浅谈基于物联网技术的智慧消防无线监测系统设计

刘细凤

安科瑞电气股份有限公司  上海嘉定 201801

摘 要：针对传统消防系统采用布线方式，巡检信息交互滞后、信息收集管理落后等问题，设计套基于物联网的智慧消防无线监测系统。该系统基于同步信道的 LoRa 自组网无线通信专有协议，融合 LoRa 与 NB－IoT 无线消防终端、中继器、无 线火灾报警控制器（网关）、云平台和智慧消防集中监控平台组成。 同时开发 Android 和 IOS 客户端的监控平台，实现消防 监控与管理的智能化，实时获取防区设备动态，提升火情响应的效率，降低运行成本。

关键词：物联网；智慧消防；LoRa；自组网；监控平台

0引言

随着科学技术的发展，智能化开始走进人们的日常生活中， 如智能交通、智能家居、智能停车位等。 由于物联网技术的日渐成熟，建筑消防行业近年来也得到飞速发展。 内外实践证明， 基于嵌入式技术以及使用无线传感器网络技术的智能建筑与消防系统， 已经成为近年来以至以后多年智能建筑与消防系统发展的主要趋势之［1－2］。 区别于使用总线技术的传统消防系统， 基于物联网技术的智慧消防系统提供统的标准化接 口和数据传输机制， 而且硬件上使用的嵌入式微处理器可以通过设计的特定的通信协议接入以太网， 实现消防信息和消防设备数据的实时传输。 显然，物联网技术广泛应用于智能建筑的防火领域这趋势已经成为主流［3］。 2012 年，美NIST（标准技术研究院）发起“Smart Fire Fighting”项目，次年资助 美消防基金研究会开展智慧消防线路图的研究［4］。 西方发达 家对智慧消防研究进行了深入的研究， 其技术的发展也日趋 成熟。 文献［5］提出种智慧消防系统方案，打破传统消防系统间存在的信息壁垒；文献［6］设计种基于 BIM 的可视化消防 设施监管系统，但系统软件为 C ／ S 架构，在推广使用上具有 定的局限性；文献［7］设计的无线报警系统由于采用 ZigBee 通 信，在通信距离上受到定限制。

本文设计的智慧消防无线监测系统应用层采用 B ／ S＋C ／ S混合架构。其中 B ／ S 架构用于 PC 端通过 Web 浏览器与服务器进行交互及分析由网关向服务器提供监控数据。 C ／ S 架构用于移动端 APP 与服务器进行交互。 感知层与通讯层通信基于同步信道的 LoRa 自组网无线通信专有协议， 相比较于 ZigBee 技 术，大大增加了系统通信距离。 系统由无线消防终端、中继器、无 线火灾报警控制器（网关）组成。 云平台与 Web、APP 同步，实时 对现场进行消防监控及通知。 终端使用全新研发的低功耗技术方案支撑电池使用寿命达 3～5 年之久。 为实现建筑消防系 统的多样化、降低整个系统运行成本、系统的推广以及获得更多 的市场提供了种经济可行的解决方案与配套产品。

1 总体架构

根据物联网参考模型［8］设计的无线智慧消防无线监测系统， 主要由应用层、通讯层、采集层组成，如图 1 所示，图中涉及实物 均为该系统系列产品的实物图片。

应用层主要由监控计算机和智能手ji等构成。 监控的计算机使用浏览器进入集中监控平台， 即可实现对系统设备的管理和控制功能。

通讯层主要是通过无线火灾报警控制器（网关）对接收的底 层采集信息的处理与传输，采用有线网络和 GPRS 无线传输方式 把云服务器和无线火灾报警控制器（网关）（通讯层）连接起来，支持双向通信。

采集层通过智能感知烟雾、 温度变化、 可燃气 体、可燃粉尘或火焰等火灾信息，经过终端分析处理后利用 LoRa 组成的网络将火情数据打包发送给通讯层，通讯层通过以太 网或 GPRS 进步将火情数据发送至云服务器。 或者是 NB－IoT 终端直接使用运营商网络将火情数据直接发送到云服务器。 监控相关操作人员会对发送过来的火情数据进行确认。

2 系统功能分析

针对智慧消防无线监测系统联网、数据采集与传输、通 信协议解析等应具有以下功能：

2.1 数据信息实时监控采集。

建筑消防设备要做到 24 小 时实时响应，旦没有及时发现火灾警情，火灾将迅速蔓延，造 成巨大损失。系统 24 小时监视各终端设备的剩余电量、温度、信 号及其他设备状态等信息， 所有信息展示在监控平台便于操作人员查看。

2.2 多重身份的权限管理。

鉴于个建筑的消防管理部门分 设多个科室以及多种不同的岗位，不同岗位人员负责不同的工作任务，因此每个工作人员使用系统进行的操作不同。 用户使用 相应的权限可以对授权范围内的无线火灾报警控制器（网关）设 备、中继器、终端设备等监测数据和运行情况进行查看、配置修 改，从而提高系统整体性。

2.3 远程控制及管理。

整个系统包含成百上千个终端以及其它设备，只是依赖现场人员进行维护和配置需要花费较多的人力资源成本且效率低。 系统设计的同时开发了 Web 以及移动 客户（Android ＆IOS）的管理监控平台，具备管理员权限的 使用者可以在 Web 端或者本地设定系统设备的各种参数值，还 可以对通讯层、采集层设备进行、复位、消音、联动和远程设置参 数等操作，方便管理，同时提高工作效率。

3 系统设计

3．1 无线通信方式的融合

LoRa 是基于扩频技术的超长距离无线传输解决方案，属于 低功耗广域网，是种低带宽、长距离、低功耗、连接量大的物联 网通信技术［9］。 它可以工作在免授权频段，无需申请便可以建立网络设备，相对来说网络架构简单。 NB－IoT 是 3GPP 标准化组 织定义的物联网窄带射频技术，它是种低功耗、广域覆盖、超 长距离、连接量大的蜂窝通信技术［10］。 使用的是运营商提供的授 权频段，因为是专门划分的频段，因此干扰相对要少很多。

系统采集层融合了 LoRa 和 NB－IoT 两种通信方式的终 端，可以混合布局互补使用。 在运营商信号覆盖情况较差的的区 域可以使用 LoRa 无线终端，通过 LoRa 无线通信将数据发送给 无线火灾报警控制器（网关），再由控制器通过以太网将数据上 传到与服务器； 在 LoRa 通信频段干扰较严重的区域可以使用NB－IoT 无线终端，直接将数据发送到云服务器。 两种通信方式 的融合可以提高系统对复杂使用环境的适应性。

3．2 无线火灾报警控制器（网关）硬件设计

智慧消防无线监测系统中， 通讯层是终端采集信息与云端 服务器对接的枢纽，无线火灾报警控制器（网关）作为通讯实现 的硬件基础，其设计显得很重要。 无线火灾报警控制器（网关） 由以下几个模块组成：主控 MCU、主备电切换、显示、存储、语 音、输入输出 I ／ O。 其中，采用 ST 公司 STM32 芯片作为无线火 灾报警控制器（网关）主控模块的主控芯片；控制器的输入模块 即数据采集模块，主要由 LORA 模组来获取数据（RS485 预留 接口），RS232 主要作为打印机接口将告警信息打印出来呈现；输出模块通过以太网和云服务器进行数据传输， 同时输出模块 还可以使用 2G ／ 3G ／ 4G、Wi－Fi、蓝牙模块进行数据传输以适应 不同需要的使用环境。 多种传输模块可以保障数据传输的实时 性、可靠性。 控制器的显示模块采用块 LCD 显示屏同时支持触控操作，由主控 MCU 驱动。 STM32 主控芯片的 Flash 和外接SDRAM 与 NAND Flash 组成了控制器的存储模块。 语音模块主要是当监控到告警信号时，能够播放疏散警shi音，引导疏散。 无线火灾报警控制器（网关）和 Web 集中监控系统的基本功能致，能够对其下所有终端包括中继器进行监测、采集，同时带 有本地管理功能的控制器具有历史数据的存储与查询功能。 该控制器的原理框图如图 2 所示。

3．3 感知层设备硬件设计

感知层设备也就是终端（感烟、感温报警器、可燃气体检测报警器、可燃粉尘报警器、NB－IoT 感烟、温报警器）的硬件可以 划分为 4 个功能模块，如图 3 所示，包括传感器、控制、传输、电 源模块。 环境中烟雾、可燃气体、粉尘浓度、温度变化等数据均可 以被传感器模块采集，这些数据通过接口传输给控制模块。 控制模块根据 LoRa 私有协议对数据进行封装， 封装后的数据包通 过传输模块发送给传输层的无线火灾报警控制器（网关），电源模块为终端设备提供长时间的能源支持。感知层终端设备的创新之处在于，只采用电池供电产品使用研发的低功耗技术， 其电池使用寿命可以达到 3～5 年。 这里的低功耗技术主要通过无线火灾报警控制器（网关）设定的 心跳时间实现，心跳间隔可在 5～360min 根据实际需求选择，设备自动跟随网关配置时间执行心跳通信。 也就是说在次心跳循环开始时设备“醒”来并上报自身状态信息，其余时间处于休 眠（出现火情自动唤醒上报警情）。 根据实际测试其平均电流≤60μA＠20min 心跳间隔。

3．4 Web 服务器架构设计

服务器与无线火灾报警控制器（网关）的交互是系统软件设计的关键部分，其架构如图 4 所示。 服务器下方可接台或多台 无线火灾报警控制器（网关）。

Web 服务器采用三层结构设计。 包括：

1）数据接入层：提供标准的数据处理接口；

2）业务处理层：对数据进行加工处理；

3）数据持久层：提供数据增删改查功能。

数据采集服务器实时接收网关上报的数据包， 并将数据包分类后发送给 RabbitMQ。 Web 服务器及网关数据处理器实时地从 RabbitMQ 中获取网关、中继器、传感器数据，其中 Web 服务器主要抓取告警信息并返回给前端设备， 网关数据处理器则 负责将数据保存到数据库中以备后续分析。 PC 端通过 WebSocket 技术实时接收 Web 服务器的告警信息； 移动端通过Socket 长连接实时接收 Web 服务器的告警信息。

无线火灾报警控制器（网关）开机时与服务器进行交互，请 求服务器的 IP、 端口及 IP 分配有效时 间，服务器把相应的 IP、端口、IP 分配 有效时间应答给无线火灾报警控制器

（网关）。 控制器达到 IP 分配有效时间 即与服务器进行交互。

 由于服务器在某些场景下无法主 动发现控制器，需要控制器定期主动上 报状态，建立通信通道，服务器收到上 报后才能下发设置和查询指令。服务器与控制器的交互示意如图 5 所示。

无线火灾报警控制器（网关）开机时与服务器进行交互，请 求服务器的 IP、 端口及 IP 分配有效时 间，服务器把相应的 IP、端口、IP 分配 有效时间应答给无线火灾报警控制器

（网关）。 控制器达到 IP 分配有效时间 即与服务器进行交互。 由于服务器在某些场景下无法主 动发现控制器，需要控制器定期主动上 报状态，建立通信通道，服务器收到上报后才能下发设置和查询指令。服务器与控制器的交互示意如图 5 所示。

4 系统性能测试

4．1 抗低温测试

测试环境：终端放置在－15℃和－20℃低温试验箱，恒温 24小时。测试数据（这里不详细列出所有数据）如表 1：

从实验结果看－20℃信号强度明显减弱终端工作状态仍然正常。

4．2 通信距离测试

测试环境：网关放在实验室内（周围非空旷环境）。

测试方法： 在终端信号消失点使用手ji地图定位大致估算 通信距离。 测试结果如图 6 所示。

从测试结果看中继下终端距中继直线距离：982m， 中继下 终端距网关直线距离：1000m。 在实际测试中发现网关天线放置的位置对通信距离影响较大， 在工程应用时需要多次测试来决定网关的安装位置。

4．3 终端功耗测试

测试环境： 使用裕邦通信电流测量工具， 电源型号 Agilent＿66312，电压 3V，采样周期 70ms，连续运行 7*24h。测试结果如表 2：

4．4 工程测试

经过长期测试和扬州恒春科技、 乌鲁木齐联丰盛安等多家 企业的工程使用表明，单网关目前可支撑 500 节点通信。 2019年 11 月受邀与合作单位华南光电同参加 2019 上海应急与消防博览会－汉诺威消防展系列展会。

5 安科瑞智慧消防监控云平台介绍与选型

5.1 平台简介

安科瑞智慧消防综合管理云平台基于物联网、大数据、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，实时动态采集消防信息，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。*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，适应于所有公建和民建，实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”、用电管理“精细化”的实际需求。

从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统的系统大平台内运行，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ji短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就迅速能够迅速通知到达相关人员。同时，通过自动消防灭火控制装置启动自动灭火设备和消防联动控制设备，有效解决用电单位电气线缆老旧，小微企业无专业电工、肉眼无法直观系统即时排查电气隐患、隐蔽工程隐患检查难等难题，及时排除隐患，安科瑞智慧消防监控云平台结构如下图所示：

5.2 平台功能

 平台登陆

用户登录成功之后进入页，如图所示。主要展示的内容有：项目概况、设备状态、设备分类、设备报警信息、报警分类、报警统计、设备台账信息等。其中baidu地图可以选配成BIM建筑模型，任何传感器报警时可以在BIM模型中预警显示。

实时监控

智慧用电子系统可接入电气火灾、故障电弧、电气火灾主机、灭弧式保护器探测和母排无线测温探测等等各类子系统，实现对相关消防系统设备的信息实时监控，且发现监测数剧超过风险阈值，APP、电话报警统统上阵，通过设备的标签、地理位置定位，快速通知，快速处置

隐患管理

隐患管理包括隐患巡查、隐患处理、和隐患记录，隐患巡查的目的是为了系统在产生报警或隐患后，系统可以针对工程人员派发工单，处理完以后工程人员能够在系统中填写相关工单任务记录，以供历史查询。隐患统计支持对项目进行日、月、季、年的维度查询，并能够自定义时间查询，将项目下隐患以曲线，图表的形式展现

统计分析

统计分析包括数据汇总和分析报告，数据汇总以曲线和表格形式显示各个月份的报警和故障记录，同时显示控制日志，支持按照控制类和参数设置类分别显示，也可以按照操作是否成功分别显示，包括此次控制的操作情况，项目名称，设备信息以及对应的操作时间等；分析报告包括总体概况和设备回路特征分析。

运维管理

根据运维调度管理的需要，智能调度技术人员可以分为不同角色，系统支持巡检计划和巡检日历，可支持巡检人员使用手jiNFC芯片巡检打卡的功能。

手jiAPP功能

手jiAPP软件具有IOS版本和安卓版本，并与电脑终端系统的数据同步，能展示剩余电流、温度、电压、电流等电气参数的实时监测数据及变化曲线、历史数据与变化曲线；短路、断线、漏电、超温、过压、欠压、过流等电气故障实时报警数据等；能实时显示项目地理位置、未排除隐患数、未处理巡检数等；通过APP消息推送的方式提醒用户实时报警信息；可以实现远程复位、远程分闸功能；可以对所有现场探测器进行远程参数设定及修改；可以对所有现场探测器的远程控制记录进行查询；

5.3 产品选型

电气火灾监控探测器

6 结束语

系统能及时准确地对火灾等各种突发的情况进行实时防范和 预警通知，从而达到主动防控。 测试结果表明系统已经可以稳定 运行，数据能够可靠传输，达到了预期设计目标。

参考文献

［1］ 王纯正．建筑智能化技术在物联网时代的应用及发展［J］．物联网技术，2018，8（2）：100－102

［2］ 张吉跃，王鹏飞．基于物联网与云计算技术的综合智慧消防系统［J］． 智能建筑，2018（5）：36－40

［3］ 李天才，李学红，李桂琴.基于物联网的智慧消防无线监测系统设计［J］． 工业控制计算机，2020，33（4）

［4］ 安科瑞企业微电网设计与应用手册   2020.06 版.

作者简介：刘细凤，  安科瑞电气股份有限公司，主要从事智慧消防监控系统