| 标题 | 基于NB-IoT的智慧消防系统设计 |
| 范文 | 姜韬 徐志平 关键词：NB-IoT;云平台;智慧消防 0 引言 随着社会不断推动城镇经济建设与转型，作为保障居民财产与安全的消防措施也应该与时俱进，进而提升灭火救灾能力。但是，传统消防仍旧存在许多问题，诸如：依赖于消防安全管理人员的监督力度与管理手段;无法预知、反映与处理监控地区的火灾情况;当火灾发生时，处理流程繁琐与低效，不利于及时处理火灾情况;消防设备的安装与布线程序复杂、成本较高，且维护困难等，已越来越不适应现代社会的要求。因此，迫切需要一种替代传统消防模式的方案。 另一方面，移动通信领域正逐渐转向物与物之间的通信。物联网逐渐成为新时代通信领域的主力干将，可使用信息传感设备，根据硬件通信协议（如MQTT，CoAP，AgentLite），实现物与物之间的网络链接进行信息交互，并可人为对设备下发命令、监控、定位与管理等操作。诸多工业产业将产生海量连接需求，远远超出目前的人与人之间通信的实际市场。然而，当下的许多物联网络技术在实现物链接上却显得能力不足。NB-IoT因其海量链接能力、低功耗、低成本以及覆盖范围广阔等优点[1]，在处理上述难题方面显得得心应手。 本文提出基于NB-IoT 技术的智慧消防方案[2]，与传统消防相比，智慧消防是指运用NB-IoT 物联网技术，将信息传感与通信技术结合，达到实时、动态实现烟雾浓度数据、信号强度采集、通信、处理与报警等功能，提高灭火救灾的执行效率，实现消防监控的信息化。显然，此项研究对于消防与物联网领域将具有实际应用价值[3]。 1 系统总体设计 NB-IoT智能消防设备独立组网由烟感模块和蜂鸣报警器组成的感知层设备与NB-IoT通信模组组成，在有效范围内实时监测烟雾浓度、信号强度等参数并判断火灾状况，同时可采集设备自身运行数据（设备名称、设备网络状态、设备类型与报警情况）实时上传至OceanConnect云平台[4]。烟感监控系统App 向OceanConnect云平台发送Https请求，下载硬件设备收集到的信息，并进行监控管理、数据统计与火情处理等相关操作[5]，系统功能如图1所示。 2 硬件设计 系统的硬件部分包括核心模块，如主控系统STM32L431RCT6单片机、NB35-A 通信模块（内嵌BC35-G 模组）、OLED 模块、MQ-2 烟雾传感器和有源蜂鸣器，以及核心电路，如主控电路、电源电路、复位电路、独立按键电路、串口电路和外设接口电路。 2.1 STM32主控芯片 硬件设计主控模块采用的是ST 公司旗下的32 位Cortex-M4 内核超低功耗STM32L431RCT6 处理器[6]。CPU 具有高速Flash特性，能够极大提升读写速度，且兼具保护机制，保证正确传输数据。烟感监控设备需要长期运行，所以硬件设备的供电情况是很重要的问题，而STM32L4芯片则兼备优秀低功耗模式，很好地解决了该问题。 2.2通信模块 本次设计选择的通信模块是NB35-A，它是一款低功耗、超高灵敏度的NB-IoT最小系统板。内部选用移远的BC35-G模组，内嵌网络服务协议栈，符合设计需求。模块还采用了省电技术，电流功耗在省电模式（PSM）下，低至4μA。NB35-A 最小系统板可通过NB-IoT无线电通信协议（3G99 Rel.14），迅速实现与网络运营商的基础设备建立通信。 2.3烟感模块 烟感模块由MQ-2 烟感气敏元件和有源蜂鸣器组成[7]，工作电压为5 V，且使用之前，需要预热2 min 以上，至MQ-2 稍微发烫。当监测区域烟雾浓度上升时，输出电压会随之升高;浓度下降时，输出电压随之下降。与此同时，MQ-2模块DO口外接有源蜂鸣器，当监测烟雾浓度值超过阈值时，则会报警。 3 OceanConnect云平台 OceanConnect 云平台开发者中心是华为向开发者提供的物联网一站式开发工具，具备产品开发、应用开发、自助测试及产品发布等多种能力，并提供了配套的开发指导、API参考等资源，端到端指引物联网开发。基于统一的IoT生态圈，平台包括我的设备、Profile开发、插件开发及插件管理等功能[8-9]。其中Profile 文件是用来描述设备类型和服务能力的文件，定义了设备的服务、属性、命令等特性，对于整体的开发流程如图2所示。 4 软件设计 实现烟感监控功能的软件主要由显示页面、登陆鉴权、数据与命令交互、添加设备、刷新与搜索等模块组成。既要满足数据的实时更新、设备的命令下发等操作功能，又要符合使用者的用户体验（程序的稳定与感官体验）以及界面的美观，还能够及时解决用户的反馈与实时修改、更替与添加程序功能。设计的集成环境使用的是美国谷歌（Google）公司专门为开发自己旗下产品Android 应用的集成开发环境（IDE）：AndroidStudio[10]。软件开发包使用的是JDK1.8版本。 主显示界面的设计应该尽可能简洁，以免因过于繁多的事项导致用户的选择障碍，又要避免因过度追求极简而导致服务项的缺失，设计效果如图3 所示。 鉴权请求是应用服务器首次访问OceanConnect 云平台时，需要调用鉴权接口完成接入认证;如果认证过期，则必须重新调用此接口来进行认证。 软件设计最重要的服务部分是数据信息的实时交互，决定着监控系统的有效性与稳定性。考虑到多线程可能带来的程序功能间冲突与瘫痪，以此造成较差的体验。因此，采用手动刷新的方式更新数据，刷新流程图如图4所示。 添加设备：如果有后续已实现与云平台交互的新增设备，又希望能在App界面显示该设备监控的相关数据信息，有2种方式可以实现该目标。第1种，在云平台中新添真实设备，输入设备名称和设备唯一标识码即可简单实现;第2 种，在App 上手动添加设备，设计主要使用第2种方式。 搜索设备：当设备数量众多，又需及时搜索到想要的设备信息时，搜索功能必不可少。由于本次软件设计只使用了一个具备通信功能的真实设备，因此不能较好体验搜索功能的效果。 报警命令能否及时下发关系到整个智慧消防监控系统的可靠性，因此需要特别重视命令下发的稳定性与及时性。要想实现应用向对接的设备下发命令，首先需要在设备Profile 文件中定义好相应配置或修改设备的属性。OceanConnect 平台中具有2 种命令下发方式：立即执行和缓存下发。其中，立即执行是平臺收到下发命令后立刻下发给设备，保证及时与同步性。缓存下发是指平台接收到命令后依次储存在缓存区进行排队，按照串行下发的方式，在收到前一个命令的响应后才会下发后一个命令，但是无法保证及时与同步性。由于本次报警命令下发需要能够及时反应情况，因此采用立即执行方式，以确保有效处理火情状况。 5 结束语 基于过去的传统消防背景探讨了传统消防方式、灭火救灾手段的不足与弊端;同时，根据目前世界物联网技术的发展，重点分析NB-IoT技术的优势与前景。结合实际情况与功能需求，提出了基于NB-IoT 技术的智慧消防系统设计与实现方案，最终实现了系统方案。 |
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