基于OpenHarmony的智能物聯(lián)網(wǎng)消防報(bào)警設(shè)備研究

摘要：人工智能與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合而產(chǎn)生的人工智能物聯(lián)網(wǎng)已成為促進(jìn)信息技術(shù)進(jìn)步，構(gòu)建萬物智聯(lián)社會(huì)的技術(shù)基礎(chǔ)。國家信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新旨在采用國產(chǎn)軟硬件構(gòu)建數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，在消防領(lǐng)域需要進(jìn)一步應(yīng)用國產(chǎn)新技術(shù)來賦能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一種采用國產(chǎn)芯片和國產(chǎn)操作系統(tǒng)OpenHarmony技術(shù)的消防報(bào)警設(shè)備，采用云端協(xié)同方案，滿足智慧消防的行業(yè)需求。

關(guān)鍵詞：智能物聯(lián)網(wǎng)；消防報(bào)警設(shè)備；OpenHarmony；Hi3861

引言

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，二者互相結(jié)合，滿足行業(yè)的智能化需求。物聯(lián)網(wǎng)和人工智能是這個(gè)時(shí)代最重要的兩項(xiàng)技術(shù)手段，由此產(chǎn)生了人工智能物聯(lián)網(wǎng)。人工智能物聯(lián)網(wǎng)把人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，物聯(lián)網(wǎng)擁有海量數(shù)據(jù)來源，借助云計(jì)算技術(shù)，可以構(gòu)建智慧互聯(lián)的產(chǎn)品技術(shù)方案，賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展。當(dāng)前我國消防領(lǐng)域智能化程度不高，迫切需要智能化解決方案，而當(dāng)前國產(chǎn)化已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)，國產(chǎn)智能化設(shè)備賦能，滿足了信創(chuàng)技術(shù)要求，構(gòu)建了自主可控的技術(shù)生態(tài)體系。OpenHarmony是一款萬物智聯(lián)時(shí)代的操作系統(tǒng)，與消防領(lǐng)域結(jié)合構(gòu)建國產(chǎn)化設(shè)備，是消防領(lǐng)域的一大創(chuàng)新。OpenHarmony根據(jù)硬件能力不同，可以配置三種不同內(nèi)核，其中輕量?jī)?nèi)核LiteOS-M是面向MCU類處理器，適用于ARMCortex-M平臺(tái)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)[1]。本方案采用國產(chǎn)芯片Hi3861和OpenHarmony輕量?jī)?nèi)核LiteOS-M操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了燃?xì)鈾z測(cè)與報(bào)警設(shè)備，采用云端協(xié)同的技術(shù)架構(gòu)方案，通過云端協(xié)同對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置，方便了用戶操作，節(jié)省了成本。

一、硬件設(shè)計(jì)

本智能報(bào)警器設(shè)備采用中軟國際公司的LYW-S1H1Wi-Fi模組，模組化設(shè)計(jì)便于快速集成到各種產(chǎn)品中，同時(shí)還具備功耗低、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特性，可以幫助用戶更容易實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)和商業(yè)應(yīng)用[2]，模組如圖1所示。

主控芯片采用海思Hi3861，Hi3861芯片采用32位嵌入式CPU，最大工作頻率160MHz，集成了Wi-Fi芯片、藍(lán)牙芯片、RAM、flash，芯片功能完備，提高了開發(fā)效率。該芯片是一款高度集成的24GHz、低功耗SoCWi-Fi芯片，集成了IEEE80211b/g/n基帶和RF電路，RF電路包括功率放大器PA、低噪聲放大器LNA、RFbalun、天線開關(guān)以及電源管理等模塊；支持20MHz標(biāo)準(zhǔn)帶寬和5MHz/10MHz窄帶寬，提供最大722Mbit/s物理層速率。芯片Wi-Fi基帶支持正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，并向下兼容直接序列擴(kuò)頻（DSSS）和補(bǔ)碼鍵控（CCK）技術(shù)，支持IEEE80211b/g/n協(xié)議的各種數(shù)據(jù)速率。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器用于檢測(cè)煙霧和火焰，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給檢測(cè)模組，檢測(cè)模組把數(shù)字化信息傳給主控，主控通過Wi-Fi來傳輸數(shù)據(jù)。

煙霧檢測(cè)采用MQ-2煙霧傳感器模塊，該氣體傳感器可以準(zhǔn)確探測(cè)多種氣體，具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單和性價(jià)比高等特點(diǎn)，有模擬和數(shù)字信號(hào)輸出兩種選擇，4個(gè)引腳分別為：VCC（電源線）、GND（地線）、DO（數(shù)字信號(hào)）、AO（模擬信號(hào)）。該系列傳感器使用的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導(dǎo)體，傳感器加熱后，在不同氣體濃度中電導(dǎo)率不同。使用簡(jiǎn)單的電路就可以將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出。煙霧傳感器模塊的VCC、GND分別連接到開發(fā)板的5V、GND。模塊的AO引腳連接到開發(fā)板的模擬引腳A0，模塊的DO引腳連接到開發(fā)板的數(shù)字引腳，原理如圖3所示。

二、軟件設(shè)計(jì)

DevEco Device Tool是面向智能設(shè)備開發(fā)者提供的一站式集成開發(fā)環(huán)境，支持組件按需定制，支持代碼編輯、編譯、燒錄和調(diào)試、性能監(jiān)測(cè)等功能，支持C/C++語言，以插件的形式部署在Visual Studio Code上，支持Windows1064位或Ubuntu18及以上版本。DevEco Device Tool開發(fā)環(huán)境安裝過程中會(huì)自動(dòng)安裝依賴工具包括NodeJS、Python和Gcc編譯器，通過一站式安裝，省去了繁瑣的安裝過程。打開Visual Studio Code后，打開左側(cè)的DevEco插件即可開始工程建立，代碼編寫，固件燒錄和調(diào)試。

通過3861模組構(gòu)造智能物聯(lián)網(wǎng)消防設(shè)備端，與后臺(tái)服務(wù)器通信方式采用Wi-Fi，通過MQTT協(xié)議傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)采用華為云，在云平臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置后，設(shè)備端采用華為云SDK就可以直接在云平臺(tái)看到采集到的數(shù)據(jù)。在華為云平臺(tái)的賬戶注冊(cè)，進(jìn)入設(shè)備接入IoTDA模塊進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)建，然后開發(fā)Profile文件，點(diǎn)擊新建服務(wù)為所設(shè)計(jì)的消防報(bào)警設(shè)備進(jìn)行煙霧、火焰濃度等屬性的設(shè)置，當(dāng)濃度超標(biāo)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。設(shè)備端采用OpenHarmony的LiteOs-M輕量操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件分解為三個(gè)操作系統(tǒng)任務(wù)，分別是Wi-Fi連接、MQTT傳輸任務(wù)、燃?xì)鈾z測(cè)、報(bào)警和煙霧檢測(cè)，同時(shí)會(huì)調(diào)用底層的采集函數(shù)和報(bào)警外設(shè)操作函數(shù)，整體任務(wù)架構(gòu)如圖4所示。

MQ-2煙霧傳感器模塊接入3861后，需要把GPIO設(shè)置為ADC模式，要想得到具體的電壓數(shù)值，就要借助ADC，將一個(gè)范圍內(nèi)的電壓精確地讀取出來，得到電壓值后需要根據(jù)特定公式和校準(zhǔn)標(biāo)定來確定煙霧濃度值。煙霧濃度計(jì)算公式為ppm=6139f*pow。其中，ppm為可燃?xì)怏w濃度，VRL為電壓輸出值，Rs為器件在不同氣體下的電阻值，R0為器件在潔凈空氣中的電阻值，RL為負(fù)載電阻值。

三、整體方案設(shè)計(jì)

項(xiàng)目包含物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器、手機(jī)數(shù)字管家應(yīng)用端、PC管理后臺(tái)前端五個(gè)部分，如圖5所示，設(shè)備端即為本文所研究的內(nèi)容。

服務(wù)端包括設(shè)備云端和后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器，二者通過rabbitmq消息服務(wù)器采用amqps協(xié)議傳輸設(shè)備數(shù)據(jù)。設(shè)備端通過MQTT協(xié)議與設(shè)備云端傳遞數(shù)據(jù)，設(shè)備云端采用華為IOT物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。服務(wù)端后端采用SpringBoot框架開發(fā)，由web服務(wù)器、mysql數(shù)據(jù)庫、redis高速緩存數(shù)據(jù)庫組成，對(duì)手機(jī)端提供restful接口服務(wù)，如圖6所示。

當(dāng)前設(shè)備通過采用MQTT協(xié)議與IOT物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行通信。MQTT是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，被設(shè)計(jì)用于輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱式消息傳輸，旨在為低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。MQTT協(xié)議針對(duì)低帶寬網(wǎng)絡(luò)、低計(jì)算能力的設(shè)備，做了特殊的優(yōu)化，使得其能適應(yīng)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。目前MQTT擁有各種平臺(tái)和設(shè)備上的客戶端，已經(jīng)形成了初步的生態(tài)系統(tǒng)。MQTT是一種消息隊(duì)列協(xié)議，使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對(duì)多的消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合，相對(duì)于其他協(xié)議，開發(fā)更簡(jiǎn)單；MQTT協(xié)議工作在TCP/IP協(xié)議上；由TCP/IP協(xié)議提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接；只要具備TCP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都可以使用MQTT協(xié)議。

結(jié)語

系統(tǒng)以Hi3861芯片作為核心，設(shè)計(jì)智能消防報(bào)警產(chǎn)品，并連接到IOT物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。其中，系統(tǒng)信息通過MQTT協(xié)議上傳至云平臺(tái)，用戶可以通過手機(jī)客戶端查看和設(shè)置報(bào)警信息，滿足了萬物互聯(lián)時(shí)代的消防智慧化要求，而且設(shè)備采用國產(chǎn)全棧軟硬件方案，整體技術(shù)自主可控，起到了信息技術(shù)自主創(chuàng)新的示范作用。后續(xù)為了更好適應(yīng)多種環(huán)境，可以考慮增加NB-IoT模塊，采用多種通信方式提高產(chǎn)品的多樣性，實(shí)現(xiàn)信息化和智能化消防管理[3]，為消防領(lǐng)域的國產(chǎn)智能化建設(shè)貢獻(xiàn)力量。

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