基于NB-IoT的火灾探测系统设计

钱承山，茹清晨，王彭辉，裴梓权，杨仁昊，刘虹芝

（南京信息工程大学 自动化学院，江苏 南京 210044）

0 引 言

随着国家城镇化的脚步越来越快，消防就成为了一个不可避免的话题。我国每年因火灾造成的损失高达200亿元且仍在逐年增加。据应急管理部消防救援局发布的消息称，2020年全国消防救援队共接报火灾25.2万起，财产损失和人员伤亡严重。若能在火灾发生之前就将异常环境数据进行实时监测，则可以从源头上降低火灾概率。随着物联网等新兴技术的诞生，“智慧消防”的概念出现在民众的视野。本文针对目前消防感知存在的不足，设计了一套基于NB-IoT的无线火灾探测系统，选用低功耗窄带物联网技术，通过传感器采集烟雾浓度、一氧化碳、温湿度等信息集成后上传至云平台，用户可以登录管理平台实时查看异常数据信息。

1 系统整体框架

本研究实现了一种火灾探测系统。系统总体框架如图1所示。该系统以NB-IoT通信技术为纽带，设计支持NB-IoT的火灾传感器来感知环境参数并连接到运营商的物联网开放平台；系统以嵌入式技术为基础，结合物联网云平台，利用新兴的低功耗窄带物联网技术，并以MQTT协议为通信协议，使用STM32系列芯片为主控制端，外接火灾探测传感器实现对监测环境的数据采集。通过蜂鸣器实现本地报警，最后管理人员登录阿里云平台对重点监测区域内的环境进行数据分析和整合。

图1 系统框架

2 系统硬件部分设计

系统终端基于ARM嵌入式技术，选用STM32F103C8T6为主控芯片，基于模块化的设计思想，智能终端外接传感器和终端执行器，感知层集成多传感器和终端执行器蜂鸣器，再配合LCD1602显示屏进行本地信息展示。本系统选用的无线通信技术是具有低功耗、广覆盖、大连接和低成本等特点的NB-IoT无线通信技术，并且选用了BC26为通信模块。如图2所示为系统硬件组成框图。

图2 硬件框架

2.1 最小系统设计

主控制器的功能包括收集传感器采集的信息和运行状态，并将处理之后的状态信息发送给NB-IoT无线传输模块，然后再上传到阿里云平台。综合考虑系统所需要的SWD/JTAG、DART、SPI总线、I/O口、中断源、足够的RAM和ROM存储空间以及功耗和成本问题等，本系统选择的主控制器是由ST公司研发的STM32F103C8T6微控制器。

STM32F103C8T6是一款32位的微控制器，采用LQFP48封装且引脚数为48，具有3个UART接口，程序存储器FLASH容量为64 KB，RAM容量为20 KB，需要的工作电压为2～3.6 V，芯片的工作温度在-40～85 ℃范围内，因此其可以在低功耗和各种温度环境下使用。本系统采用串口供电的方式，选用AMS1117降压稳压模块将输入的5 V电压降压为3.3 V输出为系统供电，同时AMS1117稳压器还起到一定的过流保护作用。JLINK接口电路用于烧制程序的接口、调试烧写仿真程序，复位电路用于复位，晶振电路用于计时，与两个电容并联使用，电容大小为22 pF。主控芯片和外围电路如图3所示。

图3 主控芯片和外围电路

2.2 探测系统数据采集模块

（1）温湿度传感器

考虑到火灾监测传感器要有精度高、耐高温等特点，本系统选择SHT30温湿度传感器，硬件接线如图4所示。SHT30是瑞士盛世瑞恩生产的一款高精度温湿度数字式传感器，较市面上的普通温湿度传感器具有信号增强、可编程式温湿度极限报警模式等功能，广泛应用于精度要求较高的电子器件中，同时该传感器感知精度高并且可以在不同温度下稳定运行，因此非常适合在火灾监测领域应用。信号输出转换的测量数据总是以16位值（无符号整数）传输。这些数值已经线性化并补偿了温度和电源的影响。使用以下公式可以将这些原始值转换为物理量。

图4 湿度传感器硬件接线

相对湿度换算公式为：

温度换算公式为：

其中，和S分别表示原传感器输出的温度和湿度。只有和S用十进制表示时，该公式才能计算正确。

（2）烟雾传感器

本设计采用的是MQ-2型烟雾传感器，接线如图5所示。当其检测到空气中的烟雾浓度升高时，它的导电率也会相应地升高。MQ-2型烟雾传感器主要特点是灵敏度很高、响应速度快、精度很高且抗干扰能力强，适合用于对日常环境的监测。烟雾传感器把采集到的烟雾值转换为电压信号输出，然后利用分压电路把单片机引脚可接收的电压值送入单片机内部进行相应的处理。

图5 烟雾传感器接线

（3）CO传感器

本设计采用的是CO浓度采集传感器，接线如图6所示。当CO浓度检测模块检测到空气中有CO气体时，它的导电率会因为空气中异常气体含量提高而提高。CO浓度传感器主要特点是灵敏度很高、响应速度快、精度很高且抗干扰能力强；另外该器件可以长期稳定工作，不会出现老化现象，因此得到了广泛使用。

图6 CO传感器接线

从图6可知，CO传感器输出的是模拟信号，把采集到的CO浓度转换为电压信号输出，输出电压在0～5 V之间，由于单片机基准电压是3.3 V，所以在输出接口处采用了分压电路，另用两个10 kΩ电阻组成分压电路，因此单片机引脚接收到的最大电压值是2.5 V，满足单片机电压要求，把电压信号送入单片机A/D转换引脚PA1，经过系统内部模数转换后，输出数字量的CO浓度值。

2.3 通信模块电路

无线通信模块型号选用BC26，与GSM/GPRS系列移动通信的M26模组兼容，方便客户切换至NB-IoT网络。BC26基于联发科MT2625芯片平台研发，支持广泛的频段。BC26因其体积小等优点可以有效地帮助客户减小终端尺寸并优化产品成本，尤其适合可穿戴设备、安防以及便携式智能健康监控仪器等紧凑型终端。实物图如图7所示。

图7 BC26实物图

2.4 OLED12864显示电路设计

本系统选用的是OLED12864显示屏，该显示屏是一款单芯片CMOS/PLED驱动器， 硬件接线如图8所示。OLED12864由132个段组成，64个公共端可支持128×64的最大显示分辨率。OLED12864 嵌入了对比度控制，显示RAM振荡器和高效的DC/DC转换器，减少了外部元件的数量和功耗。使用前要进行I/O初始化、延时函数初始化、I/O方向函数定义。

图8 OLED12864显示屏硬件接线

3 系统软件部分设计

3.1 系统终端主程序设计

本系统中的嵌入式软件主要采用C语言对MCU微处理器进行程序编写，实现对消防环境及设备信息的数据采集，并通过火灾预警、NB-IoT模块的通信传输、接收云平台下发的指令实现对设备的控制，通过阈值设置实现报警等功能。主程序流程如图9所示。

图9 主程序流程

首先给系统通电后对串口、GPIO口等进行初始化并启动A/D转换，然后BC26模块初始化，传感器采集数据并经过主控制器判断是否超过阈值，若采集的数据大于阈值则进行报警，并将采集数据和产生火灾预警的结果上传到云平台可视化界面。

3.2 温湿度的采集程序设计

主控制器STM32F301与SHT30之间通过IC标准串行接口相连接进行数据采集，并通过主控芯片的PA6引脚与SHT30模块连接。系统采集数据时首先要初始化SHT30，配置SHT30用到的I/O口，系统通过中断的方式，使IC终端服务函数发送信号量，然后开始计算温湿度。温湿度程序流程如图10所示，具体计算公式如式（1）～（3）所示。

图10 温湿度程序流程

3.3 MQ-2模块程序设计

本文的烟雾浓度采集模块选用的是MQ-2传感器。由图11可知，系统上电后，烟雾传感器首先进行模块初始化；然后控制中心读取A/D转换后的数字信号值，若读取信号正确，则系统把数字信号值转换为对应的烟雾值并输出。

图11 MQ-2模块程序流程

3.4 数据传输模块软件设计

火灾探测系统数据采集完成后的数据传输是系统中的一个重要部分，数据传输的安全性和可靠性直接决定着系统的稳定性。首先获取各个传感器采集的数据并将所有采集到的数据合并字符串后转换为一帧数据；然后使用CRC校验算法生成两位校验位放在数据帧的最后，并将其通过串口发送至NB-IoT模块；最后通过NB-IoT模块将数据以AT指令的形式发送到服务器端。具体的软件流程如图12所示。

图12 数据传输模块程序流程

3.5 系统终端与阿里云平台的通信

ECS（Elastic Compute Service）是一种高性能、稳定、安全的云计算服务器。此云服务器可以降低IT成本，与使用公共资源一样无感、高效地使用服务器，使得计算资源使用更加方便，并得到拓展。将BC26作为无线传输模块，利用NB-IoT技术将硬件终端采集的数据上传至阿里云平台，同时也接收云平台反馈的JSON格式指令进行下一步操作。

在进行阿里云信息配置时，第一个参数是固定的，一定是"ALIAUTH"；第二个参数是Will标志位，如果为0，那么忽略Will参数的配置，一般情况下为0；剩下三个是阿里云必需的元素，即product_key、device_name、device_secret，这三个参数可以在阿里云端创建设备之后非常容易地获得。阿里云参数配置如图13所示。

图13 阿里云参数配置

访问阿里云需要提交的JSON数据如下：

4 实际测试

4.1 硬件测试

对硬件系统采集终端和无线通信模块进行通电测试，如果传感器和NB-IoT的指示灯亮，则表明系统成功初始化并正常工作，如图14所示。

图14 硬件系统实物图

4.2 系统测试

通电测试后，将程序通过FlyMcu下载进系统后，各采集模块经初始化后开始采集环境数据，同时NB-IoT模块远程连接阿里云服务器。如图15和图16所示，登录阿里云PC端网页可以实时查看数据大小和变化趋势。

图15 云平台数据采集界面

图16 云平台可视化界面

5 结 语

本文设计了一种基于NB-IoT的火灾探测系统，可以采集火灾发生前后的环境参数，如CO浓度、温度、湿度等，并通过无线传输模块上传至云平台。测试表明，系统能够正常工作，并符合火灾探测的参数要求，通过接入阿里云平台可以将数据实时上传，能够为火灾防治提供有效帮助。