文淵博 牛澳 毛夏煜 張?zhí)揖? 馮興樂

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展實現(xiàn)了人與物、物與物間的通信與控制，使我們的生活更加趨于智能化。在實際生活中，常見的有線按壓式火災報警裝置無法自動報警，在發(fā)生火災時需要人為按下開關(guān)才能工作，而且在發(fā)生火災時其供電電路往往會被燒毀，使開關(guān)無法發(fā)揮作用。因此急需研究一種基于LoRa的分布式火災監(jiān)測報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用來遠距離監(jiān)測多種場景下的火災情況，并在發(fā)生火災時及時上報并報警。經(jīng)過反復實驗，該系統(tǒng)能夠可靠地反饋場景火災情況，且LoRa較遠的傳輸距離與極低的功耗能夠充分滿足系統(tǒng)需求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);火災監(jiān)測報警;LoRa;串行口通信;單片機;傳感器

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，2019年3月份全國共接火災報警2.24萬起，傷亡近200人，直接財產(chǎn)損失約2.14億元。其中室內(nèi)火災9 084起，占到總數(shù)的40.5%，是人們生命財產(chǎn)安全受到傷害的一大源頭[1]。由此可見，室內(nèi)的火災實時監(jiān)測是亟待解決的重要問題。

目前來說，考慮到成本問題，多數(shù)建筑內(nèi)部使用的報警裝置均安裝在樓道或者主要倉室等地方，室內(nèi)特別是私人辦公室很少見到火災報警裝置，并且大多數(shù)建筑使用的是傳統(tǒng)按壓式報警系統(tǒng)，該裝置需要人為按壓才能進行火災報警，具有一定的滯后性與危險性。雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多類型的自動火災報警系統(tǒng)，如基于視覺分析，ZigBee，WiFi，藍牙等，但造價昂貴、傳輸距離短等缺點使許多用戶對其望而卻步。鑒于此，設計造價低廉、通信距離遠、傳輸速率大、功耗極低且能被廣泛應用的基于LoRa的火災報警系統(tǒng)便成為最佳選擇。該系統(tǒng)可在發(fā)生火災時由子節(jié)點第一時間報警并發(fā)送火災信息至匯總節(jié)點，方便用戶盡早發(fā)現(xiàn)火災并采取相應措施，避免造成大的人員傷亡和財產(chǎn)損失[2]。

1 系統(tǒng)的設計與架構(gòu)

按照主要功能的不同可以將系統(tǒng)分為感知端、收集端和應用端。

（1）感知端包括MSP430F149單片機、感光火焰?zhèn)鞲衅鳌oRa無線通信模塊等，負責感知其范圍內(nèi)是否有火災發(fā)生，生成包含當前地址和火災信息的數(shù)據(jù)并發(fā)送至收集端。

（2）收集端包括LCD顯示模塊、LoRa無線通信模塊等，負責收集來自感知端的數(shù)據(jù)，分析所得數(shù)據(jù)，得出包含的地址信息和火災狀態(tài)后，在LCD對應位置進行顯示并將這些信息發(fā)送至應用端。

（3）應用端是基于面向?qū)ο蟮腏ava程序設計語言開發(fā)的、適用于該系統(tǒng)的、可拓展的串行口通信軟件平臺，其主要負責分析由收集端上傳的數(shù)據(jù)，并在分析后判斷是否某一子節(jié)點有火災發(fā)生并顯示該子節(jié)點狀態(tài)，若發(fā)生火災便立即報警。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 感知端的實現(xiàn)

感知端通過火焰?zhèn)鞲衅髋袛嗍欠癜l(fā)生火災，在接收到由收集端下發(fā)的回送數(shù)據(jù)命令后將包含地址信息和火災情況的數(shù)據(jù)發(fā)送至收集端，根據(jù)是否發(fā)生火災改變節(jié)點處的火災指示燈狀態(tài)與是否報警。該端以MSP430F149單片機為控制核心，它是一個16位、具有精簡指令集、低功耗的單片機，擁有多路I/O設備接口，可以實現(xiàn)兩路串行通信，大大簡化了開發(fā)流程[3]。該端的主要實現(xiàn)電路如圖2所示。

采用感光火焰?zhèn)鞲衅髋袛嗍欠癜l(fā)生火災。該傳感器能將外界紅外光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流變化，探測角約60°。為更加方便地獲取傳感器狀態(tài)，結(jié)合可調(diào)精密電位器和反相電壓比較器LM393共同構(gòu)成火焰探測模塊，其中可調(diào)精密電位器用來調(diào)節(jié)感知火焰的靈敏度，以滿足在不同場景下監(jiān)測火源對于靈敏度的不同要求。電壓比較器作為輸出口輸出邏輯電平，以提高該模塊的驅(qū)動能力，保證輸出波形良好。當傳感器感知到有火災發(fā)生時，輸出波形會產(chǎn)生一個下降沿令MCU產(chǎn)生外部中斷，進入中斷后將執(zhí)行蜂鳴器響、指示燈亮、回送數(shù)據(jù)等操作。火焰探測模塊電路連接方式如圖3所示。

為實現(xiàn)向收集端發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，該系統(tǒng)使用由ALIENTEK公司推出的低功耗、高性能、遠距離收發(fā)的LoRa無線通信模塊，其采用高效的ISM頻段SX1278擴頻芯片。SX1278芯片采用LoRa線性擴頻調(diào)制技術(shù)，其具有很強的通信抗干擾能力，對于相同頻率的干擾和噪聲具有極強的抑制能力;其抗多徑衰落能力表現(xiàn)良好，傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率極低[4]。該模塊頻段范圍為410 MHz～441 MHz，以1 MHz為步進信道，共32個信道，功率為100 mW，接收靈敏度為-136 dBm，傳輸距離約為3 000 m。LoRa無線通信模塊與ZigBee，WiFi，藍牙等無線通信類型的對比見表1所列。在與MSP430F149單片機連接前，需要通過AT指令設置該模塊工作在透傳模式，其波特率也應與單片機串行口通信設置的波特率一致，如此才能確保傳輸數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)正確進行[5-6]。配置完成后，需要定義模塊的TXD引腳、RXD引腳與單片機的對應引腳，并將其設置為特殊功能引腳，從而實現(xiàn)模塊與MCU串行口的正?；ネ?。

2.2 收集端的實現(xiàn)

收集端用于接收來自各節(jié)點的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，得出其中所包含的地址信息和火災狀態(tài)。在LCD中對應位置顯示后再將數(shù)據(jù)重新打包發(fā)送至上位機。該端的功能主要利用LoRa模塊和串行口通信實現(xiàn)，其主要實現(xiàn)電路如圖4所示。

2.2.1 LoRa軟件協(xié)議

在實際生活中，需要同時監(jiān)測的節(jié)點數(shù)一般超過10個，如果分別為每個節(jié)點配置一個具有感知端、收集端的單片機和LoRa無線通信模塊，這無疑大大降低了系統(tǒng)的拓展性，因此定義LoRa無線通信模塊發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)除模塊地址及校驗位外，有效數(shù)據(jù)為一個字節(jié)長度。在這一個字節(jié)長度的數(shù)據(jù)中，高7位為子節(jié)點地址，低1位為該子節(jié)點所監(jiān)測的對應地址下的火災狀態(tài)。并定義某一子節(jié)點發(fā)送的有效字節(jié)數(shù)據(jù)與11111110進行與邏輯運算，得到一個字節(jié)，其為該子節(jié)點可識別的回送數(shù)據(jù)命令，如某一子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)為10101101，在與11111110進行與邏輯運算后可得出該子節(jié)點可識別的回送數(shù)據(jù)命令為10101100，即當該子節(jié)點收到10101100這一個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)命令時，便將已準備好的數(shù)據(jù)通過LoRa回送至收集端。

當感知端、收集端分別上電后該系統(tǒng)開始工作，此時收集端向應用端告知其已在線，之后便通過收集端LoRa從所定義的最低地址即00000010到最高地址11111110循環(huán)廣播這些命令，在感知端接收到當前子節(jié)點的回送數(shù)據(jù)命令后便回送數(shù)據(jù)，大大降低了數(shù)據(jù)在傳送過程中丟失與發(fā)生錯誤的幾率[7-8]。另外，由于LoRa是一種半雙工無線通信模塊，在通信時極大可能發(fā)生收發(fā)數(shù)據(jù)沖突情況，為解決多個子節(jié)點向一個匯總節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時可能發(fā)生的數(shù)據(jù)堵塞、碰撞等問題，收集端在廣播的兩個命令之間插入了一定延時，以此保證在收集端接收來自感知端的數(shù)據(jù)時信道處于空閑狀態(tài)。

該軟件協(xié)議方案的提出，一方面增強了該系統(tǒng)的拓展性、穩(wěn)定性，另一方面將可掛接子節(jié)點增加至128個，滿足了絕大多數(shù)場景下同時監(jiān)測多個場景火災情況的要求。

2.2.2 上傳數(shù)據(jù)至應用端的實現(xiàn)

MSP430F149單片機可以進行兩路串行口通信，但在感知端與收集端的通信結(jié)構(gòu)中已經(jīng)占用了該單片機的UART0串行口，因此使用UART1作為向應用端上傳經(jīng)收集端分析打包的數(shù)據(jù)串行口。在該系統(tǒng)中收集端無需從應用端得到下送數(shù)據(jù)或命令，因此除供電電路外收集端與應用端僅需1根串行通信線即可實現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)的功能，為故障源檢測和系統(tǒng)搭建解決困難[9]。

2.3 應用端軟件的實現(xiàn)

應用端由面向?qū)ο蟮腏ava程序設計語言實現(xiàn)，該語言具有面向?qū)ο蟆⒍嗑€程等特性，結(jié)合RxTxcomm.jar依賴包便可以很快地實現(xiàn)串行口通信，又因該語言的平臺無關(guān)性，使得該應用端軟件可以一次編譯，廣泛運行，大大拓寬了該系統(tǒng)的應用面[10-11]。應用端系統(tǒng)流程如圖5所示。

基于LoRa的分布式火災監(jiān)測報警系統(tǒng)的應用端主界面如圖6所示，該軟件將每一節(jié)點對應具體地址，通過分析由收集端上傳的數(shù)據(jù)來確定是否改變對應節(jié)點的狀態(tài)燈狀態(tài)，并在監(jiān)測到火災發(fā)生時通過上位機揚聲器報警。但由于該系統(tǒng)目前是可實用的非商業(yè)化系統(tǒng)，故在此應用端軟件中只出現(xiàn)了兩個節(jié)點來滿足系統(tǒng)整體功能測試，并未將所有掛接子節(jié)點體現(xiàn)。為了進一步加強系統(tǒng)的再生能力和靈活性，在軟件接收到由收集端上傳的來自所定義的最大地址的子節(jié)點數(shù)據(jù)時，統(tǒng)計已經(jīng)收到的所有數(shù)據(jù)，并判斷是否未收到來自某一子節(jié)點的數(shù)據(jù)，將對應的子節(jié)點地址通過下拉列表顯示，以方便用戶及時發(fā)現(xiàn)故障并維修。除此之外，該軟件提供用戶自定義功能，用戶可在系統(tǒng)安裝初期確定每一個子節(jié)點所對應的房間號或樓層號等具體地址，只需要在對應子節(jié)點后的TEXT輸入框中輸入即可。安裝完成后，用戶可以從主界面中監(jiān)測每一個具體地址的火災情況。

3 系統(tǒng)測試及分析

待該系統(tǒng)的三個功能端建立后，在模擬實際應用場景下進行測試。為簡化測試條件，實驗場景包括2個感知端子節(jié)點、1個收集端、1個應用端，使用打火機火焰作為模擬火源，分別測試火焰?zhèn)鞲衅鞯母兄秶?、LoRa實際有效通信距離、系統(tǒng)整體工作性能，以及當某一功能端發(fā)生故障時系統(tǒng)的工作情況，進一步確認該系統(tǒng)是否可對實際應用場景下的火災情況進行監(jiān)測與報警[12]。

3.1 火焰探測模塊測試

該探測模塊基于感光傳感器建立，在電路中采用LM393反相電壓比較器作為輸出接口，該電壓比較器在未探測到火焰時電路保持高電平輸出，探測到火焰時輸出為低電平，在火焰消失時輸出變回高電平。在該電路中，如果將滑動變阻器調(diào)節(jié)至0 Ω，則無論外部環(huán)境如何變化，模塊輸出恒為高電平;如果將滑動變阻器調(diào)節(jié)至10 kΩ，則無論外部環(huán)境如何變化，模塊輸出恒為低電平。

通過綜合考慮，將滑動變阻器用一7 kΩ的定值電阻代替進行測試，通過數(shù)字示波器觀察模塊輸出波形變化，控制模擬火源正對傳感器保持不變，測量在不同距離時模塊的輸出結(jié)果，具體見表2所列。

通過觀察測試結(jié)果，火焰探測模塊與模擬火源正對距離不超過80 cm為該探測模塊的可感知有效距離。但因為測試使用的模擬火源是打火機火焰，其火焰強度不足，而實際場景中的火源強度更高、面積大、溫度高，更容易被該探測模塊感知到，故根據(jù)本次測試結(jié)果可知，該模塊探測火焰的靈敏度高，且輸出穩(wěn)定，滿足該系統(tǒng)室內(nèi)范圍監(jiān)測的設計要求。

3.2 LoRa有效通信距離測試

作為實現(xiàn)本系統(tǒng)通信功能的核心模塊，LoRa無線通信距離是決定整個系統(tǒng)能否實現(xiàn)遠距離通信的關(guān)鍵[13]，為此在建筑體內(nèi)對感知端與收集端的有效通信距離進行測試，測試前分別在感知端和收集端MSP430F149單片機的第二組I/O口接8個LED電平指示燈。測試方法：感知端發(fā)送一個字節(jié)有效數(shù)據(jù)0xf0到收集端，收集端在收到該數(shù)據(jù)后利用8個LED電平指示燈顯示二進制碼，然后將這一字節(jié)的二進制數(shù)求反碼并發(fā)送給感知端，感知端在收到該數(shù)據(jù)后利用LED電平指示燈顯示該二進制碼（此后所有二進制數(shù)將轉(zhuǎn)化為十六進制表示）。為簡化實驗變量，本實驗只測試了不同樓層間的LoRa通信情況，且墻壁厚度默認一樓天花板到二樓地面的距離為20 cm，每層樓高度為3 m，具體測試結(jié)果見表3所列。

該測試方法盡可能還原了本系統(tǒng)發(fā)送端與收集端每次通信所需要發(fā)送的數(shù)據(jù)大小和實際的應用環(huán)境，實驗中接收數(shù)據(jù)錯誤的概率為0，結(jié)果證明，LoRa的建筑內(nèi)無線通信距離滿足該系統(tǒng)的設計要求。

3.3 系統(tǒng)整體測試

在火焰探測模塊和LoRa無線通信模塊測試完成后，考慮到實際應用場景裝置放置情況，將兩個感知端子節(jié)點分別放置在建筑體兩層的兩個房間內(nèi)，并在另一層放置收集端與應用端，以此進行系統(tǒng)整體測試[14]。本次測試結(jié)果見表4所列。

測試表明，該系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果與人工監(jiān)測結(jié)果一致，而且能夠自主報警與顯示，滿足該系統(tǒng)的整體設計要求。

3.4 系統(tǒng)故障測試

火災監(jiān)測報警系統(tǒng)應用場景故障測試結(jié)果見表5所列。

可以看出，在某一感知端子節(jié)點出現(xiàn)故障時，不影響其他子節(jié)點的正常工作;在收集端出現(xiàn)故障時，各感知端子節(jié)點可實現(xiàn)獨立工作;在應用端出現(xiàn)故障時，各感知端子節(jié)點與收集端均可正常工作。

4 結(jié) 語

本文通過分析目前的火災安全問題現(xiàn)狀，基于LoRa無線通信模塊，使用MSP430F149單片機作為三端連通核心，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及面向?qū)ο蟮腏ava程序設計語言，實現(xiàn)了基于LoRa的分布式火災監(jiān)測報警系統(tǒng)。通過闡述該系統(tǒng)3個功能端的設計原理與實現(xiàn)方案，經(jīng)過在實際應用場景下具體的反復測試與結(jié)果分析，確定該系統(tǒng)滿足監(jiān)測火情、自主報警、無線通信的功能需求，并且可以進行準確、穩(wěn)定、遠距離數(shù)據(jù)傳輸。另外，無論是感知端還是應用端都具有極強的可擴展性，可以根據(jù)實際場景的需要進行不同的擴展及開發(fā)。綜上所述，基于LoRa無線通信背景下的火災監(jiān)測報警系統(tǒng)將是消防安全領(lǐng)域中新的發(fā)展方向，其將火災監(jiān)測、火災報警、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，能夠高效地挽救生命財產(chǎn)。

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