智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

連蓮

摘要：為了從根本上解決傳統(tǒng)消防監(jiān)控系統(tǒng)功能簡單、無線通信距離短、誤碼率高、網(wǎng)絡(luò)連接繁瑣等問題，設(shè)計一款功能完善、實用性強的智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。首先，在完成對系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，從終端采集終點設(shè)計、中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計、射頻結(jié)構(gòu)設(shè)計三個方面入手，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計；其次，從節(jié)點軟件設(shè)計、應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計兩個方面入手，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計；最后，對系統(tǒng)性能進行了全面測試。結(jié)果表明：設(shè)計的智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)除了可以實現(xiàn)對互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的快速接入，還保證了組網(wǎng)的便捷性，降低了數(shù)據(jù)誤差，使得系統(tǒng)靈敏度得以大幅度提升，同時，還能提高數(shù)據(jù)傳輸效率和通信距離。

關(guān)鍵詞：智慧消防；物聯(lián)網(wǎng)；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：X913.4? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）11-0032-03

現(xiàn)階段，LoRa無線通信技術(shù)作為一種常用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，該技術(shù)在實際應(yīng)用中通過對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行采集和傳輸，極大地提高了人機交互的智能化水平，同時，還簡化了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜度，降低了數(shù)據(jù)采集誤差，使得應(yīng)用成本降到最低，另外，還保證了遠距離數(shù)據(jù)傳輸效率，極大地提高了系統(tǒng)遠程報警監(jiān)控功能和故障排查功能的實現(xiàn)效果。因此，在LoRa無線通信技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地設(shè)計和實現(xiàn)智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

在智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中主要用到了智能消防安全出口標(biāo)志燈，該標(biāo)志燈除了具有強大的引導(dǎo)功能外，還具有紅外探測功能、有害氣體檢測功能、數(shù)據(jù)收發(fā)功能等多種功能，便于用戶全面地監(jiān)控現(xiàn)場態(tài)勢發(fā)展情況。為了確保所設(shè)計的智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠更好地滿足復(fù)雜化環(huán)境使用需求，在進行實際設(shè)計期間，技術(shù)人員要將采集節(jié)點和中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點的工作時間、傳輸距離、傳輸速率分別設(shè)置為10min、19m、35kbps，同時，還要盡可能降低溫度數(shù)據(jù)采集誤差，從而確保系統(tǒng)具有功耗低、靈敏度高、誤報率低等性能。智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集控制、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、采集節(jié)點、中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點和5G網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等組成，該系統(tǒng)通過利用LoRa無線網(wǎng)絡(luò)，將采集節(jié)點和中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行有效連接，使得這兩個節(jié)點呈現(xiàn)出一對多的通信模式。通過將采集節(jié)點設(shè)置在智能樓宇內(nèi)，可以實現(xiàn)對現(xiàn)場相關(guān)重要數(shù)據(jù)信息的全面化采集和整理，中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要用于對節(jié)點數(shù)據(jù)的接收，并利用5G網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器傳輸相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)，此時，控制管理中心利用系統(tǒng)PC端隨意登錄和訪問服務(wù)器內(nèi)的重要信息數(shù)據(jù)，同時，服務(wù)器采用發(fā)送短信的方式，確保管理人員快速與消防救援管理中心之間建立密切的聯(lián)系。

2 智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)主要用到了兩種節(jié)點，一種是采集節(jié)點，另一種是中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點，其中，采集節(jié)點用到了STM32F042F6P6微控制器，中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點用到了STM32F030C8T6微控制器。兩款MCU具有良好的運行性能，工作頻率高達50MHz[1]，所使用的存儲器具有高速嵌入性能，為了進一步提高技術(shù)人員代碼編寫效率，需要將8位設(shè)備與16位設(shè)備進行有效結(jié)合，并將其連接于ARM內(nèi)核中。兩種微控制器對低功率模式提供了很好的支持作用，完全符合系統(tǒng)低功耗管控相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2.1? 終端采集終點設(shè)計

本文所使用的智能消防安全出口標(biāo)志燈完全滿足相關(guān)性能參數(shù)設(shè)置需求，該標(biāo)志燈在原有引導(dǎo)功能的基礎(chǔ)上，還增加了多種實用功能，例如：紅外探測功能、煙霧探測功能、溫度采集功能和外界通信功能等。所有的采集節(jié)點均含有相應(yīng)的ID，在進行實際安裝期間，技術(shù)人員要嚴(yán)格按照建筑平面設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，對這些采集節(jié)點進行科學(xué)安裝[2]，從而保證系統(tǒng)定位功能的實現(xiàn)效果。一旦現(xiàn)場出現(xiàn)突發(fā)安全事件，系統(tǒng)會自動啟動采集節(jié)點，對突發(fā)安全事件出現(xiàn)的具體位置進行精確定位。采集節(jié)點所起到的核心作用為：通過全面采集和精確監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境相關(guān)參數(shù)，向中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳輸溫度、有害氣體濃度以及火情情況等相關(guān)信息，同時，還要借助控制中心采用遠程管控的方式對現(xiàn)場進行管控，便于及時處理現(xiàn)場出現(xiàn)的異常情況，從而有效保障人們的人身安全和財產(chǎn)安全[3]。

2.2? 中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要用于對相關(guān)重要信息數(shù)據(jù)的接收或者上傳，確保系統(tǒng)具有強大的檢測功能，中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了充分發(fā)揮和利用中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點的應(yīng)用優(yōu)勢，現(xiàn)將該節(jié)點設(shè)置在LoRa無線通信網(wǎng)絡(luò)接收區(qū)域內(nèi)，以實現(xiàn)對所上傳信息數(shù)據(jù)的采集處理，然后對這些采集好的數(shù)據(jù)進行一系列打包處理[4]，在此基礎(chǔ)上，還要采用UDP透傳模式，利用5G網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器傳輸重要信息數(shù)據(jù)，以保證信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、可靠性?/p>

2.3? 射頻結(jié)構(gòu)設(shè)計

射頻結(jié)構(gòu)在具體設(shè)計中主要用到了擴頻調(diào)制跳頻技術(shù)，通過利用該技術(shù)可以最大限度提高系統(tǒng)靈敏度，此外，通過采用LoRa鏈接預(yù)算模式可以拓展通信范圍，使得系統(tǒng)的通信性能得以大幅度提高。為了進一步提高LoRa通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、安全性和靈活性，技術(shù)人員要在利用擴頻調(diào)制帶寬的基礎(chǔ)上不斷增加多個發(fā)射信號的抗干擾性能。另外，射頻結(jié)構(gòu)為用戶提供了帶寬選擇功能，便于用戶根據(jù)自身的需求，選用合適的帶寬，該射頻結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的擴頻因子最小值為6，最大值為12，有效地覆蓋了各個可用的頻道[5]。

3 智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1? 節(jié)點軟件設(shè)計

采集節(jié)點主要用于現(xiàn)場狀態(tài)相關(guān)信息數(shù)據(jù)的完整化、全面化采集，此外，利用無線射頻網(wǎng)絡(luò)可以向中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時，還能利用5G網(wǎng)絡(luò)模塊向服務(wù)器傳輸相應(yīng)的終端數(shù)據(jù)[6]。采集節(jié)點在實際運用中需要借助中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點從控制中心獲取到相應(yīng)的報文命令幀，并對數(shù)據(jù)的正確性和有效性進行校驗，經(jīng)過校驗發(fā)現(xiàn)命令幀數(shù)據(jù)真實有效，再將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街欣^網(wǎng)關(guān)節(jié)點并呈現(xiàn)在PC端屏幕上。

3.2? 應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計

通信協(xié)議設(shè)計水平的提高在控制傳輸數(shù)據(jù)的丟包率方面具有重要作用，數(shù)據(jù)在實際傳輸期間一旦出現(xiàn)傳輸異常，將會導(dǎo)致解壓后的數(shù)據(jù)包出現(xiàn)不完整性，最終降低了所采集數(shù)據(jù)的真實性和正確性[7]。該系統(tǒng)應(yīng)用層在具體設(shè)計中主要采用了自定義協(xié)議設(shè)計方式，對所采集好的終端數(shù)據(jù)進行一系列打包處理，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该鞫?。為了實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的安全化發(fā)送和接收，需要利用CRC16校驗算法，對接收設(shè)備進行優(yōu)化處理，確保數(shù)據(jù)能夠安全、可靠地傳輸，同時，數(shù)據(jù)可以從系統(tǒng)采集節(jié)點傳輸?shù)街欣^網(wǎng)關(guān)節(jié)點中，當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)成功構(gòu)建并投入使用后，中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點與采集節(jié)點之間通常存在一定的映射關(guān)系，該映射關(guān)系呈現(xiàn)出一對多狀態(tài)。此外，采集節(jié)點與中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間可以構(gòu)建相應(yīng)的連接關(guān)系，該連接關(guān)系可以呈現(xiàn)出一對一狀態(tài)[8]。采用廣播實現(xiàn)的方式全面了解和把握中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點的覆蓋情況，同時還要采用遠程管控的方式對所有采集節(jié)點進行統(tǒng)一化管理[9]。該系統(tǒng)在實際設(shè)計中還可以利用下發(fā)報文命令，全面查看和了解該標(biāo)志燈的設(shè)備信息、功能狀態(tài)以及運行時間等相關(guān)信息，為后期故障實時監(jiān)測創(chuàng)造良好的條件。

4 智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的測試與分析

通過將智能消防標(biāo)志燈安裝和固定于地下停車場位置處，并完成對系統(tǒng)測試環(huán)境的搭建，然后對該標(biāo)志燈的運行性能進行有效檢驗。在對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行測試期間，所涉及的節(jié)點類型包含中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點和終端采集節(jié)點兩種，其中中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)量為4個，利用該節(jié)點可以向服務(wù)器內(nèi)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，然后利用第三方短信服務(wù)平臺實現(xiàn)對數(shù)據(jù)結(jié)果的有效接收，同時還能借助PC端訪問服務(wù)器，實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的實時查看。此外，還要在構(gòu)建樓層復(fù)雜環(huán)境的基礎(chǔ)上對海量數(shù)據(jù)接收過程進行全面化測試，在整個測試期間需要將射頻中心頻率、發(fā)射功率、串口波特率分別設(shè)置為433MHz、20dBm、1152000bps。測試結(jié)果如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)據(jù)傳輸速度最小值為139bps，最大值為37349bps，接收法的靈敏度達到了-138.5dBm，完全符合系統(tǒng)靈敏度設(shè)置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。當(dāng)終端采集點處于所設(shè)置好的墻壁狀態(tài)下，使用無線通信網(wǎng)絡(luò)可以將網(wǎng)絡(luò)信號的衍射范圍控制在20m以上，完全符合系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，這說明本文所設(shè)計的智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的通行能力。LoRa射頻通信的不斷提升有效地證明了該系統(tǒng)具有較高的網(wǎng)絡(luò)通信穿透能力，完全符合樓宇自動化控制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

為了更好地驗證該系統(tǒng)在AD采集轉(zhuǎn)換方面所表現(xiàn)出的性能，需要在25℃的室溫下執(zhí)行溫度采集測試并將總測試次數(shù)設(shè)置為100次，該系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)采集能力，采集精度可達到92%，完全符合系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

5 結(jié)語

綜上所述，本文所設(shè)計的智慧消防物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中表現(xiàn)出較高的抗干擾性能，同時還簡化了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議內(nèi)容，使得誤碼率降到了最低，數(shù)據(jù)采集正確率提升至93％。該系統(tǒng)科學(xué)地應(yīng)用了5G網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，使系統(tǒng)的運行性能得以大幅度提升，為后期消防工作的開展提供了重要的平臺支持，為進一步提高智慧城市建設(shè)服務(wù)水平創(chuàng)造了良好的條件。

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Design and implementation

of intelligent firefighting IOT monitoring system

Lian Lian

（Tianjin Dongli District Fire and Rescue Brigade，Tianjin 300300）

Abstract：In order to fundamentally solve the problems of traditional fire monitoring system with simple function， short wireless communication distance， high bit error rate and cumbersome network connection， a smart fire IOT monitoring system with perfect function and high practicality is designed. Firstly， on the basis of completing the overall structure design of the system， the system hardware design is completed from three aspects of terminal collection endpoint design， relay gateway node design and RF structure design; secondly， the system software design is completed from two aspects of node software design and application layer communication protocol design; finally， the system performance is tested comprehensively. The results show that： the designed intelligent firefighting IOT monitoring system can realize fast access to the interconnection network， but also ensure the convenience of networking， reduce the data error， make the system sensitivity can be greatly improved， at the same time， it can also improve the data transmission efficiency and communication distance.

Keywords：intelligent firefighting; Internet of things; monitoring system