基于LoRa无线通信技术的电气火灾监控系统

张亚东

摘要：介绍了 LoRa技术的基本原理以及性能优势，分析了LoRa无线通信技术在电气火灾监控领域应用的可行性，并设计了其在电气火灾监控领域应用的系统架构。

关键词：LoRa技术;电气火灾;监控系统

随着科学技术的发展和我国城市化进程的不断加快，电能已成为最主要的能源。但不规范用电和电路老化引发的电气火灾事故时有发生，特别是大型商场、娱乐场所，一旦发生火灾很容易造成重大的人员伤亡和财产损失。据我国消防部门的火灾数据统计分析，电气火灾发生次数占到火灾总数的 36. 1%，在所有火灾起因中居首位。

目前，在建筑供电线路上加装火灾预警和监控系统已成为有效的措施，但是在电气火灾监控系统的应用环节尚存在一定问题。市场上研制电气火灾监控系统的厂家很多，但大多是采用有线传输方式，这种传输方式对于一些不便施工的老舊建筑、监控室较远的建筑、出于保护目的不允许施工的古文物建筑等不太适用。随着无线传输技术的发展，现在已经完全可以制作一款性能可靠、价格合理的无线电气火灾监控系统。在此背景下，开发一款基于LoRa无线通信技术的电气火灾监控系统。

1 系统概述

基于LoRa无线通信技术的电气火灾监控系统，由电气火灾探测器、现场监控设备以及监控主机组成。电气火灾监控探测器用于探测被保护线路中的剩余电流、温度等电气火灾危险参数的变化，一般将其安装在楼宇建筑的配电箱或配电柜中。电气火灾现场监控设备可以接收来自电气火灾探测器的信息，然后通过无线网络将信息传输给监控主机，当监测到的实际值高于设定的报警范围时，监控主机将发出声光报警信号，存储报警记录。

2 LoRa技术优势

LoRa是由美国 Semtech 公司研发和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术，属于低功耗广域网 LPWAN（Low-power Wide-area Network）的一种。这一技术解决了以往传输距离与功耗之间的矛盾，为用户提供一种简单的，能实现远距离、长电池寿命、大容量的传输系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433，868，915 MHz等。LoRa技术拥有以下几大优势：

（1）采用扩频调制技术，对干扰信号的抑制能力达 20 dB，具有较强的抗干扰能力，提供高灵敏度、高可靠性的网络连接。

（2）采用前向纠错技术，给待传输数据序列增加冗余信息，当传输中数据出现错误时，接收机可以再建数据，所以降低了数字信号的误码率，提高了信号传输的可靠性。

（3）LoRa技术实现的通信距离比其他无线通信技术要远的多，空旷环境下可以达到 8 km 的传播距离，即使在城市中也可以达到 2 km 的传播距离。经测验，信号可以穿透 6 层楼层仍然可以稳定接收。

（4）最大发射功率 100 m W，LoRa 芯片在休眠时电流仅 1. 5μA，接收端灵敏度为 - 129 dBm。以上这些优势非常契合在单栋或者数栋相邻建筑中建立一个区域性稳定可靠的无线网络的需求。当然，由于该技术是以追求远距离和低功耗为目标的产物，在传输速率上做了不小的牺牲，在理想条件下，理论上只有 50 kb /s 的传输速率。因此，该技术仅适用于构建数据量较小的网络，电气火灾监控系统仅需传输监测到的数值数据，可以说是非常合适的。

3  LoRa性能分析

（1）Chirp 时域信号。采用扩频通信是 LoRa 通信性能强大的重要原因，LoRa 的调制方案中，芯片发射的信号时域上是恒包络信号也可称为 Chirp 信号。

（2）信道容量。当带宽增加到一定程度时，允许信噪比进一步降低，即使信号功率接近噪声甚至淹没在噪声之下，接收机也能正确地还原信号。当信道容量确定时，扩频通信利用较宽的信道带宽来换取较低的信道输出信噪比条件，这是扩频通信的基本思想和理论依据。

（3）信号的时间带宽积 D 越大，信号的匹配滤波器输出波形的主瓣幅度越大，宽度越窄。与其他扩频技术相比，Chirp 扩频有其独特的优点：Chirp 扩频的处理增益由信号的时间带宽积 D = T×B 决定（T为信号周期，B为信道带宽）。一般而言，Chirp 信号的时间带宽积 D 远大于 1，所以利用 Chirp扩频通信传输数据，接收端信号经匹配滤波后输出波形主瓣槡D 幅度大，具有较强的抗干扰能力。Chirp 扩频利用大的时间带宽积与较宽的信道带宽，使得信号在极低的发射功率下，依然可以抗多径衰落、多普勒频移、背景噪声等干扰。

4 硬件设计

基于 LoRa无线通信技术的电气火灾监控系统，采用 STM32F103 系列芯片作为主控芯片，该系列微处理器是首款基于 ARMS-7 体系结构的 32 位标准 RISC精简指令集处理器，能提供很高的代码效率，在通常 8位和 16 位系统的存储空间上发挥了 ARM 内核的高性能。该系列微处理器具体性能指标为：工作频率72 MHz，内置高达 128k 字节的 Flash 存储器和 20k 字节的 SRAM（静态随机存取存储器），具有丰富的通用I / O 瑞口。通信模块采用 ZM470 系列芯片，该芯片是基于SX1278 芯片进行优化封装，不但具有原芯片的全部功能而且通过良好的优化，使该芯片更方便开发。

5 结束语

经过实际测试验证，以 LoRa无线扩频技术为基础研发的无线电气火灾监控系统，发射功率、接收灵敏度、通信距离以及通信可靠性等技术指标都非常优秀，而且完美契合电气火灾监控系统的需求，功耗和距离测试验证了 LoRa无线通信技术的低功耗、超长距的巨大优势。本文的研究，可以直接推广到未来无线低功耗小数据量的监测领域，具有非常实际的应用价值。依托于 LoRa 无线通信的技术优势，后期可考虑在组网算法以及行业应用方面展开研究。

参考文献

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