劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定 201801

摘 要：針對傳統(tǒng)消防系統(tǒng)采用布線方式，巡檢信息交互滯后、信息收集管理落后等問題，設(shè)計套基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧消防無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于同步信道的 LoRa 自組網(wǎng)無線通信專有協(xié)議，融合 LoRa 與 NB－IoT 無線消防終端、中繼器、無 線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）、云平臺和智慧消防集中監(jiān)控平臺組成。 同時開發(fā) Android 和 IOS 客戶端的監(jiān)控平臺，實現(xiàn)消防 監(jiān)控與管理的智能化，實時獲取防區(qū)設(shè)備動態(tài)，提升火情響應(yīng)的效率，降低運行成本。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧消防；LoRa；自組網(wǎng)；監(jiān)控平臺

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能化開始走進人們的日常生活中， 如智能交通、智能家居、智能停車位等。 由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日漸成熟，建筑消防行業(yè)近年來也得到飛速發(fā)展。 內(nèi)外實踐證明， 基于嵌入式技術(shù)以及使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能建筑與消防系統(tǒng)， 已經(jīng)成為近年來以至以后多年智能建筑與消防系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢之［1－2］。 區(qū)別于使用總線技術(shù)的傳統(tǒng)消防系統(tǒng)， 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧消防系統(tǒng)提供統(tǒng)的標準化接 口和數(shù)據(jù)傳輸機制， 而且硬件上使用的嵌入式微處理器可以通過設(shè)計的特定的通信協(xié)議接入以太網(wǎng)， 實現(xiàn)消防信息和消防設(shè)備數(shù)據(jù)的實時傳輸。 顯然，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能建筑的防火領(lǐng)域這趨勢已經(jīng)成為主流［3］。 2012 年，美NIST（標準技術(shù)研究院）發(fā)起“Smart Fire Fighting”項目，次年資助 美消防基金研究會開展智慧消防線路圖的研究［4］。 西方發(fā)達 家對智慧消防研究進行了深入的研究， 其技術(shù)的發(fā)展也日趨 成熟。 文獻［5］提出種智慧消防系統(tǒng)方案，打破傳統(tǒng)消防系統(tǒng)間存在的信息壁壘；文獻［6］設(shè)計種基于 BIM 的可視化消防 設(shè)施監(jiān)管系統(tǒng)，但系統(tǒng)軟件為 C ／ S 架構(gòu)，在推廣使用上具有 定的局限性；文獻［7］設(shè)計的無線報警系統(tǒng)由于采用 ZigBee 通 信，在通信距離上受到定限制。

本文設(shè)計的智慧消防無線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用層采用 B ／ S＋C ／ S混合架構(gòu)。其中 B ／ S 架構(gòu)用于 PC 端通過 Web 瀏覽器與服務(wù)器進行交互及分析由網(wǎng)關(guān)向服務(wù)器提供監(jiān)控數(shù)據(jù)。 C ／ S 架構(gòu)用于移動端 APP 與服務(wù)器進行交互。 感知層與通訊層通信基于同步信道的 LoRa 自組網(wǎng)無線通信專有協(xié)議， 相比較于 ZigBee 技 術(shù)，大大增加了系統(tǒng)通信距離。 系統(tǒng)由無線消防終端、中繼器、無 線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）組成。 云平臺與 Web、APP 同步，實時 對現(xiàn)場進行消防監(jiān)控及通知。 終端使用全新研發(fā)的低功耗技術(shù)方案支撐電池使用壽命達 3～5 年之久。 為實現(xiàn)建筑消防系 統(tǒng)的多樣化、降低整個系統(tǒng)運行成本、系統(tǒng)的推廣以及獲得更多 的市場提供了種經(jīng)濟可行的解決方案與配套產(chǎn)品。

1 總體架構(gòu)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)參考模型［8］設(shè)計的無線智慧消防無線監(jiān)測系統(tǒng)， 主要由應(yīng)用層、通訊層、采集層組成，如圖 1 所示，圖中涉及實物 均為該系統(tǒng)系列產(chǎn)品的實物圖片。

應(yīng)用層主要由監(jiān)控計算機和智能手ji等構(gòu)成。 監(jiān)控的計算機使用瀏覽器進入集中監(jiān)控平臺， 即可實現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)備的管理和控制功能。

通訊層主要是通過無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）對接收的底 層采集信息的處理與傳輸，采用有線網(wǎng)絡(luò)和 GPRS 無線傳輸方式 把云服務(wù)器和無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）（通訊層）連接起來，支持雙向通信。

采集層通過智能感知煙霧、 溫度變化、 可燃氣 體、可燃粉塵或火焰等火災(zāi)信息，經(jīng)過終端分析處理后利用 LoRa 組成的網(wǎng)絡(luò)將火情數(shù)據(jù)打包發(fā)送給通訊層，通訊層通過以太 網(wǎng)或 GPRS 進步將火情數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器。 或者是 NB－IoT 終端直接使用運營商網(wǎng)絡(luò)將火情數(shù)據(jù)直接發(fā)送到云服務(wù)器。 監(jiān)控相關(guān)操作人員會對發(fā)送過來的火情數(shù)據(jù)進行確認。

2 系統(tǒng)功能分析

針對智慧消防無線監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸、通 信協(xié)議解析等應(yīng)具有以下功能：

2.1 數(shù)據(jù)信息實時監(jiān)控采集。

建筑消防設(shè)備要做到 24 小 時實時響應(yīng)，旦沒有及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)警情，火災(zāi)將迅速蔓延，造 成巨大損失。系統(tǒng) 24 小時監(jiān)視各終端設(shè)備的剩余電量、溫度、信 號及其他設(shè)備狀態(tài)等信息， 所有信息展示在監(jiān)控平臺便于操作人員查看。

2.2 多重身份的權(quán)限管理。

鑒于個建筑的消防管理部門分 設(shè)多個科室以及多種不同的崗位，不同崗位人員負責(zé)不同的工作任務(wù)，因此每個工作人員使用系統(tǒng)進行的操作不同。 用戶使用 相應(yīng)的權(quán)限可以對授權(quán)范圍內(nèi)的無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）設(shè) 備、中繼器、終端設(shè)備等監(jiān)測數(shù)據(jù)和運行情況進行查看、配置修 改，從而提高系統(tǒng)整體性。

2.3 遠程控制及管理。

整個系統(tǒng)包含成百上千個終端以及其它設(shè)備，只是依賴現(xiàn)場人員進行維護和配置需要花費較多的人力資源成本且效率低。 系統(tǒng)設(shè)計的同時開發(fā)了 Web 以及移動 客戶（Android ＆IOS）的管理監(jiān)控平臺，具備管理員權(quán)限的 使用者可以在 Web 端或者本地設(shè)定系統(tǒng)設(shè)備的各種參數(shù)值，還 可以對通訊層、采集層設(shè)備進行、復(fù)位、消音、聯(lián)動和遠程設(shè)置參 數(shù)等操作，方便管理，同時提高工作效率。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3．1 無線通信方式的融合

LoRa 是基于擴頻技術(shù)的超長距離無線傳輸解決方案，屬于 低功耗廣域網(wǎng)，是種低帶寬、長距離、低功耗、連接量大的物聯(lián) 網(wǎng)通信技術(shù)［9］。 它可以工作在免授權(quán)頻段，無需申請便可以建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，相對來說網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單。 NB－IoT 是 3GPP 標準化組 織定義的物聯(lián)網(wǎng)窄帶射頻技術(shù)，它是種低功耗、廣域覆蓋、超 長距離、連接量大的蜂窩通信技術(shù)［10］。 使用的是運營商提供的授 權(quán)頻段，因為是專門劃分的頻段，因此干擾相對要少很多。

系統(tǒng)采集層融合了 LoRa 和 NB－IoT 兩種通信方式的終 端，可以混合布局互補使用。 在運營商信號覆蓋情況較差的的區(qū) 域可以使用 LoRa 無線終端，通過 LoRa 無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給 無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)），再由控制器通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上 傳到與服務(wù)器； 在 LoRa 通信頻段干擾較嚴重的區(qū)域可以使用NB－IoT 無線終端，直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器。 兩種通信方式 的融合可以提高系統(tǒng)對復(fù)雜使用環(huán)境的適應(yīng)性。

3．2 無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）硬件設(shè)計

智慧消防無線監(jiān)測系統(tǒng)中， 通訊層是終端采集信息與云端 服務(wù)器對接的樞紐，無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）作為通訊實現(xiàn) 的硬件基礎(chǔ)，其設(shè)計顯得很重要。 無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)） 由以下幾個模塊組成：主控 MCU、主備電切換、顯示、存儲、語 音、輸入輸出 I ／ O。 其中，采用 ST 公司 STM32 芯片作為無線火 災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）主控模塊的主控芯片；控制器的輸入模塊 即數(shù)據(jù)采集模塊，主要由 LORA 模組來獲取數(shù)據(jù)（RS485 預(yù)留 接口），RS232 主要作為打印機接口將告警信息打印出來呈現(xiàn)；輸出模塊通過以太網(wǎng)和云服務(wù)器進行數(shù)據(jù)傳輸， 同時輸出模塊 還可以使用 2G ／ 3G ／ 4G、Wi－Fi、藍牙模塊進行數(shù)據(jù)傳輸以適應(yīng) 不同需要的使用環(huán)境。 多種傳輸模塊可以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r 性、可靠性。 控制器的顯示模塊采用塊 LCD 顯示屏同時支持觸控操作，由主控 MCU 驅(qū)動。 STM32 主控芯片的 Flash 和外接SDRAM 與 NAND Flash 組成了控制器的存儲模塊。 語音模塊主要是當監(jiān)控到告警信號時，能夠播放疏散警shi音，引導(dǎo)疏散。 無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）和 Web 集中監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能致，能夠?qū)ζ湎滤薪K端包括中繼器進行監(jiān)測、采集，同時帶 有本地管理功能的控制器具有歷史數(shù)據(jù)的存儲與查詢功能。 該控制器的原理框圖如圖 2 所示。

3．3 感知層設(shè)備硬件設(shè)計

感知層設(shè)備也就是終端（感煙、感溫報警器、可燃氣體檢測報警器、可燃粉塵報警器、NB－IoT 感煙、溫報警器）的硬件可以 劃分為 4 個功能模塊，如圖 3 所示，包括傳感器、控制、傳輸、電 源模塊。 環(huán)境中煙霧、可燃氣體、粉塵濃度、溫度變化等數(shù)據(jù)均可 以被傳感器模塊采集，這些數(shù)據(jù)通過接口傳輸給控制模塊。 控制模塊根據(jù) LoRa 私有協(xié)議對數(shù)據(jù)進行封裝， 封裝后的數(shù)據(jù)包通 過傳輸模塊發(fā)送給傳輸層的無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)），電源模塊為終端設(shè)備提供長時間的能源支持。感知層終端設(shè)備的創(chuàng)新之處在于，只采用電池供電產(chǎn)品使用研發(fā)的低功耗技術(shù)， 其電池使用壽命可以達到 3～5 年。 這里的低功耗技術(shù)主要通過無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）設(shè)定的 心跳時間實現(xiàn)，心跳間隔可在 5～360min 根據(jù)實際需求選擇，設(shè)備自動跟隨網(wǎng)關(guān)配置時間執(zhí)行心跳通信。 也就是說在次心跳循環(huán)開始時設(shè)備“醒”來并上報自身狀態(tài)信息，其余時間處于休 眠（出現(xiàn)火情自動喚醒上報警情）。 根據(jù)實際測試其平均電流≤60μA＠20min 心跳間隔。

3．4 Web 服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計

服務(wù)器與無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）的交互是系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(guān)鍵部分，其架構(gòu)如圖 4 所示。 服務(wù)器下方可接臺或多臺 無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）。

Web 服務(wù)器采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計。 包括：

1）數(shù)據(jù)接入層：提供標準的數(shù)據(jù)處理接口；

2）業(yè)務(wù)處理層：對數(shù)據(jù)進行加工處理；

3）數(shù)據(jù)持久層：提供數(shù)據(jù)增刪改查功能。

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器實時接收網(wǎng)關(guān)上報的數(shù)據(jù)包， 并將數(shù)據(jù)包分類后發(fā)送給 RabbitMQ。 Web 服務(wù)器及網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理器實時地從 RabbitMQ 中獲取網(wǎng)關(guān)、中繼器、傳感器數(shù)據(jù)，其中 Web 服務(wù)器主要抓取告警信息并返回給前端設(shè)備， 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理器則 負責(zé)將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中以備后續(xù)分析。 PC 端通過 WebSocket 技術(shù)實時接收 Web 服務(wù)器的告警信息； 移動端通過Socket 長連接實時接收 Web 服務(wù)器的告警信息。

無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）開機時與服務(wù)器進行交互，請 求服務(wù)器的 IP、 端口及 IP 分配有效時 間，服務(wù)器把相應(yīng)的 IP、端口、IP 分配 有效時間應(yīng)答給無線火災(zāi)報警控制器

（網(wǎng)關(guān)）。 控制器達到 IP 分配有效時間 即與服務(wù)器進行交互。

 由于服務(wù)器在某些場景下無法主 動發(fā)現(xiàn)控制器，需要控制器定期主動上 報狀態(tài)，建立通信通道，服務(wù)器收到上 報后才能下發(fā)設(shè)置和查詢指令。服務(wù)器與控制器的交互示意如圖 5 所示。

無線火災(zāi)報警控制器（網(wǎng)關(guān)）開機時與服務(wù)器進行交互，請 求服務(wù)器的 IP、 端口及 IP 分配有效時 間，服務(wù)器把相應(yīng)的 IP、端口、IP 分配 有效時間應(yīng)答給無線火災(zāi)報警控制器

（網(wǎng)關(guān)）。 控制器達到 IP 分配有效時間 即與服務(wù)器進行交互。 由于服務(wù)器在某些場景下無法主 動發(fā)現(xiàn)控制器，需要控制器定期主動上 報狀態(tài)，建立通信通道，服務(wù)器收到上報后才能下發(fā)設(shè)置和查詢指令。服務(wù)器與控制器的交互示意如圖 5 所示。

4 系統(tǒng)性能測試

4．1 抗低溫測試

測試環(huán)境：終端放置在－15℃和－20℃低溫試驗箱，恒溫 24小時。測試數(shù)據(jù)（這里不詳細列出所有數(shù)據(jù)）如表 1：

從實驗結(jié)果看－20℃信號強度明顯減弱終端工作狀態(tài)仍然正常。

4．2 通信距離測試

測試環(huán)境：網(wǎng)關(guān)放在實驗室內(nèi)（周圍非空曠環(huán)境）。

測試方法： 在終端信號消失點使用手ji地圖定位大致估算 通信距離。 測試結(jié)果如圖 6 所示。

從測試結(jié)果看中繼下終端距中繼直線距離：982m， 中繼下 終端距網(wǎng)關(guān)直線距離：1000m。 在實際測試中發(fā)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)天線放置的位置對通信距離影響較大， 在工程應(yīng)用時需要多次測試來決定網(wǎng)關(guān)的安裝位置。

4．3 終端功耗測試

測試環(huán)境： 使用裕邦通信電流測量工具， 電源型號 Agilent＿66312，電壓 3V，采樣周期 70ms，連續(xù)運行 7*24h。測試結(jié)果如表 2：

4．4 工程測試

經(jīng)過長期測試和揚州恒春科技、 烏魯木齊聯(lián)豐盛安等多家 企業(yè)的工程使用表明，單網(wǎng)關(guān)目前可支撐 500 節(jié)點通信。 2019年 11 月受邀與合作單位華南光電同參加 2019 上海應(yīng)急與消防博覽會－漢諾威消防展系列展會。

5 安科瑞智慧消防監(jiān)控云平臺介紹與選型

5.1 平臺簡介

安科瑞智慧消防綜合管理云平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動報警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對這些設(shè)備的狀態(tài)進行智能化感知、識別、定位，實時動態(tài)采集消防信息，通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實多元責(zé)任監(jiān)管等目標。*原先針對“九小場所”和危化品生產(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應(yīng)于所有公建和民建，實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”、用電管理“精細化”的實際需求。

從火災(zāi)預(yù)防，到火情報警，再到控制聯(lián)動，在統(tǒng)的系統(tǒng)大平臺內(nèi)運行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過平臺直觀地看到每棟建筑物中各類消防設(shè)備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現(xiàn)細節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內(nèi)，相關(guān)報警和事件信息通過手ji短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關(guān)人員。同時，通過自動消防滅火控制裝置啟動自動滅火設(shè)備和消防聯(lián)動控制設(shè)備，有效解決用電單位電氣線纜老舊，小微企業(yè)無專業(yè)電工、肉眼無法直觀系統(tǒng)即時排查電氣隱患、隱蔽工程隱患檢查難等難題，及時排除隱患，安科瑞智慧消防監(jiān)控云平臺結(jié)構(gòu)如下圖所示：

5.2 平臺功能

 平臺登陸

用戶登錄成功之后進入頁，如圖所示。主要展示的內(nèi)容有：項目概況、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備分類、設(shè)備報警信息、報警分類、報警統(tǒng)計、設(shè)備臺賬信息等。其中baidu地圖可以選配成BIM建筑模型，任何傳感器報警時可以在BIM模型中預(yù)警顯示。

實時監(jiān)控

智慧用電子系統(tǒng)可接入電氣火災(zāi)、故障電弧、電氣火災(zāi)主機、滅弧式保護器探測和母排無線測溫探測等等各類子系統(tǒng)，實現(xiàn)對相關(guān)消防系統(tǒng)設(shè)備的信息實時監(jiān)控，且發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)劇超過風(fēng)險閾值，APP、電話報警統(tǒng)統(tǒng)上陣，通過設(shè)備的標簽、地理位置定位，快速通知，快速處置

隱患管理

隱患管理包括隱患巡查、隱患處理、和隱患記錄，隱患巡查的目的是為了系統(tǒng)在產(chǎn)生報警或隱患后，系統(tǒng)可以針對工程人員派發(fā)工單，處理完以后工程人員能夠在系統(tǒng)中填寫相關(guān)工單任務(wù)記錄，以供歷史查詢。隱患統(tǒng)計支持對項目進行日、月、季、年的維度查詢，并能夠自定義時間查詢，將項目下隱患以曲線，圖表的形式展現(xiàn)

統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析包括數(shù)據(jù)匯總和分析報告，數(shù)據(jù)匯總以曲線和表格形式顯示各個月份的報警和故障記錄，同時顯示控制日志，支持按照控制類和參數(shù)設(shè)置類分別顯示，也可以按照操作是否成功分別顯示，包括此次控制的操作情況，項目名稱，設(shè)備信息以及對應(yīng)的操作時間等；分析報告包括總體概況和設(shè)備回路特征分析。

運維管理

根據(jù)運維調(diào)度管理的需要，智能調(diào)度技術(shù)人員可以分為不同角色，系統(tǒng)支持巡檢計劃和巡檢日歷，可支持巡檢人員使用手jiNFC芯片巡檢打卡的功能。

手jiAPP功能

手jiAPP軟件具有IOS版本和安卓版本，并與電腦終端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步，能展示剩余電流、溫度、電壓、電流等電氣參數(shù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化曲線、歷史數(shù)據(jù)與變化曲線；短路、斷線、漏電、超溫、過壓、欠壓、過流等電氣故障實時報警數(shù)據(jù)等；能實時顯示項目地理位置、未排除隱患數(shù)、未處理巡檢數(shù)等；通過APP消息推送的方式提醒用戶實時報警信息；可以實現(xiàn)遠程復(fù)位、遠程分閘功能；可以對所有現(xiàn)場探測器進行遠程參數(shù)設(shè)定及修改；可以對所有現(xiàn)場探測器的遠程控制記錄進行查詢；

5.3 產(chǎn)品選型

電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器

6 結(jié)束語

系統(tǒng)能及時準確地對火災(zāi)等各種突發(fā)的情況進行實時防范和 預(yù)警通知，從而達到主動防控。 測試結(jié)果表明系統(tǒng)已經(jīng)可以穩(wěn)定 運行，數(shù)據(jù)能夠可靠傳輸，達到了預(yù)期設(shè)計目標。

參考文獻

［1］ 王純正．建筑智能化技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)時代的應(yīng)用及發(fā)展［J］．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（2）：100－102

［2］ 張吉躍，王鵬飛．基于物聯(lián)網(wǎng)與云計算技術(shù)的綜合智慧消防系統(tǒng)［J］． 智能建筑，2018（5）：36－40

［3］ 李天才，李學(xué)紅，李桂琴.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧消防無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］． 工業(yè)控制計算機，2020，33（4）

［4］ 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊   2020.06 版.

作者簡介：劉細鳳，  安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧消防監(jiān)控系統(tǒng)