鄭宇杰，周洪波，張金鑫，陸安江

（1.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550000；2.貴州泛聯(lián)信息技術(shù)有限公司，貴陽(yáng) 550000）

0 引言

消防工作是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要組成部分，它直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全和社會(huì)的穩(wěn)定。報(bào)警、接警、出警等各個(gè)環(huán)節(jié)工作的細(xì)致程度對(duì)控制災(zāi)害范圍、減少火災(zāi)事故可能造成的損失，具有十分重要的作用。無(wú)線(xiàn)消防報(bào)警系統(tǒng)可以改善傳統(tǒng)消防使用有線(xiàn)系統(tǒng)帶來(lái)的諸多問(wèn)題，近年來(lái)也被投入使用。但由于都使用GPRS 技術(shù)，帶來(lái)了功耗高、成本高（流量費(fèi)）等問(wèn)題，阻礙了應(yīng)用的大規(guī)模推廣和標(biāo)準(zhǔn)化。

本文利用最新的低功耗、低成本LPWAN 技術(shù)來(lái)解決GPRS技術(shù)存在的功耗高、成本高的問(wèn)題，并且在可靠性、抗干擾、傳輸距離等方面都有大幅提升。LoRa（俗稱(chēng)地球的Wi-Fi）技術(shù)提供了大區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)低成本低功耗的全覆蓋無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，為大規(guī)模無(wú)線(xiàn)消防報(bào)警聯(lián)網(wǎng)提供了最佳的通信解決方案。本文設(shè)計(jì)了無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)接入熔斷、火災(zāi)、紅外等多種傳感器。相比較煙頭、木制品等易燃物質(zhì)引起火災(zāi)，電路老化、短路等產(chǎn)生電弧（劣?。┮l(fā)的火災(zāi)更快、更頻繁。所以該系統(tǒng)利用AFCI 技術(shù)檢測(cè)電弧，并用LoRa 技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析和處理數(shù)據(jù)，以無(wú)月租、低成本、低功耗的方案實(shí)現(xiàn)消防系統(tǒng)對(duì)可能引發(fā)的火災(zāi)監(jiān)控的功能[1]。

1 電弧與AFCI 電弧熔斷器

電弧放電是陰陽(yáng)電極在一定電壓下由氣態(tài)帶電粒子維持導(dǎo)電現(xiàn)象，其特征是會(huì)形成弧光柱和電極斑點(diǎn)。當(dāng)電源功率較大，極間氣體（例如金屬蒸氣）可持續(xù)通過(guò)較強(qiáng)電流，這時(shí)電弧激發(fā)試樣產(chǎn)生光譜，其溫度極高，甚至可達(dá)上萬(wàn)攝氏度。正常情況下，比如正常的開(kāi)關(guān)，插頭的拔插產(chǎn)生的電弧我們稱(chēng)為“好弧”。但當(dāng)開(kāi)關(guān)有損壞，觸頭松動(dòng)，線(xiàn)路老化等現(xiàn)象，電弧放電產(chǎn)生的高溫極易燒壞絕緣材料，甚至?xí)姙R金屬熔化物，造成漏電，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。這是電弧我們稱(chēng)為“壞弧”，或是故障電弧。故障電弧一般分為串聯(lián)、并聯(lián)和對(duì)地三種。僅有對(duì)地電弧會(huì)產(chǎn)生剩余電流，因而可以用電氣火災(zāi)監(jiān)控檢測(cè)。

AFCI（Arc Fault Circuit Interrupter，電弧故障斷路器）是一種新型電器防火保護(hù)裝置，如圖1所示。這種裝置可以檢測(cè)出串聯(lián)和并聯(lián)故障電弧。該系統(tǒng)在AFCI 內(nèi)置了一張電腦芯片，這樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)到每一個(gè)電弧，并判斷其是否為故障電弧。若是檢測(cè)串聯(lián)或并聯(lián)故障電弧的電弧脈沖時(shí)，便會(huì)發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)脫扣裝置，切斷負(fù)載電源，進(jìn)而防止了火災(zāi)的發(fā)生。

圖1 電弧熔斷器

2 LPWAN 與LoRa

2.1 LPWAN 匯接網(wǎng)關(guān)

LPWAN（Low Power Wide Area Network，低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，LoRa 是其中一種）[3]是一種能適配M2M 的業(yè)務(wù)。流量小、連接數(shù)量大，是一種新型無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，可形成一張廣覆蓋、低速率、低功耗和低成本的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)。LPWAN 技術(shù)可以做到利用低頻段覆蓋去提升覆蓋的廣度與深度、使用基于子信道的頻率復(fù)用去提高單基站的容量、簡(jiǎn)化終端與網(wǎng)絡(luò)交互過(guò)程實(shí)現(xiàn)終端能耗的節(jié)省、通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟形式的運(yùn)作去控制成本。

LPWAN 匯接網(wǎng)關(guān)（Base Station，基站）是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)平臺(tái)的關(guān)鍵部件，匯接網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)要求具有高可靠性、穩(wěn)定性、可控性以及靈活的通信方式支持。匯接網(wǎng)關(guān)可靠性、穩(wěn)定性在很大程度上決定著整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)平臺(tái)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)也決定著整個(gè)系統(tǒng)的成敗。依據(jù)不同的接口要求，物聯(lián)網(wǎng)匯接網(wǎng)關(guān)是一個(gè)系列產(chǎn)品，滿(mǎn)足各類(lèi)不同物聯(lián)對(duì)象的連接要求，同時(shí)支持各種物聯(lián)子網(wǎng)協(xié)議。LPWAN 匯接網(wǎng)關(guān)的系列化也可以有效地提高設(shè)備的性?xún)r(jià)比。在滿(mǎn)足各項(xiàng)功能要求的情況全面提高了可靠性和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，確保物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)平臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該網(wǎng)關(guān)具有長(zhǎng)距離（空曠環(huán)境可覆蓋半徑5km 的區(qū)域）、低功耗（終端休眠功耗僅1.4uA）、低速率（從0.1 kb/s 到20 kb/s可選，適合傳感器數(shù)據(jù)，但不適合語(yǔ)音和視頻）、自組網(wǎng)（最大支持400個(gè)LoRa 終端，自組網(wǎng)，自治愈，即插即用）、多接口（接入Internet 方式：GPRS/3G/4G，Ethernet，Wi-Fi，RS485）等特點(diǎn)。

圖2 LPWAN匯接網(wǎng)關(guān)

2.2 終端模塊LoRa

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有很多種，可組成局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。在LPWAN產(chǎn)生之前，遠(yuǎn)距離和低功耗因只能二選一而很難做兼顧。LoRa是LPWAN 技術(shù)中的一種，是由美國(guó)Semtech 公司推出的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)傳輸方案，頻段有433、868、975 MHz 等。該系統(tǒng)引用LoRa 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸終端，該終端模塊具有以下特點(diǎn)：

（1）LoRa 終端基于超低功耗設(shè)計(jì)，終端休眠功耗低至1.4 uA，特別適合電池供電的產(chǎn)品。典型的抄表應(yīng)用中，2節(jié)5號(hào)電池可以有效工作10年。

（2）LoRa 終端基于TDMA（時(shí)分復(fù)用）通信技術(shù)[4]，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有終端通信無(wú)碰撞，最大化利用帶寬，沒(méi)有重傳延時(shí)，提高網(wǎng)絡(luò)整體QoS，降低網(wǎng)絡(luò)整體功耗。

（3）LoRa 終端與LoRa 匯接網(wǎng)關(guān)可自動(dòng)組網(wǎng)，上電即可工作，沒(méi)有任何網(wǎng)絡(luò)配置，無(wú)需任何網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，極大降低用戶(hù)的使用復(fù)雜度和維護(hù)成本。

（4）該系統(tǒng)內(nèi)嵌多種無(wú)線(xiàn)通信健壯性技術(shù)，智能解決通信碰撞、微弱信號(hào)、外界干擾、斷網(wǎng)繼連等挑戰(zhàn)，提供一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

（5）可基于模塊打造各種終端設(shè)備。在本項(xiàng)目中，AFCI 熔斷、煙感、溫感、消防池水位監(jiān)測(cè)等報(bào)警終端內(nèi)置LoRa 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，內(nèi)置電池、無(wú)需布線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧火花、高溫、煙霧、可燃?xì)怏w的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

圖3 Lora終端

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

貴州泛聯(lián)信息技術(shù)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)UbiLink），采集層、數(shù)據(jù)層、分析層、業(yè)務(wù)層、展示層，各個(gè)層次間通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)做到結(jié)構(gòu)清晰、接口明確。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

（1）傳感設(shè)備包括：電弧檢測(cè)/熔斷、煙霧報(bào)警器、溫度報(bào)警器、消防池水位檢測(cè)器、攝像頭。

（2）通信方式：攝像頭，采用廣電寬帶網(wǎng)絡(luò)接入指揮平臺(tái)；其他所有設(shè)備都采用LoRa 無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)方式，經(jīng)基站和寬帶網(wǎng)接入指揮平臺(tái)。

（3）軟件平臺(tái)：貴州泛聯(lián)UbiLink 消防報(bào)警大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

（4）其他系統(tǒng)：應(yīng)急廣播系統(tǒng)，電視頻道；需對(duì)接軟件平臺(tái)。

圖4 消防物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)示意圖

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)平臺(tái)主要由以下功能模塊組成：

圖5 UbiLink物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖

UbiLink 消防物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，基于UbiLink 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)，作為UbiLink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在消防行業(yè)的應(yīng)用，復(fù)用平臺(tái)技術(shù)、功能，并為進(jìn)一步行業(yè)橫向應(yīng)用集成奠定基礎(chǔ)。

該平臺(tái)應(yīng)具有以下功能：

（1）監(jiān)控中心：匯總資料以及報(bào)警訊息與監(jiān)控視頻。

（2）終端管理：將無(wú)線(xiàn)煙感、溫感、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)等相關(guān)信息加入到資料庫(kù)中。

（3）基站管理：將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的相關(guān)訊息加入到資料庫(kù)與地圖分布顯示。

（4）攝像頭管理：將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的相關(guān)訊息加入到資料庫(kù)與地圖分布顯示。

（5）消防報(bào)警：可以得知報(bào)警處理狀態(tài)、用戶(hù)資料、設(shè)備狀態(tài)等訊息。

系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖如下：

圖6 系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

4 系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

相較于已有的無(wú)線(xiàn)消防系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在功耗上與成本上有以下特點(diǎn)：

（1）功耗上：LPWAN/LoRa 技術(shù)的超低功耗，是10倍于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，且電池壽命可達(dá)十年以上。

（2）成本上：由于LoRa 的覆蓋廣，一個(gè)LoRa 基站可覆蓋16-100平方千米，連接2，000-600，000個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，所以所需的網(wǎng)關(guān)和基站數(shù)量少且容易部署，終端成本是原來(lái)移動(dòng)成本的1/3甚至是更少，并且總體使用及維護(hù)的成本也比原來(lái)低。

（3）LoRa 模塊與AFCI 技術(shù)的結(jié)合：每一個(gè)AFCI 電弧熔斷器都包含一個(gè)可以監(jiān)測(cè)識(shí)別電弧的高性能微處理器MCU。AFCI識(shí)別到電弧時(shí)會(huì)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地通過(guò)LoRa 技術(shù)傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行處理和分析。若是檢測(cè)到故障電弧則會(huì)在傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)切斷電路。將LoRa 與AFCI 電弧熔斷器、煙感、溫感設(shè)備結(jié)合在一起，可以做到無(wú)縫集成，同時(shí)也無(wú)需改動(dòng)原設(shè)備。

（4）LPWAN/LoRa 技術(shù)與消防的結(jié)合：采集層物與物的通信并不總是要追求高速率帶寬的方式，大量設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)后僅需少量的數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)傳輸頻率很低；也不需要頻繁進(jìn)行充電，很多設(shè)備因其所處環(huán)境的特殊性和數(shù)量巨大，對(duì)支撐其通信的功耗需求較低，對(duì)于這些傳感裝置的聯(lián)網(wǎng)要求選擇一個(gè)低帶寬、低功耗且大范圍覆蓋的網(wǎng)絡(luò)LPWAN 技術(shù)是其最有效的解決方案。LoRa 以低功耗、低成本、長(zhǎng)距離等特點(diǎn)為著?，F(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)消防系統(tǒng)雖已采用其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)（例如ZigBee），但仍然不夠成熟與完善。本文所設(shè)計(jì)的UbiLink 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)系統(tǒng)是第一次將LPWAN/LoRa 技術(shù)用到無(wú)線(xiàn)消防領(lǐng)域，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。既是為無(wú)線(xiàn)消防系統(tǒng)的發(fā)展成熟提供可能，也是為L(zhǎng)PWAN/LoRa 技術(shù)拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。

5 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)已應(yīng)用于貴州省黔東南劍河縣屯州村建設(shè)實(shí)施。在屯州村中安裝了以下傳感器：

（1）在屯州村居民家中的墻上安裝溫度傳感器，以感知溫度高低。

（2）在屯州村居民家中安裝煙霧報(bào)警器，以感知是否存在煙霧。

（3）在村中電路鏈路端安裝電弧，以探測(cè)電弧火花。

（4）在村中消防水池安裝水位傳感器，以感知水位高低。

（5）在村中較高處安裝LoRa 基站，以接收上述傳感器的數(shù)據(jù)。

（6）在村中臨近用戶(hù)的高處安裝攝像頭，以探測(cè)事發(fā)狀況。

如圖7、圖8所示。

圖7 傳感器安裝示例

圖8 LoRa基站以及攝像頭安裝示例

在每一個(gè)傳感器中我們都加入了LoRa 芯片，以便將傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)LPWAN 實(shí)時(shí)傳送到后臺(tái)的軟件平臺(tái)中。當(dāng)溫度傳感器、煙霧傳感器、電話(huà)傳感器的數(shù)值超過(guò)閾值，軟件平臺(tái)上會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)出警報(bào)聲，并高亮顯示地圖中報(bào)警傳感器的位置，攝像頭也會(huì)旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度上，使得從攝像頭中能看到事發(fā)的區(qū)域，此時(shí)軟件平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生一條報(bào)警信息。若是事件已被處理則可以通過(guò)報(bào)警管理將報(bào)警接觸。若是沒(méi)有則根據(jù)報(bào)警信息去采取相應(yīng)措施。為了更好地顯示全村的地圖，在村中安放了多個(gè)攝像頭，并可以通過(guò)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)攝像頭的控制以及地圖的切換。此外，該軟件平臺(tái)可以同時(shí)控制傳感器以及LoRa 基站，可以在界面中自定義編輯地圖中傳感器、基站和攝像頭位置，可以編輯傳感器、基站和攝像頭的屬性信息，可以實(shí)時(shí)查看攝傳感器和攝像頭的數(shù)據(jù)和視頻。

圖9 軟件平臺(tái)監(jiān)控界面

圖10 實(shí)時(shí)視頻