秦洪偉，鄧成中

(西華大學機械工程學院，四川 成都 610039)

目前，智能消防炮的通信控制方式主要是現(xiàn)場總線通信，如RS485總線通信、CAN總線通信等?；诂F(xiàn)場總線的控制方式一般是通過主從設備的外圍通信接口間點對點的有線連接及軟件制定通信協(xié)議，實現(xiàn)多機間的全雙工通信?，F(xiàn)場總線通信方式具有硬件成本較低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、近距離傳輸可靠和速率較高的特點。由于受現(xiàn)場線路距離和現(xiàn)場復雜環(huán)境的限制，該通信方式一般適用小范圍和對滅火要求不高的場合[1]。無線射頻通信控制不僅有現(xiàn)場總線通信的大部分優(yōu)勢，而且其信息輸送范圍不受線路限制，能夠在現(xiàn)場著火的情況下，順利地將信息傳輸至外部控制設備；但無線射頻通信在大范圍數(shù)據(jù)傳送過程中容易發(fā)生延遲和丟失，當多個從機設備向主機發(fā)送數(shù)據(jù)時容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失和亂碼，最后造成控制失常。為解決當前智能消防炮通信控制存在的弊端，筆者設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能消防炮通信控制系統(tǒng)，利用433 MHz無線射頻通信技術(shù)、防碰撞協(xié)議和主從機安全認證協(xié)議實現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和傳輸。該系統(tǒng)很好地解決了大范圍內(nèi)無線通信的數(shù)據(jù)丟失、亂碼和信號延遲的問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成

如圖1所示，該系統(tǒng)的組成主要包括消防炮控制單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)器和中控平臺。

消防炮控制單元主要實現(xiàn)火焰探測、炮口位置調(diào)整、噴水電磁閥開關(guān)控制及報警裝置的啟動[2]；無線數(shù)據(jù)收發(fā)器主要實現(xiàn)消防炮控制單元端和中控平臺端的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送；中控平臺主要負責對消防炮傳回的數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果選擇相應的控制策略。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成示意圖

消防炮控制單元采集火焰信號、消防炮位置、故障信號和視頻圖像信號等信息，通過有線數(shù)據(jù)交換方式傳送至消防炮控制單元端的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器；該收發(fā)器將數(shù)據(jù)通過無線通信方式發(fā)送至中控平臺端的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器；中控平臺端的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器將接收到的數(shù)據(jù)通過有線數(shù)據(jù)交換方式發(fā)送至中控平臺；中控平臺對接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理，然后根據(jù)預制策略自動選擇控制指令，并通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)器將指令傳輸?shù)较琅诳刂茊卧?，從而實現(xiàn)對消防炮的控制。

2 物聯(lián)網(wǎng)絡系統(tǒng)硬件設計

在此系統(tǒng)中，筆者采用了STM8S單片機作為無線數(shù)據(jù)收發(fā)器的主控制器。STM8S系列單片機具有增強型的全雙工高速同步/異步串口，具有硬件自動校驗功能，這為主從機間高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸提供了必要的前提條件。STM8S單片機還具有多種低功耗模式，外設的時鐘可單獨關(guān)閉，并可在1.65～5.5 V的寬電壓范圍運行，能夠滿足消防炮控制系統(tǒng)在內(nèi)部電源供電的情況下實現(xiàn)低功耗信號傳輸?shù)囊?。通過設置STM8S單片機輸出擺率控制抑制EMC干擾，從而提高工作在復雜惡劣環(huán)境下的控制器的抗干擾能力[3]。在無線通信芯片方面，筆者采用了美國Silicon Labs公司原裝進口的SI4463射頻芯片。它具有接收靈敏度高、抗干擾性強、傳輸距離遠、穿透繞射能力強[3]等特點。

如圖2所示，消防炮控制單元硬件的組成包括電源管理模塊、無線收發(fā)器模塊、主控制器模塊、火焰探測模塊、消防炮俯仰和水平電機控制模塊、火災報警模塊。電源管理模塊由直流24 V電源輸入并輸出24、5和3.3 V電壓以滿足各模塊對電源電壓的要求。

圖2 消防炮控制單元硬件結(jié)構(gòu)框圖

中控平臺硬件的組成包括電源管理模塊、無線收發(fā)器模塊、主控制器模塊、火焰報警模塊、狀態(tài)顯示模塊、控制按鍵模塊和顯示器模塊[4]，如圖3所示。顯示器模塊主要顯示當前各消防炮單元工作狀態(tài)；狀態(tài)顯示模塊通過指示燈顯示當前中控平臺工作狀態(tài)；控制按鍵模塊可實現(xiàn)手動遠程控制消防炮。

無線通信模塊硬件電路如圖4所示，在本設計中根據(jù)SI4463芯片官方手冊對芯片的電氣特性要求[5]，模塊采用DC3.3V供電，主控與模塊間，選用SPI實現(xiàn)交互通信。為提高SI4463輸出功率(可達20 dB)，選取電子開關(guān)芯片UPG2214TB進行發(fā)送和接收切換(在操作芯片的過程中通過軟件控制GPIO2和GPIO3切換，若不切換，輸出功率會降低到17 dB)。另外，本模塊與STM8SF103P采用硬件SPI通信，在圖2中SCLK、SDO、SDI、nSEL分別對應連接STM8SF103P的SPI時鐘引腳、SPI數(shù)據(jù)輸出引腳、SPI數(shù)據(jù)輸入引腳、模塊片選輸出引腳。

圖3 中控平臺硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖4 無線通信模塊硬件電路

3 物聯(lián)網(wǎng)絡系統(tǒng)程序設計

程序部分采用模塊化設計，應用C語言進行開發(fā)。主要由4部分組成：主程序控制模塊、通信控制程序模塊、外圍硬件控制程序模塊、中斷處理程序模塊。主程序控制模塊主要完成各個模塊的初始化和參數(shù)配置；通信程序控制模塊主要對SI4463芯片的參數(shù)配置、收發(fā)數(shù)據(jù)防碰撞協(xié)議和安全認證協(xié)議的處理；外圍硬件控制模塊主要對系統(tǒng)外部LED燈指示、按鍵處理和控制消防炮運動姿態(tài)電機及噴水電磁閥；中斷處理主要處理系統(tǒng)中斷。主程序及中斷處理流程如圖5所示。

主循環(huán)程序中主要配置了數(shù)據(jù)的發(fā)送、數(shù)據(jù)處理和中斷使能控制。中斷處理程序進行數(shù)據(jù)的接收處理和對接收的數(shù)據(jù)進行校驗。當外部消防炮向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時，主控制程序進入中斷處理過程并進行數(shù)據(jù)接收處理。如果接收的數(shù)據(jù)驗證通過，中斷處理完畢并轉(zhuǎn)入主循環(huán)處理環(huán)節(jié)。如果中斷處理中的接收數(shù)據(jù)驗證沒有通過，則程序默認丟棄當前接收數(shù)據(jù)包，程序繼續(xù)等待接收中斷。

圖5 主程序及中斷流程圖

4 物聯(lián)網(wǎng)絡無線通信程序設計

物聯(lián)網(wǎng)絡無線通信程序主要由2部分組成：SI4463模塊驅(qū)動程序和無線通信協(xié)議程序。

4.1 模塊驅(qū)動程序

通過官方提供的WDS軟件，配置好模塊關(guān)鍵參數(shù)，自動生成參數(shù)頭文件[5]。通過官方提供的時序圖，編寫必要的驅(qū)動代碼，如下：

SI446X_RESET();//SI4463模塊復位

SI446X_CONFIG_INIT();//寄存器初始化

SI446X_SET_POWER(0x7F);//設置輸出功率

SI446X_Start_RX(0,0, PACKET_LENGTH, 0, 0, 3);//進入接收模式

SI4463的參數(shù)配置主要采用WDS軟件，設置好相應的內(nèi)容后生成參數(shù)宏定義的頭文件，在程序中只須將該頭文件中的參數(shù)以相應的命令寫入射頻芯片即可完成配置。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)絡通信協(xié)議設計

本文依據(jù)開放系統(tǒng)互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)七層協(xié)議模型，采用了RFID三層簡單的協(xié)議結(jié)構(gòu)作為本系統(tǒng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)。RFID 通信系統(tǒng)由三層構(gòu)成,自上而下依次為物理層、通信層和應用層，如圖6所示。物理層的主要問題是電氣信號問題[6],如頻道分配、物理載波等,其中最重要的問題就是載波“切割”問題。

通信層定義了主從機間雙向數(shù)據(jù)交換和指令的方式,其中需要解決的核心問題是多個從機同時訪問一個主機時的沖突。應用層用于解決與最上層應用直接相關(guān)的內(nèi)容,包括認證、識別以及應用層數(shù)據(jù)的表示、邏輯的處理等?，F(xiàn)就以上3個層面對系統(tǒng)物理層的定義、通信層防沖突碰撞協(xié)議和應用層主從機安全協(xié)議進行設計。

1)物理層定義。

物理層主要定義了通信信道標準，433 MHz 短距離無線通信在國際上尚未形成統(tǒng)一的標準，各種標準定義的物理層也不盡相同。筆者為了提高數(shù)據(jù)的可靠傳輸，增大發(fā)射距離，采用了抗干擾能力強的曼切斯特(Manchester)編碼，采用了高斯頻移鍵控(GFSKGauss frequency Shift Keying)進行調(diào)制。對物理層的定義[7]如表1所示。

表1 通信物理層定義

在實際應用中，通過配置WDS軟件生成物理層配置程序。工作頻率(Base frequency)配置為433 MHz，如圖7所示。

圖7 物理層工作頻率配置

調(diào)制模式(Modulation type)設置為高斯頻移鍵控2GFSK，如圖8所示。

圖8 物理層調(diào)制模式配置

編碼模式(Encoding type)設置為兼容曼切斯特(Manchester)和循環(huán)冗余校驗(CRC)模式，如圖9所示。

圖9 物理層編碼模式配置

2)主從機鏈路傳輸協(xié)議。

通信層控制著主從機間的數(shù)據(jù)交換過程，數(shù)據(jù)鏈路連接的建立和釋放，容錯控制，數(shù)據(jù)幀的定義與幀同步，幀數(shù)據(jù)傳送的控制等。其中最為關(guān)鍵的是解決信號碰撞問題。信號碰撞是指多個通信通路競爭一個通信信道，造成主機無法準確判讀從機，從機無法與主機建立鏈接。信號碰撞發(fā)生后會給無線信號鏈路帶來信號傳輸失敗、信號流失，甚至信號傳輸錯誤等嚴重問題。筆者根據(jù)分隙ALOHA算法的思路[8]，對其進行改進，讓其適用于無線射頻系統(tǒng)中。改進后的分隙ALOHA算法模型如圖10所示。

圖10 改進后的分隙ALOHA算法模型

其中，SYN為主機產(chǎn)生的同步時鐘信號，T0為同步時鐘信號的周期，從機i(1,…,n)的通信時間段長為Δt并可分為3個子時間片，τi為從機i收到主機同步時鐘信號的時間段后的延遲時間。根據(jù)分隙原則，可以得出系統(tǒng)的各個呼叫器之間無碰撞沖突的條件[7]為：

該防碰撞協(xié)議的執(zhí)行過程如下：

(1)主機產(chǎn)生的同步時鐘信號的周期長度必須保證每個從機在時間段內(nèi)都有1次通信機會，并且能夠完成與主機的1次通信，其次，任意2個從機之間的通信時間片不能重疊，從而保證數(shù)據(jù)在傳輸時不發(fā)生碰撞；

(2)每個從機都要被分配一個固定的通信時間片，從機與主機的信息交互必須等到分配的時間片后才開始通信；

(3)為了提高通信的成功率，在每個時間片內(nèi)，從機最多可向主機發(fā)送3次數(shù)據(jù)包；

(4)主機向所有從機通過廣播發(fā)送同步時鐘信號，每臺從機設備收到同步時鐘信號后開始計算屬于自己的通信時間片，主機發(fā)送的同步時鐘信號是按照周期發(fā)出的，必須保證2個同步時鐘信號發(fā)送的時間間隔能夠滿足每個從機都能分配到足夠長的通信時間片。

在系統(tǒng)程序設計中，主從機鏈路傳輸協(xié)議程序流程圖如圖11所示。當多臺消防炮向中控臺發(fā)出通信請求后，中控臺程序通過判斷當前周期T內(nèi)的時間片，與對應時間片內(nèi)的消防炮建立通信連接。只有對應時間片內(nèi)的消防炮才能與中控臺建立通信連接。當對應時間片內(nèi)的消防炮與中控臺通信完畢，中控臺進入下一個時間片，依次與下一臺消防炮建立通信連接。

圖11 主從機鏈路傳輸協(xié)議流程圖

3)主從機安全認證協(xié)議。

由于在本系統(tǒng)中消防炮中央控制器系統(tǒng)和各消防炮子系統(tǒng)間采用的是無線信道通信，這種廣播特性易遭到惡意的信息截取俘獲、數(shù)據(jù)注入、擾亂等攻擊。這種廣播特性的缺陷不僅會導致現(xiàn)場出現(xiàn)火情后消防炮無法正常工作，而且會讓不法分子掌握主機控制權(quán)從而對生命和財產(chǎn)安全造成嚴重的威脅。為此，在不增加硬件成本的情況下，通過改進的T2MAP[9]能夠滿足本系統(tǒng)的安全認證級別要求，如圖12所示。當然改進后的T2MAP協(xié)議算法并不比原T2MAP算法更優(yōu)越，只是更加適用于本系統(tǒng)。

圖12 改進T2MAP認證協(xié)議模型

該認證協(xié)議的具體程序設計流程如下：

(1)控制臺向消防炮發(fā)送認證請求，控制臺從ID數(shù)組(預先給每個消防炮從機分配的ID值數(shù)組)選取要呼叫的消防炮從機ID值并隨機從隨機密鑰中抽取密鑰，讓ID號與隨機密鑰值異或運算后編碼處理發(fā)送給消防炮從機；

(2)消防炮從機接收到主機加密密鑰后，將接收到的加密密鑰依次與IDi^KEYi比照，如果驗證通過，則完成對中控臺主機的認證；

(3)消防炮對中控臺驗證通過后，消防炮從機隨機抽取密鑰，讓ID號與隨機密鑰值與運算編碼處理后發(fā)送給中控臺；

(4)中控臺主機接收到消防炮加密密鑰后，中控臺主機將接收到的加密密鑰依次與IDi^KEYi比照，如果驗證通過，則完成消防炮從機認證；

(5)控制臺主機和消防炮從機都驗證通過后，系統(tǒng)允許雙向通信。

5 系統(tǒng)測試與分析

為驗證本文研制的無線智能消防炮控制系統(tǒng)的性能，搭建了如圖13所示的硬件測試平臺。

圖13 無線智能消防炮控制系統(tǒng)測試平臺

如圖13所示，硬件測試平臺組件包括主機無線收發(fā)器、筆記本電腦、2組消防炮從機無線數(shù)據(jù)收發(fā)器、供電電源等。為適應遠距離測試，供電電源采用了普通手機充電寶。測試方法為：通過2組消防炮從機無線數(shù)據(jù)收發(fā)器同時向主機無線數(shù)據(jù)收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)，通過PC機端上位機對主機接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控得出主機和從機間的通信距離、通信速率、通信丟包率。

1)通信距離測試。如圖14所示，通信距離為1 108 m時(主機無線收發(fā)器與消防炮從機收發(fā)器2的距離)，設置通信速率為100 kb/s，通信比較穩(wěn)定(丟包率<2%)。

圖14 測試環(huán)境示圖

2)防碰撞測試。如圖15所示，當多組消防炮從機同時向中控臺發(fā)送數(shù)據(jù)時，中控平臺能夠在對應的時間片內(nèi)與對應的消防炮單元通信。

3)安全認證測試。利用圖15所示測試環(huán)境，在中控臺與消防炮單元建立通信連接的過程中，利用其他消防炮單元隨機讀取主機發(fā)送的數(shù)據(jù)，識別并發(fā)送通信請求。由于是隨機數(shù)與ID值邏輯運算后產(chǎn)生的校驗碼，因此消防炮單元無法識別主機校驗碼。實驗表明，即使網(wǎng)絡攻擊者獲取了主機和從機間的認證協(xié)議也無法完成網(wǎng)絡攻擊。

圖15 現(xiàn)場測試示圖

6 結(jié)束語

筆者設計的基于物聯(lián)網(wǎng)絡的智能消防炮控制系統(tǒng)已應用于某消防改造項目中。在實際運行現(xiàn)場，主機和從機間通信距離遠，傳輸數(shù)據(jù)誤碼率低，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。在多個消防炮從機向主機同時發(fā)送數(shù)據(jù)的驗證中，有效地避免了信號碰撞異常。該系統(tǒng)是對現(xiàn)有智能消防炮設備的改良，具有廣闊的市場應用前景。

參 考 文 獻

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