基于LoRa的分布式火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文淵博 牛澳 毛夏煜 張?zhí)揖? 馮興樂(lè)

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展實(shí)現(xiàn)了人與物、物與物間的通信與控制，使我們的生活更加趨于智能化。在實(shí)際生活中，常見(jiàn)的有線按壓式火災(zāi)報(bào)警裝置無(wú)法自動(dòng)報(bào)警，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)需要人為按下開(kāi)關(guān)才能工作，而且在發(fā)生火災(zāi)時(shí)其供電電路往往會(huì)被燒毀，使開(kāi)關(guān)無(wú)法發(fā)揮作用。因此急需研究一種基于LoRa的分布式火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用來(lái)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)多種場(chǎng)景下的火災(zāi)情況，并在發(fā)生火災(zāi)時(shí)及時(shí)上報(bào)并報(bào)警。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠可靠地反饋場(chǎng)景火災(zāi)情況，且LoRa較遠(yuǎn)的傳輸距離與極低的功耗能夠充分滿足系統(tǒng)需求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警;LoRa;串行口通信;單片機(jī);傳感器

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年3月份全國(guó)共接火災(zāi)報(bào)警2.24萬(wàn)起，傷亡近200人，直接財(cái)產(chǎn)損失約2.14億元。其中室內(nèi)火災(zāi)9 084起，占到總數(shù)的40.5%，是人們生命財(cái)產(chǎn)安全受到傷害的一大源頭[1]。由此可見(jiàn)，室內(nèi)的火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是亟待解決的重要問(wèn)題。

目前來(lái)說(shuō)，考慮到成本問(wèn)題，多數(shù)建筑內(nèi)部使用的報(bào)警裝置均安裝在樓道或者主要倉(cāng)室等地方，室內(nèi)特別是私人辦公室很少見(jiàn)到火災(zāi)報(bào)警裝置，并且大多數(shù)建筑使用的是傳統(tǒng)按壓式報(bào)警系統(tǒng)，該裝置需要人為按壓才能進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警，具有一定的滯后性與危險(xiǎn)性。雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多類型的自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，如基于視覺(jué)分析，ZigBee，WiFi，藍(lán)牙等，但造價(jià)昂貴、傳輸距離短等缺點(diǎn)使許多用戶對(duì)其望而卻步。鑒于此，設(shè)計(jì)造價(jià)低廉、通信距離遠(yuǎn)、傳輸速率大、功耗極低且能被廣泛應(yīng)用的基于LoRa的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)便成為最佳選擇。該系統(tǒng)可在發(fā)生火災(zāi)時(shí)由子節(jié)點(diǎn)第一時(shí)間報(bào)警并發(fā)送火災(zāi)信息至匯總節(jié)點(diǎn)，方便用戶盡早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并采取相應(yīng)措施，避免造成大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[2]。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與架構(gòu)

按照主要功能的不同可以將系統(tǒng)分為感知端、收集端和應(yīng)用端。

（1）感知端包括MSP430F149單片機(jī)、感光火焰?zhèn)鞲衅鳌oRa無(wú)線通信模塊等，負(fù)責(zé)感知其范圍內(nèi)是否有火災(zāi)發(fā)生，生成包含當(dāng)前地址和火災(zāi)信息的數(shù)據(jù)并發(fā)送至收集端。

（2）收集端包括LCD顯示模塊、LoRa無(wú)線通信模塊等，負(fù)責(zé)收集來(lái)自感知端的數(shù)據(jù)，分析所得數(shù)據(jù)，得出包含的地址信息和火災(zāi)狀態(tài)后，在LCD對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行顯示并將這些信息發(fā)送至應(yīng)用端。

（3）應(yīng)用端是基于面向?qū)ο蟮腏ava程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的、適用于該系統(tǒng)的、可拓展的串行口通信軟件平臺(tái)，其主要負(fù)責(zé)分析由收集端上傳的數(shù)據(jù)，并在分析后判斷是否某一子節(jié)點(diǎn)有火災(zāi)發(fā)生并顯示該子節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，若發(fā)生火災(zāi)便立即報(bào)警。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 感知端的實(shí)現(xiàn)

感知端通過(guò)火焰?zhèn)鞲衅髋袛嗍欠癜l(fā)生火災(zāi)，在接收到由收集端下發(fā)的回送數(shù)據(jù)命令后將包含地址信息和火災(zāi)情況的數(shù)據(jù)發(fā)送至收集端，根據(jù)是否發(fā)生火災(zāi)改變節(jié)點(diǎn)處的火災(zāi)指示燈狀態(tài)與是否報(bào)警。該端以MSP430F149單片機(jī)為控制核心，它是一個(gè)16位、具有精簡(jiǎn)指令集、低功耗的單片機(jī)，擁有多路I/O設(shè)備接口，可以實(shí)現(xiàn)兩路串行通信，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程[3]。該端的主要實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。

采用感光火焰?zhèn)鞲衅髋袛嗍欠癜l(fā)生火災(zāi)。該傳感器能將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流變化，探測(cè)角約60°。為更加方便地獲取傳感器狀態(tài)，結(jié)合可調(diào)精密電位器和反相電壓比較器LM393共同構(gòu)成火焰探測(cè)模塊，其中可調(diào)精密電位器用來(lái)調(diào)節(jié)感知火焰的靈敏度，以滿足在不同場(chǎng)景下監(jiān)測(cè)火源對(duì)于靈敏度的不同要求。電壓比較器作為輸出口輸出邏輯電平，以提高該模塊的驅(qū)動(dòng)能力，保證輸出波形良好。當(dāng)傳感器感知到有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，輸出波形會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿令MCU產(chǎn)生外部中斷，進(jìn)入中斷后將執(zhí)行蜂鳴器響、指示燈亮、回送數(shù)據(jù)等操作?；鹧嫣綔y(cè)模塊電路連接方式如圖3所示。

為實(shí)現(xiàn)向收集端發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，該系統(tǒng)使用由ALIENTEK公司推出的低功耗、高性能、遠(yuǎn)距離收發(fā)的LoRa無(wú)線通信模塊，其采用高效的ISM頻段SX1278擴(kuò)頻芯片。SX1278芯片采用LoRa線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，其具有很強(qiáng)的通信抗干擾能力，對(duì)于相同頻率的干擾和噪聲具有極強(qiáng)的抑制能力;其抗多徑衰落能力表現(xiàn)良好，傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率極低[4]。該模塊頻段范圍為410 MHz～441 MHz，以1 MHz為步進(jìn)信道，共32個(gè)信道，功率為100 mW，接收靈敏度為-136 dBm，傳輸距離約為3 000 m。LoRa無(wú)線通信模塊與ZigBee，WiFi，藍(lán)牙等無(wú)線通信類型的對(duì)比見(jiàn)表1所列。在與MSP430F149單片機(jī)連接前，需要通過(guò)AT指令設(shè)置該模塊工作在透?jìng)髂Ｊ?，其波特率也?yīng)與單片機(jī)串行口通信設(shè)置的波特率一致，如此才能確保傳輸數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)正確進(jìn)行[5-6]。配置完成后，需要定義模塊的TXD引腳、RXD引腳與單片機(jī)的對(duì)應(yīng)引腳，并將其設(shè)置為特殊功能引腳，從而實(shí)現(xiàn)模塊與MCU串行口的正?；ネ?。

2.2 收集端的實(shí)現(xiàn)

收集端用于接收來(lái)自各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出其中所包含的地址信息和火災(zāi)狀態(tài)。在LCD中對(duì)應(yīng)位置顯示后再將數(shù)據(jù)重新打包發(fā)送至上位機(jī)。該端的功能主要利用LoRa模塊和串行口通信實(shí)現(xiàn)，其主要實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。

2.2.1 LoRa軟件協(xié)議

在實(shí)際生活中，需要同時(shí)監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)數(shù)一般超過(guò)10個(gè)，如果分別為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)具有感知端、收集端的單片機(jī)和LoRa無(wú)線通信模塊，這無(wú)疑大大降低了系統(tǒng)的拓展性，因此定義LoRa無(wú)線通信模塊發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)除模塊地址及校驗(yàn)位外，有效數(shù)據(jù)為一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度。在這一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)中，高7位為子節(jié)點(diǎn)地址，低1位為該子節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的對(duì)應(yīng)地址下的火災(zāi)狀態(tài)。并定義某一子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的有效字節(jié)數(shù)據(jù)與11111110進(jìn)行與邏輯運(yùn)算，得到一個(gè)字節(jié)，其為該子節(jié)點(diǎn)可識(shí)別的回送數(shù)據(jù)命令，如某一子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)為10101101，在與11111110進(jìn)行與邏輯運(yùn)算后可得出該子節(jié)點(diǎn)可識(shí)別的回送數(shù)據(jù)命令為10101100，即當(dāng)該子節(jié)點(diǎn)收到10101100這一個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)命令時(shí)，便將已準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa回送至收集端。

當(dāng)感知端、收集端分別上電后該系統(tǒng)開(kāi)始工作，此時(shí)收集端向應(yīng)用端告知其已在線，之后便通過(guò)收集端LoRa從所定義的最低地址即00000010到最高地址11111110循環(huán)廣播這些命令，在感知端接收到當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)的回送數(shù)據(jù)命令后便回送數(shù)據(jù)，大大降低了數(shù)據(jù)在傳送過(guò)程中丟失與發(fā)生錯(cuò)誤的幾率[7-8]。另外，由于LoRa是一種半雙工無(wú)線通信模塊，在通信時(shí)極大可能發(fā)生收發(fā)數(shù)據(jù)沖突情況，為解決多個(gè)子節(jié)點(diǎn)向一個(gè)匯總節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可能發(fā)生的數(shù)據(jù)堵塞、碰撞等問(wèn)題，收集端在廣播的兩個(gè)命令之間插入了一定延時(shí)，以此保證在收集端接收來(lái)自感知端的數(shù)據(jù)時(shí)信道處于空閑狀態(tài)。

該軟件協(xié)議方案的提出，一方面增強(qiáng)了該系統(tǒng)的拓展性、穩(wěn)定性，另一方面將可掛接子節(jié)點(diǎn)增加至128個(gè)，滿足了絕大多數(shù)場(chǎng)景下同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)場(chǎng)景火災(zāi)情況的要求。

2.2.2 上傳數(shù)據(jù)至應(yīng)用端的實(shí)現(xiàn)

MSP430F149單片機(jī)可以進(jìn)行兩路串行口通信，但在感知端與收集端的通信結(jié)構(gòu)中已經(jīng)占用了該單片機(jī)的UART0串行口，因此使用UART1作為向應(yīng)用端上傳經(jīng)收集端分析打包的數(shù)據(jù)串行口。在該系統(tǒng)中收集端無(wú)需從應(yīng)用端得到下送數(shù)據(jù)或命令，因此除供電電路外收集端與應(yīng)用端僅需1根串行通信線即可實(shí)現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)的功能，為故障源檢測(cè)和系統(tǒng)搭建解決困難[9]。

2.3 應(yīng)用端軟件的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用端由面向?qū)ο蟮腏ava程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，該語(yǔ)言具有面向?qū)ο?、多線程等特性，結(jié)合RxTxcomm.jar依賴包便可以很快地實(shí)現(xiàn)串行口通信，又因該語(yǔ)言的平臺(tái)無(wú)關(guān)性，使得該應(yīng)用端軟件可以一次編譯，廣泛運(yùn)行，大大拓寬了該系統(tǒng)的應(yīng)用面[10-11]。應(yīng)用端系統(tǒng)流程如圖5所示。

基于LoRa的分布式火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用端主界面如圖6所示，該軟件將每一節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)具體地址，通過(guò)分析由收集端上傳的數(shù)據(jù)來(lái)確定是否改變對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)燈狀態(tài)，并在監(jiān)測(cè)到火災(zāi)發(fā)生時(shí)通過(guò)上位機(jī)揚(yáng)聲器報(bào)警。但由于該系統(tǒng)目前是可實(shí)用的非商業(yè)化系統(tǒng)，故在此應(yīng)用端軟件中只出現(xiàn)了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)滿足系統(tǒng)整體功能測(cè)試，并未將所有掛接子節(jié)點(diǎn)體現(xiàn)。為了進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的再生能力和靈活性，在軟件接收到由收集端上傳的來(lái)自所定義的最大地址的子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，統(tǒng)計(jì)已經(jīng)收到的所有數(shù)據(jù)，并判斷是否未收到來(lái)自某一子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將對(duì)應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)地址通過(guò)下拉列表顯示，以方便用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并維修。除此之外，該軟件提供用戶自定義功能，用戶可在系統(tǒng)安裝初期確定每一個(gè)子節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的房間號(hào)或樓層號(hào)等具體地址，只需要在對(duì)應(yīng)子節(jié)點(diǎn)后的TEXT輸入框中輸入即可。安裝完成后，用戶可以從主界面中監(jiān)測(cè)每一個(gè)具體地址的火災(zāi)情況。

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

待該系統(tǒng)的三個(gè)功能端建立后，在模擬實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下進(jìn)行測(cè)試。為簡(jiǎn)化測(cè)試條件，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景包括2個(gè)感知端子節(jié)點(diǎn)、1個(gè)收集端、1個(gè)應(yīng)用端，使用打火機(jī)火焰作為模擬火源，分別測(cè)試火焰?zhèn)鞲衅鞯母兄秶?、LoRa實(shí)際有效通信距離、系統(tǒng)整體工作性能，以及當(dāng)某一功能端發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)的工作情況，進(jìn)一步確認(rèn)該系統(tǒng)是否可對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的火災(zāi)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與報(bào)警[12]。

3.1 火焰探測(cè)模塊測(cè)試

該探測(cè)模塊基于感光傳感器建立，在電路中采用LM393反相電壓比較器作為輸出接口，該電壓比較器在未探測(cè)到火焰時(shí)電路保持高電平輸出，探測(cè)到火焰時(shí)輸出為低電平，在火焰消失時(shí)輸出變回高電平。在該電路中，如果將滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)至0 Ω，則無(wú)論外部環(huán)境如何變化，模塊輸出恒為高電平;如果將滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)至10 kΩ，則無(wú)論外部環(huán)境如何變化，模塊輸出恒為低電平。

通過(guò)綜合考慮，將滑動(dòng)變阻器用一7 kΩ的定值電阻代替進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)數(shù)字示波器觀察模塊輸出波形變化，控制模擬火源正對(duì)傳感器保持不變，測(cè)量在不同距離時(shí)模塊的輸出結(jié)果，具體見(jiàn)表2所列。

通過(guò)觀察測(cè)試結(jié)果，火焰探測(cè)模塊與模擬火源正對(duì)距離不超過(guò)80 cm為該探測(cè)模塊的可感知有效距離。但因?yàn)闇y(cè)試使用的模擬火源是打火機(jī)火焰，其火焰強(qiáng)度不足，而實(shí)際場(chǎng)景中的火源強(qiáng)度更高、面積大、溫度高，更容易被該探測(cè)模塊感知到，故根據(jù)本次測(cè)試結(jié)果可知，該模塊探測(cè)火焰的靈敏度高，且輸出穩(wěn)定，滿足該系統(tǒng)室內(nèi)范圍監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)要求。

3.2 LoRa有效通信距離測(cè)試

作為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)通信功能的核心模塊，LoRa無(wú)線通信距離是決定整個(gè)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的關(guān)鍵[13]，為此在建筑體內(nèi)對(duì)感知端與收集端的有效通信距離進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前分別在感知端和收集端MSP430F149單片機(jī)的第二組I/O口接8個(gè)LED電平指示燈。測(cè)試方法：感知端發(fā)送一個(gè)字節(jié)有效數(shù)據(jù)0xf0到收集端，收集端在收到該數(shù)據(jù)后利用8個(gè)LED電平指示燈顯示二進(jìn)制碼，然后將這一字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)求反碼并發(fā)送給感知端，感知端在收到該數(shù)據(jù)后利用LED電平指示燈顯示該二進(jìn)制碼（此后所有二進(jìn)制數(shù)將轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制表示）。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)變量，本實(shí)驗(yàn)只測(cè)試了不同樓層間的LoRa通信情況，且墻壁厚度默認(rèn)一樓天花板到二樓地面的距離為20 cm，每層樓高度為3 m，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3所列。

該測(cè)試方法盡可能還原了本系統(tǒng)發(fā)送端與收集端每次通信所需要發(fā)送的數(shù)據(jù)大小和實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境，實(shí)驗(yàn)中接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的概率為0，結(jié)果證明，LoRa的建筑內(nèi)無(wú)線通信距離滿足該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3.3 系統(tǒng)整體測(cè)試

在火焰探測(cè)模塊和LoRa無(wú)線通信模塊測(cè)試完成后，考慮到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景裝置放置情況，將兩個(gè)感知端子節(jié)點(diǎn)分別放置在建筑體兩層的兩個(gè)房間內(nèi)，并在另一層放置收集端與應(yīng)用端，以此進(jìn)行系統(tǒng)整體測(cè)試[14]。本次測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4所列。

測(cè)試表明，該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果與人工監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，而且能夠自主報(bào)警與顯示，滿足該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)要求。

3.4 系統(tǒng)故障測(cè)試

火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景故障測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5所列。

可以看出，在某一感知端子節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，不影響其他子節(jié)點(diǎn)的正常工作;在收集端出現(xiàn)故障時(shí)，各感知端子節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作;在應(yīng)用端出現(xiàn)故障時(shí)，各感知端子節(jié)點(diǎn)與收集端均可正常工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析目前的火災(zāi)安全問(wèn)題現(xiàn)狀，基于LoRa無(wú)線通信模塊，使用MSP430F149單片機(jī)作為三端連通核心，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及面向?qū)ο蟮腏ava程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了基于LoRa的分布式火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)闡述該系統(tǒng)3個(gè)功能端的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)方案，經(jīng)過(guò)在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下具體的反復(fù)測(cè)試與結(jié)果分析，確定該系統(tǒng)滿足監(jiān)測(cè)火情、自主報(bào)警、無(wú)線通信的功能需求，并且可以進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。另外，無(wú)論是感知端還是應(yīng)用端都具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景的需要進(jìn)行不同的擴(kuò)展及開(kāi)發(fā)。綜上所述，基于LoRa無(wú)線通信背景下的火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)將是消防安全領(lǐng)域中新的發(fā)展方向，其將火災(zāi)監(jiān)測(cè)、火災(zāi)報(bào)警、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，能夠高效地挽救生命財(cái)產(chǎn)。

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