支持城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的煙感報警器設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘 要：上海于2017年開始城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)建設(shè)，以期解決公共管理、公共安全、公共服務(wù)等多場景應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。智慧消防是該專網(wǎng)建設(shè)的主要內(nèi)容之一，而煙感報警器是智慧消防建設(shè)中必需的傳感器。傳統(tǒng)的煙感安裝需要布線，這對于絕大多數(shù)已完工的建筑體而言，線路改造成本高、施工阻力大，且不具有遠(yuǎn)程功能的獨(dú)立式煙感，僅支持本地聲光報警。同時，煙感會隨著自身硬件器件老化、環(huán)境溫度變化及灰塵堆積等原因出現(xiàn)誤報問題，浪費(fèi)人力和通信資源。針對這一現(xiàn)狀，文章提出了一種支持城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的煙感報警器設(shè)計(jì)方案，旨在消除傳統(tǒng)煙感安裝的繁瑣及應(yīng)用場景的局限，結(jié)合邊緣計(jì)算和LoRa雙向數(shù)傳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煙感檢測閾值和基線的本地自適應(yīng)和遠(yuǎn)端協(xié)同感知等功能，工程應(yīng)用實(shí)踐表明該設(shè)計(jì)方案有效提升了煙感報警器的綜合性能。

關(guān)鍵詞：城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng);智慧消防;煙感報警器;LoRaWAN;通信;邊緣檢測

中圖分類號：TP39;TN919.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2020）07-00-04

0 引 言

火災(zāi)是社會生活中最常見的災(zāi)害之一，會對人類的生命、財(cái)產(chǎn)、公共安全造成威脅，國家各級政府將消防工作作為保障民生安全的重要內(nèi)容之一[1]。目前建筑體內(nèi)的消防子系統(tǒng)存在監(jiān)測手段單一、數(shù)據(jù)交互封閉、應(yīng)用場景局限等問題，嚴(yán)重制約了智慧消防的發(fā)展[2]。國家公安部、民政局、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部已于2015年11月聯(lián)合出臺公消[2015]289號《關(guān)于積極推動發(fā)揮獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測報警器火災(zāi)防控作用的指導(dǎo)意見》，明確指出：養(yǎng)老院、福利院、幼兒園、社區(qū)居民活動場所、老舊居民住宅、宿舍、小旅館等場所需安裝感煙報警器[3]。而我國很多老舊建筑由于先前設(shè)計(jì)的局限，消防設(shè)施存在缺失或者陳舊落后等問題，為了確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全，需要進(jìn)行現(xiàn)代化改造，以便及時將火災(zāi)信息上傳至報警中心。

煙感報警器作為消防報警系統(tǒng)中的核心感知設(shè)備之一，成本低廉的優(yōu)勢使其具備了大規(guī)模應(yīng)用部署的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，是老舊建筑實(shí)現(xiàn)火災(zāi)感知和預(yù)警的最佳監(jiān)測手段。傳統(tǒng)的獨(dú)立式煙感存在布線困難、誤報率高等缺點(diǎn)，為該類傳感器的大規(guī)模推廣應(yīng)用帶來一定的限制[4-5]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為智慧消防的發(fā)展帶來了新的契機(jī)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和邊緣計(jì)算技術(shù)的發(fā)展為煙感報警器的研制提供了新的思路[6]。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以快速靈活搭建無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程雙向傳輸，確保在無人值守場所實(shí)現(xiàn)24小時的火災(zāi)監(jiān)測功能，把火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)[7]。邊緣技術(shù)在煙感報警器中的植入，可以快速實(shí)現(xiàn)該類報警器的火情檢測閾值和基準(zhǔn)自適應(yīng)計(jì)算，消除因?yàn)殡娮釉骷匣?、溫度和灰塵等因素引起的基線漂移現(xiàn)象，降低該類傳感器的誤報率[8-10]。

本文將從上海聯(lián)數(shù)物聯(lián)網(wǎng)有限公司城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)出發(fā)，利用中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域多年的技術(shù)積累，結(jié)合獨(dú)立式煙感報警器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功耗特征，設(shè)計(jì)一套均衡數(shù)據(jù)響應(yīng)時效和功耗最優(yōu)的雙向傳輸機(jī)制，在第一時間將火警狀況向消防指控中心進(jìn)行匯報，提高火災(zāi)感知的及時性和準(zhǔn)確性。引入邊緣計(jì)算機(jī)制，自適應(yīng)調(diào)整煙感報警器的感知門限及背景閾值，降低環(huán)境影響因素導(dǎo)致的誤報率，提高LoRa無線通信信道資源的利用率及消防部門的科學(xué)決策能力。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及硬件組成

1.1 煙感報警系統(tǒng)架構(gòu)

支持城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的煙感報警系統(tǒng)主要由4大部分組成，即負(fù)責(zé)前端火災(zāi)感知的煙感報警器、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的LoRa網(wǎng)關(guān)、負(fù)責(zé)LoRa網(wǎng)絡(luò)管理的城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)云平臺及負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)展示和控制各類用戶應(yīng)用的終端軟件。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

由于獨(dú)立式煙感報警器采用電池供電，能量受限。為了盡可能拓展其使用壽命，本文所設(shè)計(jì)的煙感報警器將工作于LoRa Class A模式。Class A是一種異步通信機(jī)制，其基本通信機(jī)制如圖2所示。工作在該模式下的煙感報警器僅在需要向外傳輸火情信息或用于設(shè)備維護(hù)心跳數(shù)據(jù)包時，報警器才會主動發(fā)起數(shù)據(jù)通信，并以無線收發(fā)器數(shù)據(jù)發(fā)送成功的中斷信號為起點(diǎn)，在RxDelay1之后的時刻開啟同頻接收窗口，等待來自NS服務(wù)器的用戶數(shù)據(jù)。如果煙感報警器在RX1接收窗口內(nèi)未接收到來自NS服務(wù)器的信息，煙感報警器將在RxDelay2時刻開啟固定頻點(diǎn)的RX2接收窗口，繼續(xù)等待下行數(shù)據(jù)。該機(jī)制與同步通信機(jī)制相比，可以省去偵聽喚醒的能耗，延長煙感報警器使用時間[11-12]。

1.2 煙感報警器的硬件組成

作為感煙報警系統(tǒng)中核心感知設(shè)備的煙感報警器，需要滿足功耗低、精度高、安裝方便、使用容易、成本低廉等特征，這就限制該類設(shè)備硬件的電子元器件選型和設(shè)計(jì)規(guī)則需要滿足低功耗低成本的特征。為了克服傳統(tǒng)煙感報警器布線繁瑣的困難，基于LoRa低功耗遠(yuǎn)距離的無線通信技術(shù)可以有效提升安裝維護(hù)的便捷性。由于邊緣計(jì)算需要豐富的數(shù)據(jù)特征滿足其時效性、多樣性以及關(guān)聯(lián)性數(shù)據(jù)處理需求，因此煙霧傳感器需要豐富信號量輸出。煙感報警器硬件組成主要包括低功耗主控芯片STM32L052、具有模擬量輸出的煙感報警器MQ-2和支持LoRa的遠(yuǎn)距離低功耗無線收發(fā)器SX1278。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

一般來說，煙感報警器各功能子模塊的功耗由工作平均電流、供電電壓和持續(xù)時間來決定，如式（1）所示。由于硬件模塊定型后，其工作電流和供電電壓均固定，因此只有減少相關(guān)模塊工作持續(xù)時間，才能降低煙感報警器的總體功耗。

由于煙霧傳感器的能耗在總能耗中占比最大，對于能量受限的煙感報警器來說，煙霧傳感器的總工作持續(xù)時間決定了煙感報警器的服務(wù)年限。在實(shí)際應(yīng)用場合中，只需對煙霧傳感器的輸出信號按特定采樣率進(jìn)行量化和分析即可實(shí)現(xiàn)火情信息的精準(zhǔn)捕獲，而兩次采樣之間的時間間隔內(nèi)完全可以讓煙霧傳感器進(jìn)入休眠模式，以降低該傳感器的平均能耗。因此，本文所設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)中，在煙霧傳感器的電源輸入端增加PMOS控制電路，通過主控制器的GPIO實(shí)現(xiàn)該傳感器電源開關(guān)控制，使煙霧傳感器工作于間歇式模式，從而降低煙感報警器的整體平均功耗，延長該類設(shè)備的工作年限。

2 邊緣檢測算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)火情信息的精準(zhǔn)捕獲，主控制器的ADC將會定期采集和分析煙感傳感器輸出的反應(yīng)煙霧濃度的模擬量信號，通過植入在主控制器中的智能算法給出當(dāng)前采集時刻的火災(zāi)探測結(jié)果。如果探測結(jié)果發(fā)生改變，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)主控制器中運(yùn)行的LoRaWAN協(xié)議封裝后通過SX1278發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，同時接收來自城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)云平臺的相關(guān)下行數(shù)據(jù)。反之，主控制器將會關(guān)閉所有外圍模塊，同時使其進(jìn)入休眠模式直至下一個采樣周期到來。

2.1 探測算法的設(shè)計(jì)

閾值等同于算法系統(tǒng)中邊界條件，是多種人工智能算法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)?；陂撝当容^的算法具有算法復(fù)雜度低、可靠性高、實(shí)現(xiàn)容易、資源占用少等優(yōu)勢，通常被應(yīng)用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中，煙感報警器通常也采用閾值檢測算法來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)狀態(tài)信息的感知。其算法原理如下所示：

式中：A（i）為煙霧傳感器輸出模擬量的量化數(shù)據(jù);B（n）為煙霧傳感器當(dāng)前的背景基準(zhǔn)值;T（n）為當(dāng)前火災(zāi)感知的閾值;F（n）為當(dāng)前檢測結(jié)果;TRUE表示有火情發(fā)生，F(xiàn)ALSE表示當(dāng)前無火情信息;n和i為采樣序列;W為連續(xù)檢測窗口中的采樣點(diǎn)個數(shù)。為了增強(qiáng)火情檢測算法的魯棒性，該算法中引入了連續(xù)檢測窗口W。只有煙霧傳感器輸出的連續(xù)W煙霧濃度偏移量大于特定的閾值，當(dāng)前狀態(tài)才會被識別成有火情發(fā)生，反之亦然。

2.2 自適應(yīng)基線算法

從式（2）可以看出，基準(zhǔn)值B（n）是煙感報警器性能優(yōu)劣的決定性因素之一。由于煙霧傳感器及其外圍電路會因自身物理特性、電子特性和長期使用后的電氣性能發(fā)生改變，導(dǎo)致各類監(jiān)測參數(shù)發(fā)生變化，在特定狀況下會引發(fā)煙感報警器產(chǎn)生誤報信息。同時，由于建筑內(nèi)的煙感長時間無人維護(hù)清理，大量灰塵沉降在煙霧傳感器內(nèi)，導(dǎo)致設(shè)備基準(zhǔn)背景值發(fā)生漂移。環(huán)境的變化也會增加煙感報警器誤報概率，如夏季空調(diào)出風(fēng)口附近安裝的煙感報警器容易受氣流和溫度的影響。通風(fēng)氣流進(jìn)入煙感報警器后會形成氣流旋，將停留或吸附在探測器保護(hù)遮罩網(wǎng)上的粉塵揚(yáng)起，達(dá)到報警門限值，從而造成誤警。

為了提高煙感報警器性能，基準(zhǔn)背景值應(yīng)能根據(jù)環(huán)境的變化自適應(yīng)調(diào)整，確保煙感報警器能夠在各類場合中取得較好的適應(yīng)性。在實(shí)際應(yīng)用中，權(quán)重適配性算法可以有效解決基線漂移問題：

式中：α為權(quán)重值，該值默認(rèn)可設(shè)置為0.01;B（n-1）和B（n）分別為上一時刻點(diǎn)與當(dāng)前時刻點(diǎn)的基準(zhǔn)值。在實(shí)際應(yīng)用中，該值可以通過LoRa的下行通道進(jìn)行自適應(yīng)匹配。從式（3）中可以看出，當(dāng)煙感報警器在沒有檢測到火警信息時，基準(zhǔn)背景將會按權(quán)重進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，有效克服了因?yàn)榄h(huán)境影響而導(dǎo)致基線漂移的問題。在火情發(fā)生時，基準(zhǔn)背景值保持不變，確?；€不被錯誤改變。

2.3 自適應(yīng)閾值算法

從式（2）可以看出，閾值T（n）是決定煙感報警器性能優(yōu)劣的另一個重要因素。與基線自適應(yīng)算法相似，也可采用權(quán)重方式進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

式中：β為權(quán)重值，該值默認(rèn)可以設(shè)置為0.99;T（n-1）和T（n）分別為上一時刻點(diǎn)與當(dāng)前時刻點(diǎn)的檢測閾值。該值也可以通過LoRa的數(shù)據(jù)下行通道進(jìn)行遠(yuǎn)程更新。

2.4 協(xié)同感知算法

在實(shí)際應(yīng)用中，建筑內(nèi)的一定區(qū)域都會安裝多個煙感報警器，一旦發(fā)生火災(zāi)，多個傳感器能同時報警。但由于煙感報警器單體性能不一致及安裝場合的差異，導(dǎo)致某些安裝點(diǎn)位的煙感報警器出現(xiàn)誤報。長時間的誤報會增加無線通信的頻次，造成無線信道資源浪費(fèi)和能量損失。同時，誤報時蜂鳴器的鳴叫聲會為用戶帶來一定困擾，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)下降，容易引發(fā)民眾對該類產(chǎn)品產(chǎn)生抵觸。

因此，針對上述單體誤報所產(chǎn)生的問題和煙感報警器監(jiān)測對象的普遍特征，通過區(qū)域內(nèi)多煙感報警器協(xié)同感知算法，針對容易誤報的煙感報警器設(shè)定特定參數(shù)。充分利用LoRa數(shù)據(jù)上下行通道，對煙感報警器中的α和β兩個參數(shù)根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程配置。該方案可以降低個體煙感報警器的誤報概率與無線發(fā)送的頻次，延長煙感報警器中電池的續(xù)航時間。

3 系統(tǒng)測試

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(shè)單位，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所作為主要協(xié)作單位，在上海市政府指導(dǎo)下，依據(jù)上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員發(fā)布的《新型城域物聯(lián)專網(wǎng)建設(shè)導(dǎo)則（2018版）》[13]，2017年底前在上海市多區(qū)建設(shè)并完成了城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并在上海市虹口區(qū)涼城街道完成了基于城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的智慧消防應(yīng)用落地與示范。

本文設(shè)計(jì)的獨(dú)立式煙感報警器在上海市虹口區(qū)涼城街道安裝部署了2 000余臺，所有煙感報警器均采用ABP（Activation by Personalization）入網(wǎng)模式，且工作于LoRa CLASS A模式，采用型號為ER14505M的鋰亞電池為其提供日常工作的能量。所有報警器與網(wǎng)關(guān)間均為雙向通信，開啟自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率功能（Adaptive Data Rate，ADR），支持

8路上行信道和1路下行通道，所有報警器與網(wǎng)關(guān)間的通信在不同無線頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率基礎(chǔ)上進(jìn)行。該方式可以在傳輸距離和消息時延間取得較好的折衷，具體測試結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)過長達(dá)2年測試的結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的基于LoRa獨(dú)立式煙感報警器具有穩(wěn)定性高、功耗低、維護(hù)方便等特征。部署的煙感報警系統(tǒng)進(jìn)一步加強(qiáng)了涼城街道的消防設(shè)施建設(shè)，為火災(zāi)防控工作提供了科學(xué)指引，奠定了消防防控對象精細(xì)化管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，改善了該區(qū)域內(nèi)消防安全環(huán)境，為該區(qū)域的公共安全及居民人身安全提供了有力保障。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)LoRa技術(shù)低功耗遠(yuǎn)距離特征，針對老舊建筑體消防系統(tǒng)智能化需求，給出了基于物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算技術(shù)的獨(dú)立式煙感報警器設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了該類產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)、硬件框架及嵌入式軟件算法實(shí)現(xiàn)原理。為滿足煙感報警器現(xiàn)場應(yīng)用場合的復(fù)雜性和多變性，本文提出了自適應(yīng)基線及閾值調(diào)整算法，并對多傳感器協(xié)調(diào)感知算法原理做了系統(tǒng)性闡述。經(jīng)過在現(xiàn)場長時間測試，設(shè)計(jì)的支持城域LoRa物聯(lián)專網(wǎng)的獨(dú)立式感煙傳感器具有功耗低、可靠性高和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，滿足了智慧消防應(yīng)用場景，具有較好的市場前景。

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作者簡介：湯奇峰（1968—），男，上海人，碩士學(xué)歷（博士在讀），CEO，研究方向?yàn)檎髷?shù)據(jù)交換研究、云平臺與安全研究、共享標(biāo)準(zhǔn)研究、數(shù)據(jù)確權(quán)和數(shù)據(jù)估值建模技術(shù)研究和大數(shù)據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)合規(guī)流通、多元融合、高效應(yīng)用等有效解決方案研究。