基于NB-IoT的智慧消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜韜 徐志平

關(guān)鍵詞：NB-IoT;云平臺(tái);智慧消防

0 引言

隨著社會(huì)不斷推動(dòng)城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與轉(zhuǎn)型，作為保障居民財(cái)產(chǎn)與安全的消防措施也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，進(jìn)而提升滅火救災(zāi)能力。但是，傳統(tǒng)消防仍舊存在許多問題，諸如：依賴于消防安全管理人員的監(jiān)督力度與管理手段;無法預(yù)知、反映與處理監(jiān)控地區(qū)的火災(zāi)情況;當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，處理流程繁瑣與低效，不利于及時(shí)處理火災(zāi)情況;消防設(shè)備的安裝與布線程序復(fù)雜、成本較高，且維護(hù)困難等，已越來越不適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的要求。因此，迫切需要一種替代傳統(tǒng)消防模式的方案。

另一方面，移動(dòng)通信領(lǐng)域正逐漸轉(zhuǎn)向物與物之間的通信。物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為新時(shí)代通信領(lǐng)域的主力干將，可使用信息傳感設(shè)備，根據(jù)硬件通信協(xié)議（如MQTT，CoAP，AgentLite），實(shí)現(xiàn)物與物之間的網(wǎng)絡(luò)鏈接進(jìn)行信息交互，并可人為對(duì)設(shè)備下發(fā)命令、監(jiān)控、定位與管理等操作。諸多工業(yè)產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生海量連接需求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前的人與人之間通信的實(shí)際市場(chǎng)。然而，當(dāng)下的許多物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)物鏈接上卻顯得能力不足。NB-IoT因其海量鏈接能力、低功耗、低成本以及覆蓋范圍廣闊等優(yōu)點(diǎn)[1]，在處理上述難題方面顯得得心應(yīng)手。

本文提出基于NB-IoT 技術(shù)的智慧消防方案[2]，與傳統(tǒng)消防相比，智慧消防是指運(yùn)用NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將信息傳感與通信技術(shù)結(jié)合，達(dá)到實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)煙霧濃度數(shù)據(jù)、信號(hào)強(qiáng)度采集、通信、處理與報(bào)警等功能，提高滅火救災(zāi)的執(zhí)行效率，實(shí)現(xiàn)消防監(jiān)控的信息化。顯然，此項(xiàng)研究對(duì)于消防與物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)⒕哂袑?shí)際應(yīng)用價(jià)值[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

NB-IoT智能消防設(shè)備獨(dú)立組網(wǎng)由煙感模塊和蜂鳴報(bào)警器組成的感知層設(shè)備與NB-IoT通信模組組成，在有效范圍內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙霧濃度、信號(hào)強(qiáng)度等參數(shù)并判斷火災(zāi)狀況，同時(shí)可采集設(shè)備自身運(yùn)行數(shù)據(jù)（設(shè)備名稱、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、設(shè)備類型與報(bào)警情況）實(shí)時(shí)上傳至OceanConnect云平臺(tái)[4]。煙感監(jiān)控系統(tǒng)App 向OceanConnect云平臺(tái)發(fā)送Https請(qǐng)求，下載硬件設(shè)備收集到的信息，并進(jìn)行監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與火情處理等相關(guān)操作[5]，系統(tǒng)功能如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分包括核心模塊，如主控系統(tǒng)STM32L431RCT6單片機(jī)、NB35-A 通信模塊（內(nèi)嵌BC35-G 模組）、OLED 模塊、MQ-2 煙霧傳感器和有源蜂鳴器，以及核心電路，如主控電路、電源電路、復(fù)位電路、獨(dú)立按鍵電路、串口電路和外設(shè)接口電路。

2.1 STM32主控芯片

硬件設(shè)計(jì)主控模塊采用的是ST 公司旗下的32 位Cortex-M4 內(nèi)核超低功耗STM32L431RCT6 處理器[6]。CPU 具有高速Flash特性，能夠極大提升讀寫速度，且兼具保護(hù)機(jī)制，保證正確傳輸數(shù)據(jù)。煙感監(jiān)控設(shè)備需要長(zhǎng)期運(yùn)行，所以硬件設(shè)備的供電情況是很重要的問題，而STM32L4芯片則兼?zhèn)鋬?yōu)秀低功耗模式，很好地解決了該問題。

2.2通信模塊

本次設(shè)計(jì)選擇的通信模塊是NB35-A，它是一款低功耗、超高靈敏度的NB-IoT最小系統(tǒng)板。內(nèi)部選用移遠(yuǎn)的BC35-G模組，內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧，符合設(shè)計(jì)需求。模塊還采用了省電技術(shù)，電流功耗在省電模式（PSM）下，低至4μA。NB35-A 最小系統(tǒng)板可通過NB-IoT無線電通信協(xié)議（3G99 Rel.14），迅速實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的基礎(chǔ)設(shè)備建立通信。

2.3煙感模塊

煙感模塊由MQ-2 煙感氣敏元件和有源蜂鳴器組成[7]，工作電壓為5 V，且使用之前，需要預(yù)熱2 min 以上，至MQ-2 稍微發(fā)燙。當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域煙霧濃度上升時(shí)，輸出電壓會(huì)隨之升高;濃度下降時(shí)，輸出電壓隨之下降。與此同時(shí)，MQ-2模塊DO口外接有源蜂鳴器，當(dāng)監(jiān)測(cè)煙霧濃度值超過閾值時(shí)，則會(huì)報(bào)警。

3 OceanConnect云平臺(tái)

OceanConnect 云平臺(tái)開發(fā)者中心是華為向開發(fā)者提供的物聯(lián)網(wǎng)一站式開發(fā)工具，具備產(chǎn)品開發(fā)、應(yīng)用開發(fā)、自助測(cè)試及產(chǎn)品發(fā)布等多種能力，并提供了配套的開發(fā)指導(dǎo)、API參考等資源，端到端指引物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)?；诮y(tǒng)一的IoT生態(tài)圈，平臺(tái)包括我的設(shè)備、Profile開發(fā)、插件開發(fā)及插件管理等功能[8-9]。其中Profile 文件是用來描述設(shè)備類型和服務(wù)能力的文件，定義了設(shè)備的服務(wù)、屬性、命令等特性，對(duì)于整體的開發(fā)流程如圖2所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)煙感監(jiān)控功能的軟件主要由顯示頁面、登陸鑒權(quán)、數(shù)據(jù)與命令交互、添加設(shè)備、刷新與搜索等模塊組成。既要滿足數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新、設(shè)備的命令下發(fā)等操作功能，又要符合使用者的用戶體驗(yàn)（程序的穩(wěn)定與感官體驗(yàn)）以及界面的美觀，還能夠及時(shí)解決用戶的反饋與實(shí)時(shí)修改、更替與添加程序功能。設(shè)計(jì)的集成環(huán)境使用的是美國(guó)谷歌（Google）公司專門為開發(fā)自己旗下產(chǎn)品Android 應(yīng)用的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）：AndroidStudio[10]。軟件開發(fā)包使用的是JDK1.8版本。

主顯示界面的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能簡(jiǎn)潔，以免因過于繁多的事項(xiàng)導(dǎo)致用戶的選擇障礙，又要避免因過度追求極簡(jiǎn)而導(dǎo)致服務(wù)項(xiàng)的缺失，設(shè)計(jì)效果如圖3 所示。

鑒權(quán)請(qǐng)求是應(yīng)用服務(wù)器首次訪問OceanConnect 云平臺(tái)時(shí)，需要調(diào)用鑒權(quán)接口完成接入認(rèn)證;如果認(rèn)證過期，則必須重新調(diào)用此接口來進(jìn)行認(rèn)證。

軟件設(shè)計(jì)最重要的服務(wù)部分是數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)交互，決定著監(jiān)控系統(tǒng)的有效性與穩(wěn)定性?？紤]到多線程可能帶來的程序功能間沖突與癱瘓，以此造成較差的體驗(yàn)。因此，采用手動(dòng)刷新的方式更新數(shù)據(jù)，刷新流程圖如圖4所示。

添加設(shè)備：如果有后續(xù)已實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)交互的新增設(shè)備，又希望能在App界面顯示該設(shè)備監(jiān)控的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，有2種方式可以實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。第1種，在云平臺(tái)中新添真實(shí)設(shè)備，輸入設(shè)備名稱和設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)碼即可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn);第2 種，在App 上手動(dòng)添加設(shè)備，設(shè)計(jì)主要使用第2種方式。

搜索設(shè)備：當(dāng)設(shè)備數(shù)量眾多，又需及時(shí)搜索到想要的設(shè)備信息時(shí)，搜索功能必不可少。由于本次軟件設(shè)計(jì)只使用了一個(gè)具備通信功能的真實(shí)設(shè)備，因此不能較好體驗(yàn)搜索功能的效果。

報(bào)警命令能否及時(shí)下發(fā)關(guān)系到整個(gè)智慧消防監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，因此需要特別重視命令下發(fā)的穩(wěn)定性與及時(shí)性。要想實(shí)現(xiàn)應(yīng)用向?qū)拥脑O(shè)備下發(fā)命令，首先需要在設(shè)備Profile 文件中定義好相應(yīng)配置或修改設(shè)備的屬性。OceanConnect 平臺(tái)中具有2 種命令下發(fā)方式：立即執(zhí)行和緩存下發(fā)。其中，立即執(zhí)行是平臺(tái)收到下發(fā)命令后立刻下發(fā)給設(shè)備，保證及時(shí)與同步性。緩存下發(fā)是指平臺(tái)接收到命令后依次儲(chǔ)存在緩存區(qū)進(jìn)行排隊(duì)，按照串行下發(fā)的方式，在收到前一個(gè)命令的響應(yīng)后才會(huì)下發(fā)后一個(gè)命令，但是無法保證及時(shí)與同步性。由于本次報(bào)警命令下發(fā)需要能夠及時(shí)反應(yīng)情況，因此采用立即執(zhí)行方式，以確保有效處理火情狀況。

5 結(jié)束語

基于過去的傳統(tǒng)消防背景探討了傳統(tǒng)消防方式、滅火救災(zāi)手段的不足與弊端;同時(shí)，根據(jù)目前世界物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)分析NB-IoT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與前景。結(jié)合實(shí)際情況與功能需求，提出了基于NB-IoT 技術(shù)的智慧消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)方案。