基于LoRa技術(shù)的校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘 ?要：為預(yù)防校園火情，減少發(fā)生火情的損失，設(shè)計(jì)了一款基于遠(yuǎn)距離無(wú)線電技術(shù)的校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，說(shuō)明了該火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约暗讓佑布c上層軟件，并以校園內(nèi)的大樓與學(xué)生宿舍作為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)實(shí)時(shí)、可靠，具有很高的準(zhǔn)確率，可有效地監(jiān)測(cè)目標(biāo)范圍的溫度情況，若超出正常范圍則發(fā)出警報(bào)，同時(shí)可以知曉火情發(fā)生的具體位置，可以為校園提供有效的火情預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：LoRa;火情監(jiān)測(cè);校園火情;無(wú)線

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）23-0031-04

Campus Fire Monitoring System Based on LoRa Technology

HUAI Tianyu

（School of Cyber Science and Engineering，Qufu Normal University，Qufu ?273165，China）

Abstract：In order to prevent campus fire and reduce the loss of fire，a campus fire monitoring system based on LoRa technology is designed. The network topology，bottom hardware and upper software of the fire monitoring system are described，the buildings and dormitories in the campus are tested. The results show that the system is real-time，reliable and has high accuracy. It can effectively monitor the temperature of the target range. If it exceeds the normal range，it will give an alarm. At the same time，it can know the specific location of the fire. It can provide effective fire prevention measures for the campus.

Keywords：LoRa;fire monitoring;campus fire;wireless

0 ?引 ?言

學(xué)校是一個(gè)集體場(chǎng)所，人口密度極大，任何一場(chǎng)火災(zāi)都有可能造成嚴(yán)重后果，帶來(lái)無(wú)可挽回的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。近日我校多次強(qiáng)調(diào)，在日照校區(qū)的學(xué)生宿舍內(nèi)發(fā)生了校園火災(zāi)事件，無(wú)論是在教室還是宿舍，學(xué)校都應(yīng)該確保學(xué)生的安全，為學(xué)生營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍。為了盡量避免火災(zāi)并保證火災(zāi)發(fā)生時(shí)將損失降至最低，筆者制作了一個(gè)校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，將火情消滅于萌芽階段，最大限度避免火災(zāi)的發(fā)生[1，2]。為了更好地了解硬件以及軟硬件結(jié)合的場(chǎng)景，在咨詢(xún)專(zhuān)家以及獲得幫助后，筆者最終設(shè)計(jì)出了這款基于遠(yuǎn)距離無(wú)線電（Long Range Radio，LoRa）技術(shù)的校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 ?技術(shù)簡(jiǎn)介

在低功耗廣域網(wǎng)產(chǎn)生之前，遠(yuǎn)距離和低功耗兩者之間只能二選一。當(dāng)采用低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）技術(shù)之后，設(shè)計(jì)人員可做到兩者都兼顧，最大限度地實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離通信與更低功耗，同時(shí)還可節(jié)省額外的中繼器成本。

LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國(guó)Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案，該技術(shù)的最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，兼顧了低功耗和遠(yuǎn)距離傳輸，LoRa無(wú)線傳輸標(biāo)準(zhǔn)還有超大網(wǎng)絡(luò)容量、低成本和適合大規(guī)模部署等特點(diǎn)。

LoRa的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)方面的長(zhǎng)距離能力。在一個(gè)給定的位置，傳輸距離在很大程度上取決于環(huán)境或障礙物，LoRa有一個(gè)鏈路預(yù)算優(yōu)于其他任何標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)。鏈路預(yù)算通常用分貝（dB）表示，是在給定的環(huán)境中決定距離的主要因素。LoRa高達(dá)158 dB的鏈路預(yù)算，即使在復(fù)雜環(huán)境下，傳輸距離也可以達(dá)到2 km[3]。

一個(gè)完全符合LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)關(guān)可以接入5到10 km內(nèi)上萬(wàn)個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輪詢(xún)的通信模式，也能大幅度降低節(jié)點(diǎn)通信功耗。

2 ?網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

現(xiàn)有許多部署好的網(wǎng)絡(luò)都采用了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)單獨(dú)節(jié)點(diǎn)要通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)傳遞信息，這不僅增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，而且縮短了電池壽命。相反，LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離連接時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)可直接進(jìn)行信息交互，有效降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和能量損耗，延長(zhǎng)電池壽命[4]。

終端節(jié)點(diǎn)包括物理層、Mac層和應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)，使用的是LoRa線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，遵守LoRaWAN協(xié)議規(guī)范，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)距離傳輸。LoRa網(wǎng)關(guān)完成接口物理層的處理，LoRa網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點(diǎn)的上行鏈路數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)聚集到一個(gè)各自單獨(dú)的回程連接，解決多路數(shù)據(jù)并發(fā)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信，所有的節(jié)點(diǎn)均是雙向通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP連接。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)/專(zhuān)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，到達(dá)應(yīng)用服務(wù)器后，應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)負(fù)載的安全性，分析以及利用傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)展示，從而達(dá)到警示的目的。

根據(jù)建設(shè)內(nèi)容，項(xiàng)目采用自建專(zhuān)用物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。終端與網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)LoRa無(wú)線方式通信，所有網(wǎng)關(guān)通過(guò)4G方式無(wú)線連接到校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。

無(wú)線聲光報(bào)警器等設(shè)備配置在學(xué)區(qū)樓、宿舍樓內(nèi)，每個(gè)樓配置一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)，保證可以覆蓋整個(gè)檢測(cè)區(qū)域，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給無(wú)線火災(zāi)報(bào)警管理平臺(tái)或手機(jī)/APP進(jìn)行通知，為進(jìn)一步?jīng)Q策提供信息支撐。信息的傳遞十分重要，而在范圍比較大的情況下LoRa也就展現(xiàn)出了它的優(yōu)勢(shì)，我們不用擔(dān)心由于覆蓋范圍不夠而導(dǎo)致的火情傳遞不及時(shí)以及盲點(diǎn)問(wèn)題。

3 ?設(shè)備配置

無(wú)線聲光警報(bào)器由LoRaWAN無(wú)線底座和獨(dú)立式聲光警報(bào)器組成，獨(dú)立安裝，無(wú)線聯(lián)網(wǎng)，可與其他火災(zāi)報(bào)警器聯(lián)動(dòng)，可大幅提高消防施工效率和智慧化水平。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)并確認(rèn)后，安裝在現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線聲光警報(bào)器通過(guò)校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)警報(bào)，發(fā)出強(qiáng)烈的聲光報(bào)警信號(hào)，讓現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)進(jìn)行突發(fā)安全狀況的緊急處理。

4 ?技術(shù)架構(gòu)

校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分層自下而上可以分成四層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層，基本構(gòu)造如圖2所示。

感知層：是校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的底層，其功能是通過(guò)傳感器采集各類(lèi)信息，種類(lèi)包括煙霧濃度、環(huán)境溫度等，用于火災(zāi)的早期預(yù)警。本項(xiàng)目中用到了無(wú)線聲光報(bào)警器等。

網(wǎng)絡(luò)層：將感知層中采集的數(shù)據(jù)傳輸至平臺(tái)，并接受平臺(tái)下發(fā)數(shù)據(jù)，本校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層采用的是LoRaWAN技術(shù)與協(xié)議。

平臺(tái)層：是以云計(jì)算為核心，將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理。在校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，平臺(tái)層被視為物聯(lián)網(wǎng)的核心環(huán)節(jié)，如圖3所示。

應(yīng)用層：是校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的最頂層，直接面向客戶(hù)的應(yīng)用與需求，實(shí)現(xiàn)報(bào)警接收和處置、報(bào)警信息分發(fā)、消防設(shè)施管理、用戶(hù)信息管理等功能，并且可以實(shí)現(xiàn)與第三方平臺(tái)的互聯(lián)互通。項(xiàng)目前后端分離，利用Vue進(jìn)行前端開(kāi)發(fā)，Axios發(fā)送AJAX請(qǐng)求和后臺(tái)交互，后端使用了SpringBoot、SpringMVC、Mybatis框架，還有SpringSecurity保證訪問(wèn)認(rèn)證和授權(quán)管理，使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。具體頁(yè)面如圖4所示。

5 ?用戶(hù)管理

用戶(hù)分為操作員和管理員，在線的操作員或管理員成為值班員，管理員的權(quán)限最高，可以分配權(quán)限給普通用戶(hù)，管理員可以查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，修改系統(tǒng)配置參數(shù)等，操作員只能查看數(shù)據(jù)，沒(méi)有分配和修改配置的權(quán)限。管理員可以看到所有的管理員與操作員，但是操作員沒(méi)有權(quán)限查看其他人為管理員或操作員。管理員可以看到操作員是否在線。且值班員保留原本角色的權(quán)限，具體頁(yè)面如圖5所示。

6 ?定位與檢測(cè)

監(jiān)控的位置可以實(shí)時(shí)以可視化的方式顯示在無(wú)線火災(zāi)報(bào)警管理平臺(tái)的客戶(hù)端上，具體可以定位到樓層以及房間。由于當(dāng)火情發(fā)生時(shí)信息的實(shí)時(shí)性十分重要，所以管理員和用戶(hù)可均以通過(guò)來(lái)自無(wú)線火災(zāi)報(bào)警管理平臺(tái)或手機(jī)APP的報(bào)警，快速定位到火災(zāi)發(fā)生的位置，為救援以及滅火提供下一步的決策支持。火災(zāi)發(fā)生的地方也會(huì)響起警報(bào)，通知大家迅速有序撤離。倘若傳感器發(fā)生了故障，我們將無(wú)法定位到該傳感器，同時(shí)該傳感器將會(huì)在可視化界面上消失，應(yīng)該立即派出維修人員進(jìn)行檢修，以保證傳感器的正常使用。

7 ?驗(yàn)證測(cè)試

在得到許可的情況下，我們選取了學(xué)校老干部樓進(jìn)行測(cè)試，二樓和三樓分別設(shè)置了20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將報(bào)警溫度設(shè)置為50攝氏度，監(jiān)測(cè)點(diǎn)利用人工手段保持在60攝氏度左右。使用的是基于LoRa技術(shù)的無(wú)線聲光警報(bào)器與校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看到我們?cè)O(shè)置的40個(gè)報(bào)警數(shù)量中有38個(gè)成功進(jìn)行了警報(bào)并顯示在無(wú)線火災(zāi)報(bào)警管理系統(tǒng)上，所占比例為95%，在機(jī)器全部正常的情況下，可以看到該系統(tǒng)報(bào)警的準(zhǔn)確率還是非常高的，可以有效監(jiān)測(cè)、預(yù)防火情[5]。

8 ?結(jié) ?論

本文研究使用了基于LoRa的校園火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)校園火情的監(jiān)測(cè)和預(yù)防，通過(guò)平臺(tái)我們可以對(duì)學(xué)校的監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，確定配置參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明可以有效地進(jìn)行報(bào)警處理，準(zhǔn)確率高，并且成本較低。從宏觀角度看，該系統(tǒng)不僅適用于學(xué)校，同樣適用于醫(yī)院、商業(yè)區(qū)、酒店、飯店、博物館等大型公共場(chǎng)所。因?yàn)樵诳萍既找孢M(jìn)步的今天，安全始終還是排在第一位的，所以我們必須對(duì)群眾的安全保護(hù)措施付出努力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顧兆平.基于LoRa無(wú)線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng) [J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2018，31（10）：50-52.

[2] 李天才，李學(xué)紅，李桂琴.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧消防無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2020，33（4）：31-33.

[3] 岳云濤，賈佳，王靖波，等.基于LoRa無(wú)線傳輸技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44（12）：32-35.

[4] 趙靜，蘇光添.LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析 [J].移動(dòng)通信，2016，40（21）：50-57.

[5] 陶智，梁獻(xiàn)霞，邵慧瑩，等.基于混合LoRa和ZigBee技術(shù)的校園火情監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 [J].河南科技，2020，39（31）：9-11.

作者簡(jiǎn)介：懷天宇（2000—），男，漢族，山東曲阜人，本科在讀，研究方向：軟件開(kāi)發(fā)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等。