基于物联网的智能消防监控系统设计

许 生，李富华

（苏州大学 电子信息学院，苏州215001）

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。传统的消防安全出口标志灯是为人员通往安全地带的一种指示灯具，主要起到指示安全出口的作用。但随着建筑的结构越来越复杂，其单一的指示功能已无法满足安全保障和多功能融合的需要，且标志灯之间相互独立、无法互联，出现故障时不能及时反馈，埋下了安全隐患。近年来智能楼宇安防系统迅速发展，基于ZigBee 和GPRS、GSM 等无线通信技术[1-2，8]，通过网络的数据采集和传输实现了人机交互显示和智能管理。但在楼宇中，无线网络信号衰减快、抗干扰能力弱、误码率高，数据传输速率低，此外网络协议复杂，数据采集误差大，应用成本高。为了解决以上的问题，本系统采用LORA 无线通信技术，可实现24 h远距离数据收集、远程监控报警和故障排查等一系列的智能管理，实现险情及时上报、及时处理，提高楼宇的管理水平和效率。

1 系统总体设计

本系统的设计不但拥有传统消防安全出口标志灯的指示安全出口的作用，而且具有红外探测、烟雾浓度检测、有害气体检测、温度采集以及无线自组网功能和数据收发等功能，以达到对现场态势的掌控和实时监测。

为满足现在复杂的使用环境，在设计中，采集节点（智能消防安全出口标志灯）和中继网关要满足在无市电的情况下的工作时间要大于90 min，传输距离达到15～20 m 左右，传输速率达到20 kbps～40 kbps，温度数据采集误差在±2 以内进度达到90%以上，误报率低，低功耗，灵敏度高，穿透能力强等要求。智能楼宇安防系统主要包括数据采集控制管理中心、服务器、LORA 射频无线传输网络、4G 公网和网络节点，其中网络节点包括采集节点和中继网关节点，总体网络结构图如图1 所示。该系统的终端采集节点和中继网关节点之间采用LORA 无线一对多的通信方式分布模式。采集节点分布在楼宇内，采集现场的数据状态信息；中继网关节点负责接收采集节点的数据，并通过4G 公网，将数据上传到服务器，控制管理中心可通过PC 端访问服务器，服务器也可通过短信的方式发送给管理人员或服务器直接接入消防救援管理中心。LORA 模块向下通过SPI 总线与控制芯片连接，向上通过LORA 网络的无线长距离通信能力与网关通信，将采集到的现场信息通过中继网关的DTU 数据传输模式，将数据经公网传输至服务器。服务器经过TCP/IP 通信协议对数据进行解析处理，智能分析每个节点周围的现场状态。

图1 系统总体结构Fig.1 Overall structure of the system

2 系统网络拓扑结构

LORA 通信网络采用星形网络结构，与网状网络结构相比，它是具有最低延迟的最简单的网络结构，可以实现节点与网关直接组网连接，构成星形；对于距离较远的节点，可通过中继进行组网连接，只要物联网设备中嵌入LORA 芯片或模块，即可实现快速自组网和快速的配置，与在自组网领域见长的ZigBee 复杂的通信协议相比，具有明显的优势。LORA 通信网络可用于远程抄表、工业控制、家庭自动化遥测、玩具控制、传感器网络、轮胎气压监测、健康监测、无线PC 外围设备等方面。

LORA TM 器件采用扩频调制跳频技术，可调解低于20 dB 的噪声，这提高了通信的灵敏度和网络连接的可靠性，而使用不同的扩频因子可以改变通信网络系统中的数据传输速率，且采用不同扩频因子的多个传输信号占用同一个信道而不受影响，因而可变的扩频因子提高了整个网络的节点的容量，进而减少通信链路的使用，避免了因终端采集节点过多导致中继网关负担过重，进而导致通信网络饱和和误码率上升。与传统采用固定传输速率的FSK 系统相比，LORA 协议的星型拓扑结构消除同步开销和跳数，从而降低功耗，而低功耗也是本系统的一个设计要求

3 系统平台设计

3.1 系统硬件设计

本系统的终端采集节点和中继网关的MCU 分别是STM32F042F6P6 和STM32F030C8T6 微控制器。两款MCU 都是具有高性能ARM®Cortex®-M0 32位RISC 内核，工作频率高达48 MHz，高速嵌入式存储器，以及广泛的增强的外围设备和I/O。ARM®Cortex®-M0 处理器具有出色的代码效率，通常在内存大小中提供ARM 内核所期望的高性能与8 位和16 位设备相关联。两种微控制器都支持3 种低功耗模式，以实现最佳性能在低功耗，短启动时间和可用唤醒源之间进行折衷，更好的满足本系统的低功耗设计要求。

3.1.1 终端采集结点的设计

智能消防安全出口标志灯符合国标规定的性能参数，除了具有传统的引导功能外，在其原来的基础上增加了红外探测、火焰探测、烟雾探测、温度采集、有害气体检测、数据存储和与外界通信的无线通信等功能。本系统中的终端采集节点的硬件结构[9]如图2 所示。

图2 终端采集节点硬件结构图Fig.2 Hardware structure of the terminal acquisition node

每个终端采集节点都设置有固定的ID，在安装的时候按照建筑的平面设计图，进行定点安装，即也可实现定位的功能，如现场出现异常的情况，可通过采集节点对应的平面设计图来定位出现异常情况的位置。终端采集节点的主要任务是，对现场环境参数进行采集和监测，并将现场采集的温度，人员活动情况，有害气体的浓度，备用电池的电量，火情的情况等数据发送至中继网关节点，然后传输至数据管理控制中心，控制中心可以实时的远程的对现场的情况进行监控，出现异常情况时可以及时的采取相应的措施，避免财产损失和人员伤亡。

3.1.2 中继网关节点的设计

中继网关节点负责数据的接收和上传，系统的检测和管理功能，中继网关节点的硬件结构设计如图3 所示。中继网关节点在LORA 无线通信网络接收区域内将采集节点上传的数据进行打包处理，采用UDP 透传模式并通过4G 网络，将数据传送至服务器。

图3 中继网关节点硬件结构Fig.3 Relay gateway node hardware structure

3.1.3 射频结构设计

SX1276 采用LORA TM 扩频调制跳频技术[4]，使用这种新的调制方案，比FSK 的灵敏度提高了8 dB。LORA 链接预算的增加提供了更长的通信范围和提高了通信的可靠性，而LORA 拥有显著的进步选择性和阻塞性，更进一步的提高了通信的可靠性[5]。为了增加LORA 通信网路的灵活性，可以调节扩频调制带宽（BW），扩频因子（SF）和纠错率（CR）。而另一个扩频调制的好处是多个发射信号可以占用相同的频道而之间没有干扰，因为每个扩频因子是正交的，这也是允许与现有的基于FSK 的系统共存的原因。SX1276 提供7.8 kHz～500 kHz 的带宽选择，扩频因子范围为6～12，可涵盖所有可用频段。LORA 射频电路设计图如图4 所示。

图4 射频电路结构Fig.4 RF circuit structure

3.2 系统软件设计

本系统软件设计无需操作系统，直接在PC 机上操作即可，简化了操作数据处理的流程，采用UDP数据透传传输模式将数据通过公网上传至服务器，PC 端访问服务器按照TCP/IP[6]协议提取报文和数据包解析及数据分析并转换成直观的数字信息，可供人员参考。在无线网络中，本系统设计了应用层自定义数据通信协议，在确保数据无丢失且能够正确传输的同时简化了通信协议的复杂性，且基本不占用带宽，相比ZigBee 通信协议复杂且占用带宽，导致数据传输用的带宽变小，父节点的子节点容量变少得到很大的改善。

3.2.1 应用层通信协议设计

自定义通信协议设计的优劣直接决定了数据在传输过程中丢包率的大小，传输过程是否有错误，接收到的数据包解压后的数据是否完整，最终的采集到的数据是否正确。本系统的应用层自定义协设计，对终端采集数据打包，实现数据的透明传输，数据传输方式采用数据帧模式，传输序列为二进制比特流。在数据发送和接收的过程中采用CRC16 校验算法，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性。本系统采集节点与中继网关节点之间数据传输，分为单播、广播的方式传输数据，在通信网络建立后，中继网关节点与终端的采集节点之间可以立即建立一对多的映射关系，采集节点可以与中继网关节点建立一对一的连接关系。

广播实现对一个区域内中继网关节点的覆盖下，整个采集节点（智能消防安全出口标志灯）进行远程统一管理。本设计还可通过下发报文命令帧，查看智能消防安全出口标志灯的设备基本信息、实时时间、功能状态等信息，方便远程管理和故障检测。

3.2.2 节点软件设计

采集节点即要完成现场状态数据采集，也要通过LORA 无线射频通信网络，将数据上传至中继网关节点，经中继网关节点的4G 网络模块，采用UDP数据透传传输模式把终端数据上传至服务器。采集节点收到控制中心通过中继网关节点下发的报文命令帧后，先对数据进行校验，命令帧数据正确后，再执行命令帧数据中的相应操作，执行完下发的命令后将执行的结果反馈给中继网关节点，进而显示在PC 端。节点的软件执行流程如图5 所示。

4 系统测试与分析

在实地地下停车场安装智能消防安全出口标志灯，搭建系统测试环境，检验智能消防安全出口标志灯的实际运行效果。测试网络系统包括4 个中继网关节点，27 个终端采集节点，中继网关节点将数据上传至服务器后，可经过第三方的短信服务接收数据结果，也可直接经PC 端访问服务器，查看原始的数据。

图5 程序执行流程Fig.5 Program execution flow chart

为保证采集节点之间及采集节点与中继节点之间的有效传输距离和通信网络的灵敏度及传输速率频偏因子对系统的影响，在同一楼层复杂环境下的进行大量的数据接收发测试。测试中的节点，射频中心频率为433 MHz、发射功率为20 dBm、串口波特率为115200 bps。测试结果如表1～表3 所示。

表1 速度对比Tab.1 Speed comparison

表2 同一楼层有墙壁障碍物接收到数据的次数Tab.2 Number of times the wall has received data from the same floor

表3 楼宇内测试数据收发Tab.3 Test data transmission and reception in buildings

从表1 的测试结果可以知道，数据传输速度范围为0.148 kbps～37.358 kbps，接收发的灵敏度高达-139 dBm，相比ZigBee 有很大的提高，达到了系统的传输速率和高灵敏度的要求；由表2 和表3 可知本系统的终端采集节点在有墙壁的情况下，无线通信网络的信号衍射范围超过了20 m，大于系统的设计要求，表明本系统通行能力更加优越；由表3 可知，LORA 射频通信可达到8 层，有力的证明了本系统的网络通信穿透能力强，完全满足现在楼宇自动化的需求，也达到了系统穿透能力强的设计指标。因为有障碍物的原因，距离越远，丢包率越严重，因此在实际的应用中，在采集节点群中加入若干的中继节点，以保证数据传输通畅。

为了验证本系统的采集AD 转换的性能，在室温25 ℃下进行了温度采集100 次的测试，测试结果如下表4 所示，表中的数据表明本系统的数据采集精度达到了93%，完全满足系统设计的90%的要求，相比CC2530 芯片的AD 转换精度有很大的提高。

表4 室温25 ℃温度采集误差测试Tab.4 Room temperature 25 ℃temperature acquisition error test

测试结果表明，该系统具有维护成本低，使用方便，组网便捷且抗干扰能力强，误报率低，传输速率高，功耗低，数据采集精确度高，信号衍射能力强等特点，相比ZigBee 无线通信网络有了很大的提升且解决了传统消防安全出口标志灯功能单一以及相互之间不能互联的问题。

5 结语

本文完成了一套基于433 MHz 无线射频通信网络技术的自组网系统的设计，可在复杂的环境中达到20 m，抗干扰能力强，网络协议简单，误码率低，数据采集正确率高达93%，减少了系统的误报，数据传输速率最高达37 kbps，衍射能力强，穿墙能力强，带宽较好，信号衰减慢，应用成本低，灵敏度高达-139 dBm 以及较高的系统稳定性且支持多样化的需求服务，系统最终的数据使用4G 网络传输，相比使用GPRS、GSM 通信技术，提高了系统的实时性。可广泛应用于各种智能楼宇化建设中，也可将数据库信息接入消防中心及其他的政府部门，更好地为智慧城市的建设服务。