劉志龍　杜寧

摘要： 本文針對(duì)傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)所存在的誤報(bào)警率較高、布線復(fù)雜以及維護(hù)困難等弊端，參考先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee的火災(zāi)監(jiān)控平臺(tái)。監(jiān)控平臺(tái)主要包括基于JavaEE的分布式軟件架構(gòu)和基于ZigBee的無(wú)線硬件網(wǎng)絡(luò)搭建兩個(gè)核心部分，采用了私有云、MVC架構(gòu)、XBee封裝模塊等主流軟硬件技術(shù)，充分滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)火災(zāi)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、智能化要求。

關(guān)鍵詞：ZigBee；XBee； 火災(zāi)監(jiān)控

1 緒論

火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)作為早期探測(cè)火災(zāi)、將火災(zāi)遏制在萌芽狀態(tài)的重要設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)防消結(jié)合，預(yù)防為主的消防策略的重要手段。目前主要的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)大多采用有線方式，存在系統(tǒng)耗材多、造價(jià)高、布線繁瑣、線路容易老化、故障發(fā)生率和誤報(bào)率高等諸多問(wèn)題[1]。

針對(duì)以上提出的問(wèn)題，本文提出了無(wú)線監(jiān)控的解決方案，在深入的分析了用戶(hù)在火災(zāi)安全中的實(shí)際需求后，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[2]，彌補(bǔ)了現(xiàn)有的有線監(jiān)控方式所存在的不足，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)安全的管理網(wǎng)絡(luò)化?？焖贋橛脩?hù)提供詳細(xì)準(zhǔn)確的火災(zāi)安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，適應(yīng)不同規(guī)模環(huán)境的火災(zāi)監(jiān)控需求。

2火災(zāi)報(bào)警平臺(tái)的解決方案

本監(jiān)控平臺(tái)由數(shù)據(jù)采集終端、API中間件、數(shù)據(jù)展示終端三部分組成，采用分布式設(shè)計(jì)，平臺(tái)核心是基于私有云的API中間件，采用JavaEE技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交互界面的研發(fā)。采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的持久化，Redis數(shù)據(jù)庫(kù)用于管理緩存數(shù)據(jù)。在軟件架構(gòu)方面，采用Nginx反向代理服務(wù)器進(jìn)行負(fù)載均衡[3]。應(yīng)用服務(wù)器使用Tomcat集群，軟件代碼部分采用了企業(yè)開(kāi)發(fā)中常用的Spring MVC作為MVC層，采用MyBatis作為ORM層，保證軟件平臺(tái)的代碼質(zhì)量和應(yīng)用級(jí)別的安全性。底層使用工業(yè)級(jí)的Xbee節(jié)點(diǎn)用于傳感器數(shù)據(jù)的傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸安全以及準(zhǔn)確性[3]。該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)經(jīng)過(guò)配置之后可以對(duì)不同類(lèi)型的火災(zāi)監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，傳輸，展示，分析等相關(guān)操作，同時(shí)該平臺(tái)采用分布式設(shè)計(jì)，保證了平臺(tái)的橫向和縱向擴(kuò)展的可行性。在記錄環(huán)境安全數(shù)據(jù)的同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和折線圖展示，以及安全威脅的預(yù)警與報(bào)警，并設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了前端展示平臺(tái)，可以對(duì)不同的屏幕大小進(jìn)行自動(dòng)適應(yīng)，方便適用于不同類(lèi)型的使用環(huán)境。

2.1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本平臺(tái)的結(jié)構(gòu)主要分為三部分：API中間件部分、數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)展示終端，整體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖1所示。

API服務(wù)器部分包括：用戶(hù)注冊(cè)，用戶(hù)登錄和回話鑒別等部分。其中，用戶(hù)可以使用個(gè)人信息進(jìn)行注冊(cè)，用登錄系統(tǒng)中，用戶(hù)正常使用的情況下不需要注意其他問(wèn)題，用戶(hù)的數(shù)據(jù)安全和用戶(hù)賬戶(hù)的安全由服務(wù)器端進(jìn)行確認(rèn)和保障。

底層數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)包括：一到多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理包括驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否達(dá)到了警報(bào)值，選擇對(duì)用戶(hù)告警并傳出警報(bào)信息到API服務(wù)器，該模塊還包括把普通的數(shù)據(jù)傳送到API服務(wù)器。

終端展示部分包括：用戶(hù)的登錄，注冊(cè)，瀏覽的頁(yè)面，以及作為用戶(hù)和API服務(wù)器的橋梁，封裝用戶(hù)的請(qǐng)求和API服務(wù)器的反饋，并解析為元數(shù)據(jù)展示給用戶(hù)，以及簡(jiǎn)單的鑒別用戶(hù)的輸入，防止一些不正確和非法的請(qǐng)求直接請(qǐng)求到API服務(wù)器。

2.2 API中間件架構(gòu)

API中間件是底層硬件部分和數(shù)據(jù)展示終端之間的橋梁，這部分接受來(lái)自于底層硬件部分的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)數(shù)據(jù)展示終端的請(qǐng)求，提取用戶(hù)需要的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝之后發(fā)送到數(shù)據(jù)展示前端。通過(guò)這部分的中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，也是通過(guò)API中間件，實(shí)現(xiàn)了底層與前端展現(xiàn)的分離，保證了平臺(tái)的健壯和可伸縮性，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)流失和數(shù)據(jù)泄密，這部分采用了三層架構(gòu)的設(shè)計(jì)模式。從對(duì)接HTTP請(qǐng)求，到業(yè)務(wù)層分流，到DAO層的數(shù)據(jù)庫(kù)操作，再次采用分層解耦的方式保證了API中間件本身的健壯性和彈性，維持了“高內(nèi)聚，低耦合”的軟件工程設(shè)計(jì)思想，這部分是整個(gè)火災(zāi)監(jiān)控平臺(tái)的“心臟”，各個(gè)部分的依靠弱關(guān)系進(jìn)行連接，每一個(gè)部分的宕機(jī)都不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，API中間件起到了很大作用，API中單件的架構(gòu)如圖2所示。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)是一個(gè)中轉(zhuǎn)站，用于對(duì)接多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，收集數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到API服務(wù)器。這是數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的功能。數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)是一個(gè)較之?dāng)?shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)更高一級(jí)的處理單位，這個(gè)部分是保證上下層聯(lián)通的物理保障。

數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)可以安裝一個(gè)SD卡模塊，通過(guò)在SD卡中存儲(chǔ)配置文件來(lái)保證可以動(dòng)態(tài)修改一些配置文件，類(lèi)似于API中間件的IP地址。在初始化節(jié)點(diǎn)的同時(shí)讀取配置文件，保證用戶(hù)可以簡(jiǎn)單的編輯配置文件完成一些節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜配置，減少用戶(hù)的學(xué)習(xí)成本。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由四個(gè)部分組成：

1. SD模塊：

這部分用于讀取配置文件，做到配置和程序代碼的低耦合性，保證配置文件可以單獨(dú)進(jìn)行處理，方便用戶(hù)隨時(shí)升級(jí)配置。

2. HTTP模塊：

這部分負(fù)責(zé)把已經(jīng)包裝好的數(shù)據(jù)通過(guò)HTTP請(qǐng)求發(fā)送到API服務(wù)器模塊，以及讀取來(lái)自于服務(wù)器的反饋，確認(rèn)通信的成功與否。把這部分單獨(dú)抽取出來(lái)，可以保證減少重復(fù)代碼，合并多個(gè)需要發(fā)送HTTP請(qǐng)求的部分。這部分需要依賴(lài)SD模塊，通過(guò)SD模塊讀取的配置文件獲取到API中間件的IP地址，之后可以與服務(wù)器進(jìn)行通信。

3. 警報(bào)模塊：

警報(bào)模塊是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次處理的部分，這部分同樣需要依賴(lài)SD模塊，通過(guò)SD模塊中存儲(chǔ)的報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾的時(shí)候，通過(guò)警報(bào)模塊對(duì)每一條數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)超出了標(biāo)準(zhǔn)，就進(jìn)行報(bào)警處理，通過(guò)一個(gè)報(bào)警設(shè)備持續(xù)播放警報(bào)信息，直到用戶(hù)介入。

4. OLED模塊：

負(fù)責(zé)把實(shí)時(shí)信息顯示到一塊小屏幕上，可以讓用戶(hù)隨時(shí)了解當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，可以簡(jiǎn)單的判斷出現(xiàn)的問(wèn)題，當(dāng)數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)每接收到一條數(shù)據(jù)的時(shí)候，均顯示到OLED屏幕上面，平臺(tái)采用動(dòng)態(tài)刷新的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，當(dāng)觸發(fā)警報(bào)的時(shí)候，在屏幕上顯示出當(dāng)前報(bào)警的節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)，方便用戶(hù)對(duì)報(bào)警的節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行排查，這部分采用點(diǎn)陣對(duì)字母進(jìn)行顯示，可以使用軟件對(duì)常用的字幕進(jìn)行構(gòu)造點(diǎn)陣狀態(tài)，把字符映射到點(diǎn)陣中，可以實(shí)現(xiàn)在屏幕上對(duì)一些常用字符進(jìn)行顯示。

5. XBee讀取模塊：

這部分負(fù)責(zé)對(duì)通過(guò)XBee傳出的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，并把16進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制，方便程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以方便的把數(shù)據(jù)顯示到OLED屏幕上面。這部分負(fù)責(zé)對(duì)XBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪詢(xún)，讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，保證在對(duì)接多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。硬件設(shè)計(jì)如圖3所示：

3 結(jié)論

基于ZigBee的火災(zāi)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了軟硬件的聯(lián)動(dòng)，數(shù)據(jù)自底向上的傳輸，整個(gè)平臺(tái)是對(duì)目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一次完整的實(shí)踐，底層的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)，API中間件的設(shè)計(jì)保證了平臺(tái)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，使用JSON進(jìn)行數(shù)據(jù)包裝，保證了前端展示的平臺(tái)無(wú)關(guān)性，平臺(tái)依照統(tǒng)一化設(shè)計(jì)，模塊化開(kāi)發(fā)，構(gòu)造出了一套跨平臺(tái)的，穩(wěn)定的，結(jié)構(gòu)可伸縮性的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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