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基于窄带物联网技术的智能无线消防系统的设计与实现

摘要：传统的感烟系统存在实施成本高、难以感知工作状态、数据准确性低、难以统一有效管理等缺点。针对这些问题，创新性地设计了一种基于窄带物联网技术的新型智能无线火灾监控系统，实现了远程实时监控和管理。与传统的烟雾报警系统相比，该系统具有超低功耗、锂离子电池供电、无需布线、远程监控、电量不足报警等优点。具有广阔的应用前景，值得开发和推广。

I．介绍

目前，智能消防系统作为智慧城市建设[1]的热点之一，已经引起了政府的重视，成为未来[2]智能消防的发展趋势。通过部署现场智能消防设备，将收集到的数据上传到云平台，经过大数据分析和处理后反馈给用户或相关部门。通过及时发现隐患，采取紧急措施，有效保护用户的生命财产安全。

烟雾探测器作为室内主要的安全监测设备，在各种场合的应用具有广泛的用途。火灾相关分析数据显示，中国94%的火灾发生在农村或城市、缺乏防火和常规措施的棚户区、古建筑、养老院、文物古迹、集体宿舍等微型和小规模场所，这些场所的火灾死亡率最高。除了业主的安全意识较弱外，这类事件的部分原因是大部分电池供电的声光报警产品质量参差不齐，有很多缺点，如没有联网功能，没有电池电量低报警，没有设备故障报警[4]。另一方面，在这些小规模地点安装有线系统的费用很昂贵，而且安装后也很难维护。因此，有必要设计一种具有长待机时间、互联功能和多方主动报警功能的无线消防系统。该系统可为室内安全提供长期、高可靠的预警。

目前市场上烟雾传感器的数据通信方式主要有两种。

一是基于RS-232/485[5]的有线通信方法。这种方法在布线设计和实现方面很复杂，导致安装周期长、维护成本高、对电话/短消息服务警报的支持弱等等。因此，项目总成本高，而效用性能低。

另一种方法是采用Zigbee/GSM技术[6]的无线通信方法。基于ZigBee的通信方式也存在一些缺点，包括:通信时间短距离远，穿透墙壁的能力弱，并且需要在[7]上方安装大量网关。GSM通信方式存在功耗高、电池寿命短、烟雾传感器密集布置时网络拥塞严重等缺点。

针对传统感烟设备存在的这些缺点，本文提出了一种基于窄带物联网(Narrow Band iot，窄带物联网)的新型智能感烟系统，该系统符合智能防火[8]的发展趋势。

窄带物联网是物联网领域的新兴技术，支持广域网(也称为低功耗广域网[9])中低功耗设备的蜂窝数据连接。

窄带物联网有四个主要特点:

1)覆盖面广。窄带物联网增益为20 dB，最大增益为23 dB。在同一频带内，其覆盖面积增加100倍[10];

2)大型连接。NB-IoT的一个部门支持10万个连接，实现了对[11]频谱的更有效利用;

3)功耗低。NB-IoT提供连接、寻呼和PSM模式，简化协议，降低功耗，其终端模块[12]的待机时间长达10年;

4)低成本。在企业环境中，单个模块的价格预计将低于5美元[13]。

由于上述优点，窄带物联网非常适合需要大量分散终端节点和对功耗有特殊限制的智能消防场景。

II. 整体构架设计

2.1需求分析

2.1.1传统有线烟雾探测器的分析

如上所述，本文提出了一种采用锂电池供电的解决方案，使设备摆脱了电缆供电。通过“即插即用”，设备安装、调试方便，节省人工、材料成本，部署成本降低90%以上。

旨在克服没有远程警报的缺点,本文提出使用NB-IoT通信模块上传报警信息通过NB-IoT云平台,然后报警信息推到监控中心或客户的移动终端的云平台,实现远程电话和短信报警的功能。

2.1.2传统无线烟雾探测器的分析

基于ZigBee的传统无线烟雾探测器存在一定的缺陷。相比之下，窄带物联网的通信距离相对较远，一般可达15公里。与LTE (Long Term Evolution)和GPRS网络相比，窄带物联网具有较强的穿墙能力，可提高20dB[14]的增益，可覆盖信号难以到达的区域，如地下车库、地下室、地下管道等，节省了大量网关开销。

针对GSM模式存在的问题，本文提出了一种超低功耗单片机STM32L431RCT6，采用AA (5000mAh)电池，采用窄带物联网模块进行通信，超低窄带物联网功耗，使用寿命超过10年。

针对设备密集时的网络拥塞问题，窄带物联网具有支持海量连接的能力，一个部分可以支持50,000个连接。

2.2系统架构

智能无线消防系统主要由NB-IoT传感终端层、网络传输层、物联网平台管理层和应用服务层[15]组成。图1展示了智能感烟系统的整个系统架构。

窄带物联网芯片的感烟终端层内部装有中国移动的SIM卡，通过窄带物联网通信模块将采集到的数据发送到电信平台。

传输层包括窄带物联网通信基站和物联网核心网。窄带物联网基站通过核心网[16]将接收到的数据传输到中国电信云平台。

平台管理层提供数据存储、设备管理等功能。为智慧城市的统一管理提供了后续的可能性。一旦平台与消防部门的系统联网，消防人员可以迅速对火灾事件作出反应，减少生命和财产的损失。

应用服务层通过api(应用程序接口)与云平台连接，实现数据在线查询和远程监控功能。

图1.系统的总体架构 图2.硬件体系结构

III．系统硬件设计

系统的硬件主要包括锂电池电源、主控芯片、烟雾传感器和窄带物联网四个模块。

锂电池模块为铌物联网模块和主控芯片模块提供3.3V DC(直流)电源，为烟雾传感器模块提供5V DC电源。单片机采集烟雾值，通过GPIO口发送寻呼控制信号。窄带物联网模块通过AT命令与单片机通信，通过CoAP协议与基站通信。

3.1主控制模块

针对物联网的应用场景，本系统采用意法半导体公司新推出的STM32L431芯片，具有高性能、低功耗的特点。芯片基于ARM Cortex- M4内核，32位宽，内部集成128K FLASH和64K SRAM，采用LQFP64封装，提供工作、休眠、停止、待机四种模式。其工作频率高达80mhz，具有丰富的接口资源，包括I2C、SPI、ACD、Uart、TIM和watch dog，非常适合物联网系统[17]。

该芯片具有超低8nA下电模式和超低28nA待机模式。激活RTC (Real Time Clock)时，功耗仅为280nA，很好地满足了感烟系统的超低功耗要求。

3.2电源模块

该系统的电源由2节锂电池提供，每节电池容量为2600毫安。型号为18650，标称电压为3.7V。测试表明，如果系统处于停止模式，电池预计使用约5年。

由于设备工作在不同的电压下，整个系统是分开供电的。通过IC芯片PS7516将锂电池的3.7V电压升压到直流5V为烟雾供电传感器模块，同时通过IC芯片RT9013-33GB稳定到3.3V DC，为NB-IoT模块、LED和蜂鸣器报警模块以及主控芯片模块[18]供电。

在这个模块中用作一个恒定的5V升压DC-to-DC变换器，PS7516内部集成了一个低RDS(ON)(静态漏源通阻)功率MOSEFT;外部不需要肖特基二极管，实现了高转换效率。PS7516适用于锂电池5V/1A增压的高效应用。RT9013-33GB是一个高性能的500mA LDO(低衰弱稳压器)，具有低至25uA的静态电流，以延长电池寿命。

电源模块电路原理图如图3所示。

图3.电源模块电路原理图 图4.NB- IoT模块电路原理图

3.3 NB-IoT模块

目前窄带物联网芯片制造商主要有高通、英特尔、华为海思、新科等。本系统采用上海SIMCom无线解决方案有限公司的SIM7020C模块。其工作频段为B1/B3/B5/B8，可支持中国移动、中国联通、中国电信的窄带物联网sim卡。其供电电压约为3.3V，传输功率为23plusmn;2.7dB。在PSM (power saving mode)模式下，其电流低至3.4uA。该模块的串口可以使用AT命令进行通信和数据传输。默认波特率为115200 bps，支持多种通信协议，包括LWM2M/CoAP/MQTT/ TCP/UDP/HTTP/HTTPS。

目前，CoAP和MQTT是两种最有前途的小型设备物联网通信协议。MQTT协议基于TCP协议，可以维护长连接，更适合实时控制。CoAP协议基于UDP，功耗低，更适合数据采集现场场景[19]。

根据数据采集的功能需求，本系统窄带物联网终端与物联网云平台之间的通信基于COAP协议。

窄带物联网模块的特点满足了本设计的要求。原理电路图如图4所示。

IV．系统软件设计

本系统的程序是在MDK5平台上用C语言开发的。系统软件设计主要分为烟雾终端软件和云平台硬件两部分，系统主要包括锂电池电源、主控芯片、烟雾传感器和NB-IoT四个模块。

4.1软件设计

本系统的终端软件流程图如图5所示。设备上电后，主程序首先初始化STM32的串行端口，在启动NB-IOT模块之前中断和计时器。初始化后，MCU进入停止模式，NB-IOT模块进入PSM (power saving mode)。系统定期每5秒采集一次烟雾数据。在每次收集之后，将该值与阈值(设置为1000)进行比较。

1)如果采集到的值高于设置的阈值，则表示发生了火灾，需要立即发出报警。单片机控制发光二极管和蜂鸣器发出声光报警。同时MCU将告警信息发送到窄带物联网通信模块，窄带物联网通信模块退出PSM模式，将告警信息打包成CoAP协议包发送到物联网平台。数据传输完成后，系统再次进入休眠状态，等待下一次唤醒。另一方面,接到报警信息后,平台会立即报告的准确位置和报警信息用户和消防部门通过电话等渠道,SMS(短消息服务)和移动应用程序,从而实现烟雾检测、实时报警和连锁的初始火灾,保护生命和财产的安全。

2)如果采集到的值低于设置的阈值，则表示没有发生火灾，系统进入节能状态。系统每5秒定期采集一次烟雾数据，每30分钟向物联网云平台上报一次相关信息(如烟雾数据、信号值等)。

为了保证烟雾数据和报警信息的准确性，本系统采用均值滤波算法对采集的数据进行处理。

窄带物联网模块的网络接入一般包括以下步骤:

1)模块上电，SIM卡初始化;

2)开始搜索附近基站信号;

3)发现NB网络时开始进入连接状态;

4)激活PDN (Public Data Network)，获取IP (Internet Protocol)地址;

5)开始建立用户数据链接，发送和接收数据;

6)无数据交互时，开始进入IDLE和PSM模式;

7)等待用户数据发送，或再次进入连接状态。

图5.软件流程图 图6.插件组件的设计

4.2物联网平台设计

物联网云平台提供设备访问、管理、数据分析和存储能力，以及为各种应用提供其他服务。本系统使用中国移动的SIM卡以及以中国电信物联网接入管理平台为核心的物联网生态系统——中国电信天益物联网云平台。基于物联网、云计算、大数据等核心技术，构建统一开放的物联网连接管理平台，通过开放的api(应用程序接口)和物联网代理实现与上下游产品的无缝连接，为客户提供端到端的高价值工业应用。天物联网云平台开发主要包括概要文件定义和编解码器插件开发。

Profile作为一种产品模型，用来描述设备的功能和特性。通过定义配置文件，用户可以在物联网平台上建立设备的抽象模型，使平台能够理解设备支持的服务、属性、命令等信息。该系统创建了一个“烟雾感知”服务，在该服务下创建了四个属性:“smoke_value”、“CSQ”、“battery_level”和“set_value”。

编解码器插件可以创建二进制数据和json格式数据的会话，从而实现设备终端与云平台之间的数据上报和命令下发的双向通信，如图6所示。

V．实验结果分析

在福州大学物理与信息工程学院南楼317室进行了一些测试，以验证拟建的智能消防系统的可靠性。将SIM卡插入设备，连接天线并上电后，设备每5秒采集一次烟雾数据，每半小时将相关信息上传到天物联网云平台。将打火机对准烟雾探测器以模拟火灾环境。无可燃气体时，云平台显示的烟雾值为50左右;当有可燃气体时，烟雾值飙升到2000左右，设备会发出LED和蜂鸣器报警。数据报告功能的测试结果如图7所示。可以看到“smoke_value”、“CSQ”、“battery_level”、“set_value”等参数。

经过长

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