基于物联网技术的智慧消防平台架构设计

摘 要：本文阐述了基于物联网技术的智慧消防平台架构设计，项目整体基于5G网络、移动OneNET平台实现物联设备的接入，云平台主要使用Spring、Apache Dubbbo等主流技术来实现，整体架构可扩展性高、运营成本低，云平台市场前景好。

关键词：NB-IOT;OneNET;Dubbbo; 消防;物联网

1 引言

我司新一代智慧消防平台是基于物联网、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态采集状态、告警信息，通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。填补了原先针对“九小场所”和危化品生产企业无法有效监控的空白。

在统一的平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、APP推送等手段，迅速通知相关人员。

项目于2020年4月启动，成立了由8个人组成的项目组，作为技术部负责人，我主要负责需求分析和系统架构设计，并完全负责该项目的管理。经过6个月研发、测试，平台正式上线，系统运行稳定，获得了领导和客户的认可。

2 系统架构

2.1 逻辑架构

所有物联设备通过移动NB-IOT网络连接到移动OneNET平台，智慧消防平台通过接口与移动OneNET平台进行交互。OneNet平台采用HTTP及时把设备上报的信息推送到平台开发的接口层，消息经过校验后再推送到消息队列里面，实现削峰平流的作用，之后是由业务分析引擎对消息进行处理和告警通知等，见图1所示。

2.2 物理架构

系统是在阿里云进行部署的，业务应用采用多节点部署在由多个ECS上组成集群，缓存使用的是阿里云的Redis服务，数据库使用的MySQL读写分离，接入层使用的阿里云的SLB进行负载均衡处理，WEB层使用Nginx进行分发请求。会话状态是使用的Redis来存储的，消息队列使用的是RabbitMQ，即时消息使用的WebSocket来实现，如图2所示。所有后端应用均采用多节点部署以防止单点故障。

2.3 技术架构

根据系统特点，主要从系统业务功能特性、系统性能、扩展性、维护性以及稳定性方面考虑，同时兼顾考虑客户特性等方面进行技术选型。项目采用前后端分离技术，后端整体使用流行的Java语言开发，用Maven进行依赖管理，采用Spring作为业务框架进行构建（Spring AOP、Spring MVC等组件）。使用Apache Dubbo作为微服务调用框架，Nacos作为注册和配置中心，Seata作为分布式事务管理器，使用Quartz作为系统定时任务调度器，见图3所示。前端使用的Vue + Element UI框架，流行度和成熟度也是非常高的。

对于架构设计而言，无论从展现层，还是业务层、数据层以及事务控制管理等方面使用的技术和框架，都是目前业界非常主流的、应用范围非常广泛、性能表现非常优秀的技术和框架。架构设计的展现层技术能够较好满足系统界面需求以及客户使用习惯需求，实现跨平台部署和运行的目的。

3 智慧消防平台功能设计

基于现有消防安全监管的需要，平台针对不同角色设计了相应的功能，具体模块见下表。运营后台是提供给平台管理用的，主要进行租户管理及设备类型的设置等;监管单位支持多级组织的分级监管，上线可以看到下级的所有单位的运行数据;业主单位是指具体实施安装消防设备的单位，為了日常维护方便，提供通过公众号进行安装设备和巡检的功能。主要功能见表1。

4 具体设计与实现

4.1 设备管理层

设备类型管理用于管理各硬件厂家的各种类型的设备，通过参数配置实现统一接入的需求：主要参数包括设备分类、数据上报周期、接入协议、巡检项目等。物联设备都是通过IMEI号进行唯一识别的。设备添加的时候关联到具体的点位平面图上，方便进行告警展示。设备管理会收集电量、信号强度等，会进行检验提醒及报废提醒。

4.2 设备接入层

平台可以接入物联设备及非物联设备：非物联设备包括各种传统的灭火器、室内消火栓、室外消火栓等;而物联设备则主要包括新一代烟雾感应器、可燃气体感应器、门磁报警器、水压检测器、水位检测器、温度感应器等。

对于物联设备，使用的是中国移动的NB-IOT卡，使用LwM2M协议直接与移动基站进行联接入网。OneNET是由电信供应商中国移动打造的高效、稳定、安全的物联网开放平台：支持适配各种网络环境和协议类型，可实现各种传感器和智能硬件的快速接入，满足物联网领域设备连接、协议适配、数据存储、数据安全以及大数据分析等平台级服务需求。

智慧消防平台通过API在OneNET上通过设备的IMEI号来添加设备，实现设备的绑定，调用删除指令来解除设备的绑定。设备绑定后，平台会自动把设备的上线、下线、心跳消息通过HTTP协议主动推送给智慧消防平台。设备在警情发生时会立即上线并发送消息给OneNET平台，OneNET平台收到消息会立即转发给智慧消防平台，以此来实现告警信息的及时传传递。设备在平时处于休眠状态，以节省电池消耗。

智慧消防平台收到消息后，会进行消息验签，通过验证的消息会投递到RabbitMQ的队列中。

4.3 协议适配层

平台建立不同厂家不同设备的编码库，并且根据设备的具体协议开发适配器，收到消息后，根据设备类型获取其对应的适配器进行解析，转化成统一的数据模型提供给数据处理层。

4.4 数据处理层

应用集群采用分布式部署，监听队列的消息，根据消息类型进行处理：上下线消息、心跳直接入库，并对设备的状态进行相应的调整;告警、故障内消息会根据等级（高、中、低）进行相应的处理，高级的告警会电话的短信通知到对应单位的消防值班人员，其它的告警及故障信息会在平台的大屏上弹窗显示。

数据处理层是架构设计的核心，需要考虑海量数据的存取。所以系统根据业务进行拆分，主要分为：基础服务，设备管理服务，设备状态服务，告警服务，巡检服务等。不同服务使用独立的数据库，以降低数据库的压力;状态数据按时间归档，主库只保留最近3个月的数据，过期的数据按月进行归档;平台使用对象缓存，通过AOP拦截实现缓存及刷新。

4.5 智能处理层

采用行业主流的流式数据处理引擎对设备上报的数据进行进一步的加工和分析，基于大量的历史告警及设备故障数据，通过不断调整规则引擎算法，实现最优的采购推荐及警情预测。

4.6 统计分析层

平台提供大量统计报表，可以根据监管的不同层级进行数据汇总展示，主要的统计数据包括：告警统计、故障统计;实时的设备状态统计;巡检情况统计;实时的告警信息等。对于非实现的统计，平台采用定时任务的方式，每隔一定的时间自动拉取最新的数据进行聚合运算，生成统计数据供展示和查询使用。

5 总结

综合来看NB-IoT有海量连接、深度覆盖、低成本、超低功耗、稳定可靠等优势。OneNET平台则具有降低企业研发、运营和运维成本的优势。本平台充分利用现有成熟的技术进行融合设计，既满足了业务需求又降低了用户的使用成本，获得了巨大的经济和社会效益。

在5G网络下，产业中所有的基础设施、生产设备、各种电子产品都将被连接起来，更多的创新空间随之而生，傳统产业将迎来非常巨大的市场机遇。连接赋能的重点业务也将广泛的拓展。技术的革新带来的是更加低成本的应用和更好的业务体验，万物互联的时代已经到来。我司正是基于行业的发展趋势构建了新一代智慧消防平台，基于其强大的感知功能，必将改变消防监管的方方面面，相信在不久的将来会迎来大规模的推广和使用。

参考文献

[1]李菁，叶卓映.NB-IoT技术及其在物联网中的应用研究[J].无线互联科技，2019，10：11-12.

[2]吴先洪 车辉 杨波 邢慧芬 樊玉琦.基于大数据的智慧消防系统架构探讨[J].物联网技术，2021，6：47-54.

[3]于晓虹.微服务架构在分布式系统的设计和应用[J].电子技术与软件工程，2021，6：28-29.

作者简介：蒲邦雄，男，四川省南部县人，1982年4月生人，汉，大学本科，工程师，目前就职于有伴（上海）智能科技有限公司，主要研究方向为软件系统架构