城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)在智慧消防水系統(tǒng)中的應用

湯奇峰

摘 要：上海部署城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)支撐智慧城市建設，而智慧消防是智慧城市的重要組成部分。文章提出了基于城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的智慧消防水系統(tǒng)動態(tài)信息監(jiān)測技術(shù)方案。通過感知層智能LoRa水壓傳感器、傳輸層LoRa網(wǎng)關(guān)、應用層智慧消防數(shù)據(jù)應用平臺分別闡述技術(shù)結(jié)構(gòu)和主要功能，然后給出具體應用案例。該系統(tǒng)技術(shù)方案滿足了上海市工程建設規(guī)范《消防設施物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)標準（DG/TJ08-2251-2018）》技術(shù)要求，可復制推廣，具有廣闊的應用前景。

關(guān)鍵詞：LoRa物聯(lián)專網(wǎng);智慧消防;智能LoRa水壓傳感器;LoRa網(wǎng)關(guān);智慧消防數(shù)據(jù)應用平臺;信息監(jiān)測

中圖分類號：TP39;TN919.5文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

2019年5月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《關(guān)于深化消防執(zhí)法改革的意見》中第九條明確指出要推行消防監(jiān)管“一網(wǎng)通辦”，進一步強調(diào)運用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，全時段、可視化、實時化、智能化實現(xiàn)消防安全差異化精準監(jiān)管。全國全面開展智慧消防建設研究[1-3]。上海市專門建設部署了城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)[4-5]，為智慧消防發(fā)展提供技術(shù)支撐。同時發(fā)布上海地方工程建設規(guī)范《消防設施物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)標準（DG/TJ08-2251-2018）》[6]。

消防水系統(tǒng)負責消防救援作戰(zhàn)水資源的供給保障。消防水系統(tǒng)壓力不足或者無水都將嚴重影響消防救援的滅火效果。目前，針對消防給水系統(tǒng)的壓力監(jiān)測與狀態(tài)判斷，主要依靠消防人員現(xiàn)場巡查、手動放水測試并記錄數(shù)據(jù)的方式，所采用的監(jiān)管技術(shù)水平與消防水系統(tǒng)重要地位嚴重不匹配。開展消防水系統(tǒng)壓力狀態(tài)信息監(jiān)測技術(shù)研究與系統(tǒng)實現(xiàn)是智慧消防建設的迫切需求。

本文提出了基于城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的智慧消防水系統(tǒng)動態(tài)信息監(jiān)測技術(shù)方案。通過感知層智能LoRa水壓傳感器、傳輸層LoRa網(wǎng)關(guān)、應用層智慧消防數(shù)據(jù)應用平臺分別闡述其技術(shù)結(jié)構(gòu)和主要功能，然后給出具體應用案例。系統(tǒng)的應用將極大地提升消防水系統(tǒng)精細化管理水平，助力智慧消防建設快速發(fā)展。

1 基于城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的智慧消防水系統(tǒng)動態(tài)信息監(jiān)測技術(shù)

基于城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的智慧消防水系統(tǒng)動態(tài)信息監(jiān)測技術(shù)運用LoRa低功耗、長距離等技術(shù)優(yōu)勢，通過在消防水系統(tǒng)中最不利點、環(huán)管、噴淋末端等位置安裝部署智能LoRa水壓傳感器采集數(shù)據(jù)，之后通過LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸匯聚至城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)云平臺，借助智慧消防數(shù)據(jù)應用平臺實現(xiàn)消防水系統(tǒng)動態(tài)信息監(jiān)測，從而提高消防水系統(tǒng)的信息化水平。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的智慧消防水系統(tǒng)動態(tài)信息監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要分為感知層、傳輸層和應用層三部分。

（1）感知層由智能LoRa水壓傳感器構(gòu)成，利用LoRa模組采用無線通信方式實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的發(fā)送。

（2）傳輸層由LoRa網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，網(wǎng)關(guān)采用先進的LoRaWAN低功耗廣域無線網(wǎng)絡技術(shù)，保障數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

（3）應用層由智慧消防數(shù)據(jù)應用平臺構(gòu)成，主要包含統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口模塊和應用服務模塊，是集設備管理和數(shù)據(jù)應用于一體的服務平臺，授權(quán)管理人員可通過PC端、手機APP等方式實現(xiàn)設備管理和數(shù)據(jù)查詢應用。

1.2 智能LoRa水壓傳感器

智能LoRa水壓傳感器[7]負責消防水系統(tǒng)壓力狀態(tài)信息智能化感知。其核心組成部分包括壓力采集變送器、數(shù)據(jù)處理單元、LoRa通信模塊和高密度電池。壓力采集變送器負責壓力物理信息采集;數(shù)據(jù)處理單元負責采集數(shù)據(jù)的智能化處理;LoRa通信模塊負責感知數(shù)據(jù)的無線發(fā)送;高密度電池負責智能LoRa水壓傳感器的能源供給。

在有限的高密度電池容量下，為了實現(xiàn)智能LoRa水壓傳感器不低于3年的持續(xù)工作時間和智能化數(shù)據(jù)感知，智能LoRa水壓傳感器的主要技術(shù)突破在動態(tài)資源管理技術(shù)和多維特征提取技術(shù)兩個方面。

動態(tài)資源管理技術(shù)主要采用開關(guān)電路設計，確保傳感器業(yè)務需求不頻繁的任務處于間歇式工作模式;利用比較電路，保障主控模塊的喚醒功能;設計低主頻預啟動，高主頻處理核心計算任務喚醒機制;結(jié)合無線信道及通信鏈路的忙閑感知及切換，發(fā)射功率及速率自適應調(diào)整等自適應通信機制組合，實現(xiàn)低功耗下的高效通信，延長產(chǎn)品續(xù)航周期。動態(tài)資源管理波形如圖2所示。

多維特征提取技術(shù)利用滑動平均濾波算法，在一維均值計算基礎上[8]，通過壓差、方差、方差倍數(shù)3個維度上的計算與分析，結(jié)合訓練得到的各維度門限值進行綜合判斷，形成智能LoRa水壓傳感器多維特征提取智能化算法[9]，在提供消防水系統(tǒng)監(jiān)測點處水壓基礎值[10]的同時，實現(xiàn)對監(jiān)測點 “超壓”“失壓”“正常”等狀態(tài)切換的判斷[11]。多維特征提取方程核心表達式如下：

式中：N表示濾波器寬度;n表示第n時刻;y （tk）為第tk個采樣值。

1.3 LoRa網(wǎng)關(guān)

LoRa網(wǎng)關(guān)基于LoRaWAN協(xié)議，內(nèi)置Semtech高性能多通道收發(fā)器SX1308和MTK平臺，可通過以太網(wǎng)或WiFi連接到城域LoRaWAN云服務器。LoRa網(wǎng)關(guān)包括AP，STA和PPPoE共3種模式。

LoRa網(wǎng)關(guān)主要具有以下優(yōu)點，能夠滿足智慧消防水系統(tǒng)動態(tài)信息監(jiān)測應用需求。

（1）高靈敏度：LoRa網(wǎng)關(guān)最大輸出功率為27 dBm，在300 b/s速率下靈敏度可達到-141 dBm。

（2）支持半雙工模式：上行鏈路具有SF7至SF12，

125 kHz 的8個多擴頻因子信道，1個單擴頻因子的高速數(shù)據(jù)傳輸信道和1個GFSK信道;下行鏈路具有1個

125 kHz/250 kHz/500 kHz LoRa，或可配置GFSK信道。

（3）工作頻段靈活：434 MHz/470 MHz/510 MHz/780 MHz/868 MHz/915 MHz可選。

（4）通信速率多樣化：通信數(shù)據(jù)速率292 b/s?50 Kb/s，支持LoRaWAN Class A/C。

1.4 智慧消防數(shù)據(jù)應用平臺

智慧消防數(shù)據(jù)應用平臺采用典型的B/S架構(gòu)，平臺主要由統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口模塊和應用服務模塊組成。

統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口模塊負責信息的清洗、排隊和分發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與緩存和遠程參數(shù)配置執(zhí)行等功能。

應用服務模塊實現(xiàn)遠程參數(shù)配置、設備狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)查詢展示等功能。

服務器端基于KOA2框架實現(xiàn)，在客戶端請求服務器提供服務時，采用池技術(shù)、負載均衡、中間件等技術(shù)提高訪問效率，應對高速并發(fā)。采用MVC模型將程序代碼進行合理分層，提高程序的可讀性、健壯性和擴展性。

統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口模塊主要由消息中間件和事件流引擎組成，負責維護與LoRa網(wǎng)關(guān)之間的通信接口和后臺參數(shù)配置信息下發(fā)進程。

消息中間件負責向上的數(shù)據(jù)接收、清洗和驗證，向下的配置和終端設備鏈接管理工作。事件引擎根據(jù)配置的相關(guān)規(guī)則，將事件分發(fā)給服務模塊、業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)中心。緊急告警事件由事件引擎快速推送給對應模塊，保證事件的實效性。設備運行實時狀態(tài)信息，由事件引擎建立一條點對點推送鏈路，將信息通過業(yè)務邏輯單元推送到應用服務模塊，展示給相關(guān)用戶，無需存儲在數(shù)據(jù)中心，以減少數(shù)據(jù)中心的壓力。

應用服務模塊主要由業(yè)務邏輯、數(shù)據(jù)中心和業(yè)務展現(xiàn)服務三部分組成。

業(yè)務邏輯負責運行設定的規(guī)則和模型。數(shù)據(jù)中心負責全局數(shù)據(jù)調(diào)度。業(yè)務展現(xiàn)服務采用VUE框架和HTML，CSS，JavaScript等技術(shù)實現(xiàn)，提供遠程人機交互接口，通過自適應界面技術(shù)，提高用戶在使用瀏覽器操作時的體驗，并集成高德地圖插件，通過地圖信息技術(shù)顯示智能LoRa水壓傳感器的位置和狀態(tài)等關(guān)鍵信息，為用戶提供簡潔的一圖展示功能。

2 應用案例

在上海市政府指導下，依據(jù)上海市經(jīng)濟和信息化委員會發(fā)布的《新型城域物聯(lián)專網(wǎng)建設導則（2018版）》[12]，上海聯(lián)數(shù)物聯(lián)網(wǎng)有限公司作為上海市城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的主體建設單位，承建了上海市靜安區(qū)、楊浦區(qū)等多區(qū)城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)網(wǎng)絡覆蓋，保障了上海市公共管理、公共安全、公共服務等多場景基于城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的智慧城市應用落地。

基于城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的智慧消防水系統(tǒng)動態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)是上海市智慧城市建設公共安全領域的重要組成部分。在上海市科學技術(shù)委員會專項資助下，由上海聯(lián)數(shù)物聯(lián)網(wǎng)有限公司聯(lián)合中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所共同開展技術(shù)攻關(guān)和應用落地，最終形成典型智慧城市應用案例。

消防水系統(tǒng)主要包括噴淋報警閥組控制的最不利點、噴淋系統(tǒng)末端、消防水泵進水管網(wǎng)、消防水泵出水管網(wǎng)等。通過在上述位置安裝部署智能LoRa水壓傳感器，實現(xiàn)安裝點位的壓力狀態(tài)感知。智能LoRa水壓傳感器采集的水壓狀態(tài)信息通過LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸匯聚至城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)云平臺。智能LoRa水壓傳感器在消防水系統(tǒng)的安裝部署如圖3所示。

智慧消防數(shù)據(jù)應用平臺通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口模塊與城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)云平臺通信，通過應用服務模塊完成業(yè)務邏輯、數(shù)據(jù)調(diào)度和業(yè)務圖展示?；诔怯騆oRa物聯(lián)專網(wǎng)的智慧消防水系統(tǒng)動態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)平臺如圖4所示。

基于城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的智慧消防水系統(tǒng)動態(tài)信息監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了消防水系統(tǒng)的動態(tài)信息實時感知和管理應用圖展示，提升了消防水系統(tǒng)的精準管理能力，為智慧消防建設提供有力的技術(shù)支撐。

3 結(jié) 語

本文給出了基于城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的智慧消防水系統(tǒng)動態(tài)信息監(jiān)測技術(shù)方案。通過在消防水系統(tǒng)中最不利點、環(huán)管、噴淋末端等位置安裝部署智能LoRa水壓傳感器采集數(shù)據(jù)，通過LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸匯聚至城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)云平臺，通過智慧消防數(shù)據(jù)應用平臺實現(xiàn)消防水系統(tǒng)動態(tài)信息監(jiān)測，從而提高消防水系統(tǒng)的信息化水平，助力智慧城市公共安全領域建設。該系統(tǒng)技術(shù)方案滿足了上海市工程建設規(guī)范《消防設施物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)標準（DG/TJ08-2251-2018））》技術(shù)要求，可復制推廣，具有廣闊的應用前景。

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