NB-IoT技术在消防物联网中的应用*

储浩，王勇，王栋

1 引言

2011年7月，国家标准化管理委员会批准发布了城市消防远程监控系统国家标准，全面规定了城市消防远程监控系统中用户信息传输装置、通信服务器软件、信息管理软件的功能、试验方法和检验规则等技术要求，并规定了报警传输网络通信协议和基本数据项等内容，实现城市消防远程监控系统的数据规范和信息共享[1]。此后，国内各城市相继建立了城市消防远程监控系统，在火灾防控工作中发挥了积极作用，取得了初步成效。但从全国范围看，城市消防远程监控系统建设应用发展还不平衡，存在标准不统一、功能不完善、信息不规范等问题。随着城市建设的快速发展，如何将城市中各个建筑物消防设施运行状态和监控数据及时有效地上传到消防指挥中心和相关管理部门，成为城市消防工作亟待解决的问题[2]。

随着物联网技术的发展和应用，消防物联网应运而生。它利用物联网技术把消防设备进行连接整合，通过无线终端、业务平台和传感探测设备，实现实时、动态、互动、融合的消防信息采集、传递和处理，从而全面促进和提高了相关机构实施社会消防监督与管理水平，增强了公安机关消防机构灭火救援的指挥、调度、决策和处置能力[3-4]。

NB-IoT（窄带物联网）作为物联网设备联网的一个新兴技术，具有低功耗、低成本、大覆盖、强连接等技术和应用优势，非常适合建筑物内大量消防设施设备数据的采集与传输，能有效满足消防物联网对通信系统安全、可靠和稳定的需求[5]。具体表现为：（1）在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益提高20 dB，覆盖面积扩大100倍。（2）NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、低设备功耗和优化的网络架构[6]。（3）NB-IoT直接部署于LTE网络，但不占用现有网络的数据带宽，保证了传统业务的物联网业务同时稳定、可靠地进行[7]。（4）更低的模块成本，厂家预期的单个连接模块不超过5美元。（5）可以采用电池供电，电池寿命可以达到3～5年，安装简单。（6）采用电信或者移动的物联网开放平台[8]。因此，通过NB-IoT网络，能快速有效建立消防物联网系统，实现消防大数据的采集和应用，有效解决消防监控系统遇到的各类问题。

本文具体探讨了NB-IoT消防物联网系统的组成架构、通信模块设计、平台层和应用层设计，分析了其工作原理及关键技术实现，为城市消防联网工作提供了新的思路和方法。

2 NB-IoT消防物联网系统架构组成

消防物联网设备监控系统主要功能是对消防区域内消控主机、烟感、给水设备、消防管网压力、消防水池、水箱液位、漏电电流、线缆温度等情况实时监控和预警，传感器节点采集的数据通过NB-IoT网络上传至云平台，应用系统可进行实时数据进行分析展示、及时预判和预警。

NB-IoT消防物联网系统分为四层，分别为：感知层、传输层、平台层和应用层，如图1所示。

感知层：是已经安装在建筑物中的各类传感装置，主要由烟感、水位传感器、水压传感器、电流传感器和温度传感器等各种传感器组成，各个感知点的传感器将水压、水位、电流和温度的数据转换成4 mA～20 mA的电流信号传输给物联网通信主机。

图1 NB-IoT消防物联网系统架构图

传输层：由各种NB-IoT物联网通信主机和运营商的NB-IoT网络组成，NB-IoT物联网通信主机的主要功能是采集传感器的数据并进行智能判断和分析，将初步处理后的数据传输到云平台。

平台层：主要负责对NB-IoT物联网通信设备发送的各种传感器数据进行接收、清洗、存储、分析和计算，最终结果存放到时间序列数据库。

应用层：包含Web应用和手机移动应用，从云平台获取计算结果，将各个消防设施的运行状态和监控结果呈现在终端上，方便管理部门监管。

系统工作流程如图2所示。

NB-IoT物联网通信主机实时采集消防设施传感器数据，封装成COAP协议报文发送到云平台。数据经过云平台处理后，向终端用户展示所监控消防设施的运行状况。

NB-IoT消防物联网系统为用户提供下列功能，如表1所示。

3 NB-IoT物联网通信模块设计

图2 NB-IoT消防物联网系统工作流程图

表1 NB-IoT消防物联网系统功能列表

NB-IoT物联网通信主机负责采集消防系统中的水压、水位、漏电电流和负载电流等传感器的数据，将采集的数据进行初步计算后，按照系统制定好的协议进行封装，包括节点编号和时间戳等，通过NB-IoT网络将其上传到云平台。

NB-IoT物联网通信主机的硬件电路设计如图3所示。

NB-IoT物联网通信主机使用的是电信（移动）运营商提供的NB模组，通过无线网络连接到中国电信（中国移动）物联网开放平台，采用CoAP协议接入。NB模块与SIM卡接口电路如图4所示，NB模块的功能框图如图5所示。

在正常操作情况下NB模块有三种操作模式，根据使用情景确定不同级别的低功耗功能：

（1）主动模式（Active）：模块处于活动状态；所有功能正常可用，可以进行数据发送和接收；模块在此模式下可切换到Idle模式或PSM模式。

（2）待机模式（Idle）：模块处于浅睡眠状态，模块处于网络连接状态，可接受寻呼消息。模块在此模式下可切换至Active模式或者PSM模式。

（3）深度睡眠模式（PSM）：模块只有RTC工作，模块处于网络非连接状态，不再接受寻呼消息。当DTE（Data Terminal Equipment，数据终端设备）主动发送数据或者定时器T3412（周期性更新）超时后，模块将被唤醒。

NB-IoT物联网通信主机作为数据传输设备，其关键技术在于软件处理上。通过软件可以确保硬件电路可以正常工作，数据可以可靠传输。主机软件处理流程如图6所示。

4 NB-IoT消防物联网平台层设计

大数据云平台是整个消防物联网系统监测及决策的核心，负责对各个监测点海量数据进行存储和大数据计算。

NB-IoT消防物联网平台层架构如图7所示。

数据库采用了满足物联网上层应用开发的时间序列数据库，时间序列数据库（TSDB, Time Series Database）是一种高性能、低成本、稳定可靠的在线时序数据库服务，提供高效读写、高压缩比存储、时序数据插值及聚合计算，广泛应用于物联网（IoT）设备监控系统，如图8所示。

图3 STM32最小系统

图4 NB模块与SIM卡接口电路

5 NB-IoT消防物联网应用层设计

应用服务层面向用户提供消防监测及决策的SaaS，用户无需开发软件和建设数据中心，可以通过PC端应用程序和手机APP对建筑物的消防安全状况实现远程监测。SaaS拥有实时监测、实时报警、历史查询、设备管理、数据分析、火灾预测等功能模块。应用层PC端首页展示效果图如图9所示，某单位设备数据统计展示效果如图10所示，某单位月度漏电电流数据对比展示效果见图11所示，移动终端应用展示效果见图12所示。

6 结束语

2017年10月，公安部消防局发布了《关于全面推进“智慧消防”建设的指导意见》，指出要依托“智慧城市”建设，改变城市物联网消防远程监控系统的现状，打造城市消防远程监控系统升级版[9]。

图5 NB模块功能框图

图6 NB-IoT物联网通信主机的软件处理流程

NB-IoT技术具有功耗低、连接数量大、低时延、网络覆盖广等特点，在诸多消防领域有着广泛的应用，运用NB-IoT技术，能够对各类建筑的烟雾报警、自动灭火系统、消火栓系统、防烟排烟系统、消防水系统等进行实时监控，保证火灾的早期预报、快速响应和有效控制。本文对NB-IoT技术在消防物联网中的应用进行了研究，研究证明，NB-IoT技术的消防物联网安全应用，为进一步通过物联网、大数据技术实现消防安全管理效率的提升提供了帮助，可为消防监督管理部门的科学监督、管理和执法提供真实、有效和实时的数据保证，为科技强警提供技术保障。实现“人防”、“技防”于一体的应用目标，全面提高消防监管部门的管理手段，提高各大单位、小场所以及居民住宅的消防安全管理水平，从而提高整个城市的火灾防控能力[10]。

图7 NB-IoT消防物联网平台层架构

图8 平台时间序列数据库架构

图9 PC端首页展示效果图

图10 某单位设备数据统计展示效果

图12 移动终端应用展示效果

图11 某单位月度漏电电流数据对比展示效果