基于NB-IoT的高可靠智慧消防系統(tǒng)研究與開發(fā)*

徐 輝，熊書明，劉思純

（江蘇大學計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

隨著信息技術的不斷發(fā)展，構建智慧城市逐漸成為現(xiàn)代化城市建設的重要目標，而網(wǎng)絡化智慧消防系統(tǒng)研究與應用，有助于智慧城市進一步發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）可實現(xiàn)萬物互聯(lián)，將物理世界中的對象通過Internet連成一個復雜系統(tǒng)，并使其具有接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的能力[1]，其在城市智慧消防管理中的應用能夠使得城市管理更加精細化、動態(tài)化、信息化和智能化。作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術快速發(fā)展的一個重要方面，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-IoT，NB-IoT）的研究和應用得到越來越多的關注[2-3]。

第三代合作伙伴計劃 （3rd Generation Partnership Project，3GPP）在Rel-13中引入了一種專門用于海量機器類通信的全新無線接口——NB-IoT，該接口在許可的蜂窩頻譜上工作，并且與長期演進技術/長期演進技術升級版（Long Term Evolution/Long Term Evolution-Advanced，LTE/LTEA）系統(tǒng)兼容[4]，同時，具有深度室內(nèi)穿透性能，非常適合室內(nèi)應用。

本研究利用NB-IoT的重復傳輸機制、透明傳輸技術，開發(fā)高可靠智慧消防管理系統(tǒng)，在信噪比較低的接收環(huán)境下，通過增加重傳次數(shù)來大幅降低誤碼率，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 系統(tǒng)方案

1.1 基于NB-IoT的網(wǎng)絡架構設計

本文設計的基于NB-IoT的高可靠智慧消防系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構包含NB-IoT網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)云、終端應用3個部分，見圖1。

圖1 基于NB-IoT的網(wǎng)絡架構

1）NB-IoT網(wǎng)絡部分。負責上傳原始消防數(shù)據(jù)信息應用于遠程服務，并保證用戶命令在硬件層的順利執(zhí)行。詳細工作流程如下：在數(shù)據(jù)上傳階段，STM32微處理器將監(jiān)測對象中傳感器感知的溫度、煙霧濃度等實時數(shù)據(jù)進行處理，并通過Serial串行口發(fā)送到NB-IoT模塊，NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)打包為預先通過AT指令配置的受限應用協(xié)議（Constrained Application Protocol，CoAP）數(shù)據(jù)報發(fā)送到本地服務器，本地服務器解析后，經(jīng)過初步處理分析打包為消息隊列遙測傳輸協(xié)議 （Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議報文，發(fā)送云端；在命令執(zhí)行階段，本地服務器接收由云端轉(zhuǎn)發(fā)的命令信息，分析處理后，打包成CoAP報文交到設備的NB-IoT模塊，NB-IoT模塊通過預設的格式解析報文，并將命令交給STM32執(zhí)行（如驅(qū)動蜂鳴器報警）。

2）物聯(lián)網(wǎng)云部分。負責遠程應用接入。詳細工作流程如下：應用下發(fā)命令時，通過預先設定的規(guī)則引擎將命令轉(zhuǎn)發(fā)到NB-IoT網(wǎng)絡，同理，命令執(zhí)行完畢返回數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)由云端通過規(guī)則引擎返回應用服務器。

3）終端應用部分。提供用戶遠程操作消防系統(tǒng)硬件的平臺。用戶可通過超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）訪問消防預警遠程控制服務，進行硬件控制以及實時數(shù)據(jù)可視化分析與展示。

1.2 功能模塊結構設計

基于NB-IoT的高可靠智慧消防系統(tǒng)的功能模塊采用分層體系結構，包括硬件層、網(wǎng)絡層和應用層，見圖2。

圖2 功能模塊

1）硬件層。由感知模塊、預警模塊和滅火模塊組成。當火災發(fā)生時，溫度的變化是其最顯著特征之一，溫度升高的同時伴隨著濃煙產(chǎn)生，故選用溫度傳感器和煙霧濃度傳感器作為系統(tǒng)感知模塊。預警模塊和滅火模塊則分別選擇了蜂鳴器和花灑。

2）網(wǎng)絡層。由NB-IoT模塊、云平臺與各服務器組成。構建了硬件層與應用層之間的數(shù)據(jù)通道，從而保證系統(tǒng)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

3）應用層。由火情查看、設備詳情等模塊組成。提供了可供用戶便捷操作的界面，滿足用戶實時觀測火情的需求，并提供了控制消防設備功能，便于設備管理。

2 NB-IoT模塊設計與NB-IoT網(wǎng)絡仿真

2.1 NB-IoT模塊

系統(tǒng)的NB-IoT模塊選用M6710，其在NB-IoT網(wǎng)絡模式下，下行數(shù)據(jù)傳輸速率可達125 kb/s，上行速率可達150 kb/s，并內(nèi)置了傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）、用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）、MQTT、輕量級機器對機器 （Lightweight Machine to Machine，LwM2M）和CoAP等工作協(xié)議，可便捷連接到運營商及主流云平臺。其中，CoAP是一種固定的收發(fā)器機制，并且易于操作，通過配置相關的服務器地址和端口號即可創(chuàng)建UDP套接字，實現(xiàn)設備與服務器之間的透明傳輸。為了使系統(tǒng)簡單、可靠和便捷，選擇了CoAP模式作為M6710的工作模式。

2.2 NB-IoT網(wǎng)絡仿真

為證明NB-IoT技術的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，研究采取了仿真實驗策略，選擇NS3作為仿真驗證平臺，其LTE模塊經(jīng)過充分測試，被證明可以作為開發(fā)NB-IoT模塊的基礎，并支持長期演進技術-授權頻段的協(xié)助接入 （Long Term Evolution-Licensed Assisted Access，LTE-LAA）的擴展[5]，而LTELAA的NS3擴展可通過適當?shù)卣{(diào)整NS3中LTE參數(shù)來進行NB-IoT網(wǎng)絡分析，有助于評估NB-IoT的可靠性。

網(wǎng)絡仿真過程中，在固定的區(qū)域內(nèi)，隨機放置250臺NB-IoT設備（圖3中懸浮的深色圓點設備），并按照標準定義在單個物理資源塊（Physical Resource Block，PRB）上設置23 dBm的功率。假定NB-IoT設備是固定的，并向與其連接的NB基站（圖3中與2個淺色圓點設備相連接的深色圓點設備）發(fā)送固定大小的數(shù)據(jù)包，包長為20 B；在處于由多個NB基站覆蓋的情況下，NB-IoT設備始終連接到最近的接入節(jié)點。每個NB基站放置3個定向天線并以43 dBm的功率進行傳輸，同時模擬了本地服務器（圖3中與深色圓點設備相連接的2個淺色圓點設備）和云端，用于實際測試與評估，網(wǎng)絡仿真結果見圖3。

圖3 NB-IoT網(wǎng)絡仿真結果

用于網(wǎng)絡仿真分析的參數(shù)設置如下：用戶設備數(shù)量為250臺；用戶設備發(fā)射功率為23 dBm；NB基站發(fā)射功率為43 dBm；NB基站數(shù)量為20個；NB基站的LTE帶寬為832~864 MHz；發(fā)射模式為SISO；包長為20 B；重復次數(shù)為32次。

3 系統(tǒng)應用層設計

系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)云設計了消防預警遠程控制應用，主要功能包括火災預警和防火設備情況查看。

3.1 火災預警功能

功能詳細實現(xiàn)過程如下。以5 s為周期定期喚醒微處理器以進行火災狀態(tài)查詢，判斷當前地區(qū)是否出現(xiàn)火災。若判斷出現(xiàn)火災，觸發(fā)火災預警程序。微處理器獲取各火災特征參量感知設備數(shù)據(jù)，并激活NB-IoT模塊以將各參量發(fā)送至應用服務器，由應用服務器判斷各參量是否超過規(guī)定閾值。若超過閾值，激活電機，打開蜂鳴器和花灑；若未超過閾值，則立即跳出當前中斷子程序。如果有其他中斷子程序，則進入執(zhí)行；否則，進入休眠，等待下一次被喚醒。火災預警功能的偽代碼如下。

Begin

休眠5 s;

激活微處理器以獲取各火災特征參量;

激活NB模塊,由NB模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地服務器;

通過云端將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給應用服務器;

If(火災特征參量超過閾值) {

下發(fā)打開蜂鳴器和花灑的命令;

}else{

下發(fā)關閉蜂鳴器和花灑的命令;

}

云端將命令轉(zhuǎn)發(fā)給本地服務器;

本地服務器處理后發(fā)送到設備NB模塊;

微處理器通過串行口接受數(shù)據(jù);

If(打開){

打開蜂鳴器和花灑;

}else{

關閉蜂鳴器和花灑;

}

End

3.2 防火設備情況查看功能

功能詳細實現(xiàn)過程如下。防火設備情況查看程序通過外部中斷按鈕啟動。當用戶進入或刷新應用的火情查看或設備詳情模塊時，都會向服務器發(fā)送防火設備情況查看指令，服務器接收到指令后通過MQTT協(xié)議將其發(fā)送到云端，由云端轉(zhuǎn)發(fā)至本地服務器，最后由NB-IoT模塊接收指令信息，解析后發(fā)送到微處理器串行口，由微處理器獲取各防火設備情況信息；若獲取不到，代表該設備出現(xiàn)了問題，返回為null。獲取完畢后，通過NB-IoT模塊將信息返回，由應用服務器處理后顯示用戶界面。防火設備情況查看功能的偽代碼如下。

Begin

用戶進入或刷新火情查看或設備詳情模塊;

應用服務器接收到設備情況查看指令,并將其打包發(fā)送到云端;

云端將指令發(fā)送給本地服務器;

本地服務器發(fā)送到設備NB模塊;

微處理器收集設備信息;

If(可以收集到) {

通過NB模塊將信息返回應用服務器;

}else{

通過NB模塊返回null給應用服務器;

}

應用服務器將信息處理后顯示到應用界面;

End

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 NB-IoT可靠性測試與分析

為測試NB-IoT技術的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，基于圖3的網(wǎng)絡結構和網(wǎng)絡仿真結果，定義了NB-IoT仿真網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸接收率為整個網(wǎng)絡發(fā)送包數(shù)量與接收包數(shù)量之比，即

隨機選擇區(qū)域中10個NB-IoT設備，令其發(fā)送50次數(shù)據(jù)（每次發(fā)送1個包），在本地服務器記錄BR。網(wǎng)絡仿真過程中共進行了5次實驗，NB-IoT模塊可靠性測試結果見表1。BR分別為498，500，498，496，499，ρ的平均值為99.64%。以上結果表明，實際效果與預期一致，系統(tǒng)的NB-IoT通信模塊具有高連接可靠性。

表1 NB-IoT模塊可靠性測試結果

4.2 遠程訪問模塊

遠程訪問模塊包括4個一級目錄，分別為消防監(jiān)測、消防控制、系統(tǒng)管理和消防日志。消防監(jiān)測目錄下存在2個二級目錄，分別為火情查看和設備詳情。用戶可通過火情查看界面查看監(jiān)測地區(qū)的火情（如室內(nèi)溫度、室內(nèi)煙霧濃度），當發(fā)生火情（即數(shù)據(jù)超過閾值）時，可通過火情查看界面左下方的消防負責人聯(lián)系方式模塊及時通知消防人員；火情查看界面右下方為節(jié)點故障功能統(tǒng)計模塊，當達到一定節(jié)點數(shù)量之后，管理人員可通知維修人員進行檢修?；鹎椴榭唇缑娴挠脩舨糠挚梢暬僮饕妶D4。

圖4 火情查看界面的用戶可視化操作

5 結束語

本研究提出了一種基于NB-IoT的高可靠智慧消防系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)通過感知設備檢測火災情況，應用NB-IoT通信技術、CoAP和MQTT協(xié)議等，實現(xiàn)了用戶對火情和設備情況的實時監(jiān)測。

同時，通過比較火災特征參量數(shù)值與規(guī)定值，進行火災預警，達到了預期功能。隨著智慧消防系統(tǒng)的研究和應用，能夠使得越來越少的人遭受火災傷害。