(yīng)用層：包含Web應(yīng)用和手機(jī)移動應(yīng)用，從云平臺獲取計算結(jié)果，將各個消防設(shè)施的運行狀態(tài)和監(jiān)控結(jié)果呈現(xiàn)在終端上，方便管理部門監(jiān)管。

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信主機(jī)實時采集消防設(shè)施傳感器數(shù)據(jù)，封裝成COAP協(xié)議報文發(fā)送到云平臺。數(shù)據(jù)經(jīng)過云平臺處理后，向終端用戶展示所監(jiān)控消防設(shè)施的運行狀況。

NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為用戶提供下列功能，如表1所示。

3 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信模塊設(shè)計

圖2 NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作流程圖

表1 NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能列表

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信主機(jī)負(fù)責(zé)采集消防系統(tǒng)中的水壓、水位、漏電電流和負(fù)載電流等傳感器的數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步計算后，按照系統(tǒng)制定好的協(xié)議進(jìn)行封裝，包括節(jié)點編號和時間戳等，通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將其上傳到云平臺。

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信主機(jī)的硬件電路設(shè)計如圖3所示。

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信主機(jī)使用的是電信（移動）運營商提供的NB模組，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到中國電信（中國移動）物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，采用CoAP協(xié)議接入。NB模塊與SIM卡接口電路如圖4所示，NB模塊的功能框圖如圖5所示。

在正常操作情況下NB模塊有三種操作模式，根據(jù)使用情景確定不同級別的低功耗功能：

（1）主動模式（Active）：模塊處于活動狀態(tài)；所有功能正?？捎?，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；模塊在此模式下可切換到Idle模式或PSM模式。

（2）待機(jī)模式（Idle）：模塊處于淺睡眠狀態(tài)，模塊處于網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，可接受尋呼消息。模塊在此模式下可切換至Active模式或者PSM模式。

（3）深度睡眠模式（PSM）：模塊只有RTC工作，模塊處于網(wǎng)絡(luò)非連接狀態(tài)，不再接受尋呼消息。當(dāng)DTE（Data Terminal Equipment，數(shù)據(jù)終端設(shè)備）主動發(fā)送數(shù)據(jù)或者定時器T3412（周期性更新）超時后，模塊將被喚醒。

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信主機(jī)作為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，其關(guān)鍵技術(shù)在于軟件處理上。通過軟件可以確保硬件電路可以正常工作，數(shù)據(jù)可以可靠傳輸。主機(jī)軟件處理流程如圖6所示。

4 NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)平臺層設(shè)計

大數(shù)據(jù)云平臺是整個消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)測及決策的核心，負(fù)責(zé)對各個監(jiān)測點海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和大數(shù)據(jù)計算。

NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)平臺層架構(gòu)如圖7所示。

數(shù)據(jù)庫采用了滿足物聯(lián)網(wǎng)上層應(yīng)用開發(fā)的時間序列數(shù)據(jù)庫，時間序列數(shù)據(jù)庫（TSDB, Time Series Database）是一種高性能、低成本、穩(wěn)定可靠的在線時序數(shù)據(jù)庫服務(wù)，提供高效讀寫、高壓縮比存儲、時序數(shù)據(jù)插值及聚合計算，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，如圖8所示。

圖3 STM32最小系統(tǒng)

圖4 NB模塊與SIM卡接口電路

5 NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層設(shè)計

應(yīng)用服務(wù)層面向用戶提供消防監(jiān)測及決策的SaaS，用戶無需開發(fā)軟件和建設(shè)數(shù)據(jù)中心，可以通過PC端應(yīng)用程序和手機(jī)APP對建筑物的消防安全狀況實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。SaaS擁有實時監(jiān)測、實時報警、歷史查詢、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析、火災(zāi)預(yù)測等功能模塊。應(yīng)用層PC端首頁展示效果圖如圖9所示，某單位設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計展示效果如圖10所示，某單位月度漏電電流數(shù)據(jù)對比展示效果見圖11所示，移動終端應(yīng)用展示效果見圖12所示。

6 結(jié)束語

2017年10月，公安部消防局發(fā)布了《關(guān)于全面推進(jìn)“智慧消防”建設(shè)的指導(dǎo)意見》，指出要依托“智慧城市”建設(shè)，改變城市物聯(lián)網(wǎng)消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，打造城市消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)升級版[9]。

圖5 NB模塊功能框圖

圖6 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信主機(jī)的軟件處理流程

NB-IoT技術(shù)具有功耗低、連接數(shù)量大、低時延、網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣等特點，在諸多消防領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，運用NB-IoT技術(shù)，能夠?qū)Ω黝惤ㄖ臒熿F報警、自動滅火系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)、防煙排煙系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)等進(jìn)行實時監(jiān)控，保證火災(zāi)的早期預(yù)報、快速響應(yīng)和有效控制。本文對NB-IoT技術(shù)在消防物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研究證明，NB-IoT技術(shù)的消防物聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用，為進(jìn)一步通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)消防安全管理效率的提升提供了幫助，可為消防監(jiān)督管理部門的科學(xué)監(jiān)督、管理和執(zhí)法提供真實、有效和實時的數(shù)據(jù)保證，為科技強(qiáng)警提供技術(shù)保障。實現(xiàn)“人防”、“技防”于一體的應(yīng)用目標(biāo)，全面提高消防監(jiān)管部門的管理手段，提高各大單位、小場所以及居民住宅的消防安全管理水平，從而提高整個城市的火災(zāi)防控能力[10]。

圖7 NB-IoT消防物聯(lián)網(wǎng)平臺層架構(gòu)

圖8 平臺時間序列數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

圖9 PC端首頁展示效果圖

圖10 某單位設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計展示效果

圖12 移動終端應(yīng)用展示效果

圖11 某單位月度漏電電流數(shù)據(jù)對比展示效果