袁 興，鄧成中，何紫楊，路 強(qiáng)

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039）

火災(zāi)會帶來財產(chǎn)損失和人員傷亡。古建筑、碼頭、景區(qū)等地方，因其結(jié)構(gòu)特性，是火災(zāi)易發(fā)生場所。傳統(tǒng)的火災(zāi)報警與滅火控制系統(tǒng)采用有線組網(wǎng)設(shè)計，具有安裝布線復(fù)雜、后期維護(hù)困難等缺點[1]。滅火控制方式常采用現(xiàn)場人員控制消防炮來進(jìn)行滅火，當(dāng)火勢較大時，燃燒產(chǎn)生的煙霧和有害氣體會對現(xiàn)場操作人員的生命安全造成威脅[2]。

近幾年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們嘗試將WiFi、Zigbee 等無線通信技術(shù)運(yùn)用于火災(zāi)的檢測報警與滅火控制系統(tǒng)，但是WiFi 技術(shù)存在著傳輸距離短、功耗高等特點，Zigbee技術(shù)存在著傳輸速率低、傳輸距離短等特點[3-6]；因此，皆不適用于長距離、大范圍的組網(wǎng)方式。古建筑、碼頭、景區(qū)等地方，具有保護(hù)范圍大、保護(hù)點分散等特點。若其消防炮控制系統(tǒng)采用WiFi 或Zigbee 技術(shù)來進(jìn)行組網(wǎng)，中間須設(shè)立多個中繼器[7]，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和設(shè)計成本；若采用傳統(tǒng)的有線組網(wǎng)設(shè)計，將大大地增加系統(tǒng)的安裝布線難度，后期維護(hù)也比較困難。

基于以上問題，筆者設(shè)計了一種基于NB-IoT與物聯(lián)云平臺的消防炮控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用NB-IoT 無線傳輸技術(shù)與物聯(lián)云平臺來實現(xiàn)消防炮控制系統(tǒng)的組網(wǎng)，簡化了系統(tǒng)的組網(wǎng)，擴(kuò)大了系統(tǒng)的覆蓋范圍，實現(xiàn)了對消防炮的遠(yuǎn)程控制。由于采用了NB-IoT 無線傳輸技術(shù)和物聯(lián)云平臺技術(shù)，該系統(tǒng)具有功耗低、覆蓋范圍廣、存儲容量大、成本低等特點[8]，可應(yīng)用于古建筑、碼頭、景區(qū)等保護(hù)范圍大、保護(hù)點分散的地方。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于NB-IoT 與物聯(lián)云平臺的消防炮控制系統(tǒng)主要包括：消防炮節(jié)點控制器、NB-IoT 模塊、NBIoT 基站、OneNET 云平臺和客戶終端。其系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

消防炮節(jié)點控制器主要用于火災(zāi)的檢測、消防炮炮口角度的控制、噴水方式切換控制、電磁水閥的開閉以及火災(zāi)的報警輸出。NB-IoT 模塊與消防炮節(jié)點控制器連接，主要用于將消防炮節(jié)點控制器接入到OneNET 云平臺，實現(xiàn)消防炮控制系統(tǒng)的組網(wǎng)。NB-IoT 基站是NB-IoT 模塊連接OneNET云平臺的中間“橋梁”：NB-IoT 模塊先利用NBIoT 傳輸技術(shù)連接到NB-IoT 基站，NB-IoT 基站再通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議連接到OneNET 云平臺，從而實現(xiàn)NB-IoT 模塊與OneNET 云平臺之間的連接。OneNET 云平臺接收和存儲各個消防炮節(jié)點控制器上傳的數(shù)據(jù)信息，并向各個消防炮節(jié)點控制器下發(fā)消防炮控制命令。通過OneNET 云平臺，客戶終端可實時查看各個節(jié)點的火災(zāi)報警情況、消防炮的狀態(tài)信息，以及對各個節(jié)點消防炮進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面。

1）相比于傳統(tǒng)的有線組網(wǎng)，本系統(tǒng)利用NBIoT 模塊將消防炮節(jié)點控制器直接接入到OneNET云平臺，以實現(xiàn)消防炮控制系統(tǒng)的組網(wǎng)，避免了復(fù)雜的安裝布線，簡化了系統(tǒng)組網(wǎng)。

2）相比于WiFi、Zigbee 技術(shù)，NB-IoT 無線傳輸技術(shù)具有更低的功耗和更廣的覆蓋范圍，適用于大范圍的組網(wǎng)場合。

3）OneNET 云平臺接收和存儲消防炮控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，使本系統(tǒng)具有存儲容量大等特點。

4）客戶終端遠(yuǎn)程控制消防炮進(jìn)行噴水滅火，能盡量避免現(xiàn)場人工滅火帶來的傷亡。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 消防炮節(jié)點控制器硬件設(shè)計

消防炮節(jié)點控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。主要包括主控制器、電源管理模塊、火災(zāi)檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電磁水閥驅(qū)動模塊以及火災(zāi)報警模塊。

消防炮節(jié)點控制器的主控制器選擇STM32F103RCT6 單片機(jī)，其具有64 個外部引腳、256 KB 容量的Flash、5 個串口、8 個定時器等豐富的內(nèi)部資源[9]，以及停機(jī)模式、睡眠模式和待機(jī)模式3 種低功耗模式，可滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖2 消防炮節(jié)點控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

電源管理模塊采用開關(guān)電源的方式實現(xiàn)220 V交流電到24 V 直流電之間的轉(zhuǎn)換，并利用LM2595和AMS1117 芯片將24 V 電壓轉(zhuǎn)換為5 V 和3.3 V，供消防炮節(jié)點控制器的各個模塊和NB-IoT 模塊使用。

火災(zāi)檢測模塊采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ_2 相結(jié)合的復(fù)合火災(zāi)探測方案，其直接與主控制器連接，用于對現(xiàn)場火災(zāi)的檢測。相比于單一的感溫或感煙火災(zāi)探測器，本系統(tǒng)采用復(fù)合火災(zāi)探測方案可提高對火災(zāi)檢測的準(zhǔn)確度。

如圖3 所示，電機(jī)驅(qū)動模塊采用日本東芝公司生產(chǎn)的TB6600HG 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片來實現(xiàn)對水平電機(jī)、俯仰電機(jī)以及噴水方式切換電機(jī)的驅(qū)動控制，其具有高耐壓、大電流、多種細(xì)分度可選等優(yōu)勢，其耐壓可達(dá)50 V，輸出電流可達(dá)5 A[10]。水平電機(jī)、俯仰電機(jī)用于調(diào)整消防炮炮口的水平角度和俯仰角度；噴水方式切換電機(jī)用于切換消防炮的噴水方式（噴水霧形式、噴水柱形式）。

圖3 電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖

電磁水閥驅(qū)動模塊硬件電路如圖4 所示。其采用光耦和三極管控制繼電器K3 的通斷，以實現(xiàn)電磁水閥的開閉，從而控制消防炮的滅火水源的開閉。

圖4 電磁水閥驅(qū)動模塊電路圖

火災(zāi)報警模塊主要用于檢測到火災(zāi)后進(jìn)行輸出報警。其分為聲報警和光報警2 種形式，分別通過驅(qū)動蜂鳴器和LED 燈實現(xiàn)，硬件電路如圖5 所示。

圖5 火災(zāi)報警模塊電路圖

2.2 NB-IoT 模塊硬件設(shè)計

NB-IoT 模塊硬件主要由M5310A 模組芯片、RF 天線、SIM 卡和固件下載接口等組成，其硬件電路如圖6 所示。M5310A 模組芯片是中移物聯(lián)網(wǎng)公司生產(chǎn)的一款NB-IoT 無線通信模組芯片，內(nèi)嵌有MQTT、TCP、LwM2M 和COAP 等多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可方便與OneNET 云平臺進(jìn)行連接。通過NB-IoT 模塊可實現(xiàn)將消防炮節(jié)點控制器的火災(zāi)報警信息和消防炮的狀態(tài)信息上傳到OneNET云平臺，并接收OneNET 云平臺下發(fā)的消防炮控制命令。相比于其他無線傳輸模塊，基于M5310A模組芯片的NB-IoT 模塊支持PSM 和eDRX 2 種節(jié)電模式，在PSM 模式下，模塊的最大耗流為5 μA，極大地降低了模塊的功耗。

圖6 NB-IoT 模塊硬件電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計、消防炮節(jié)點控制器軟件設(shè)計、OneNET 云平臺和客戶終端設(shè)計。

3.1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計

數(shù)據(jù)通信協(xié)議包括消防炮節(jié)點控制器與NBIoT 模塊間的通信協(xié)議和NB-IoT 模塊與OneNET云平臺間的通信協(xié)議。消防炮節(jié)點控制器與NBIoT 模塊之間的通信采用標(biāo)準(zhǔn)的串口通信協(xié)議實現(xiàn)。消防炮節(jié)點控制器通過串口向NB-IoT 模塊發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，并通過串口接收NB-IoT 模塊傳回的消防炮控制命令。

NB-IoT 模塊與OneNET 云平臺之間采用MQTT通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和命令下發(fā)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和命令下發(fā)之前，先將NB-IoT 模塊與OneNET云平臺服務(wù)器進(jìn)行連接，再向NB-IoT 模塊發(fā)送AT 指令。利用MQTT 通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和命令下發(fā)的格式分別如表1 和表2 所示。

表1 數(shù)據(jù)上傳的幀格式byte

表2 命令下發(fā)的幀格式byte

在表1 中：消息頭占1 字節(jié)，為固定值0x30，表示此幀數(shù)據(jù)的開始；剩余長度占1～4 字節(jié)，表示此幀數(shù)據(jù)剩余的字節(jié)長度，高位在前，低位在后；主題名長度占2 字節(jié)，主題名字符串占3 字節(jié)，主題名長度指示主題名字符串所占的字節(jié)數(shù)，為固定值0x0003，數(shù)據(jù)上傳的主題名字符串固定為“$dp”；上傳的數(shù)據(jù)內(nèi)容為JSON 格式封裝的字符串，包含數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)點，其所占字節(jié)大小由封裝后的字符串大小決定。

在表2 中：消息頭占1 字節(jié)，為固定值0x30，表示此幀命令的開始；剩余長度占1～4 字節(jié)，表示此幀命令剩余的字節(jié)長度，高位在前，低位在后；主題名長度占2 字節(jié)，主題名字符串占42 字節(jié)，主題名長度指示主題名字符串所占的字節(jié)數(shù)，為固定值0x002A，命令下發(fā)的主題名字符串固定為“$creq/cmduuid”，其中cmduuid 為OneNET 云平臺下發(fā)命令時發(fā)送的36 字節(jié)命令I(lǐng)D 號；下發(fā)的命令內(nèi)容為二進(jìn)制字符串，所占字節(jié)大小由二進(jìn)制字符串大小決定。

3.2 消防炮節(jié)點控制器軟件設(shè)計

消防炮節(jié)點控制器軟件包括數(shù)據(jù)上傳軟件和命令接收軟件2 部分，數(shù)據(jù)上傳軟件設(shè)計流程如圖7(a)所示。在系統(tǒng)上電后，對STM32 主控制器、外設(shè)以及NB-IoT 模塊進(jìn)行初始化操作；向NB-IoT 模塊發(fā)送AT 指令用于連接OneNET 云平臺；開啟串口接收中斷和定時器中斷，若定時器中斷被響應(yīng)，則清除定時中斷標(biāo)志位并設(shè)置Tim_Flag 標(biāo)志位為“1”；當(dāng)Tim_Flag 標(biāo)志位為“1”時，向OneNET 云平臺上傳火災(zāi)報警信息和消防炮狀態(tài)信息（消防炮炮口水平角度、消防炮炮口俯仰角度）；當(dāng)數(shù)據(jù)上傳完成后清除Tim_Flag 標(biāo)志位，為“0”，等待下一次定時時間到，再進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

圖7 消防炮節(jié)點控制器軟件設(shè)計流程圖

命令接收軟件設(shè)計流程如圖7(b)所示，消防炮節(jié)點控制器的命令接收是以串口中斷的方式進(jìn)行。當(dāng)NB-IoT 模塊接收到OneNET 云平臺下發(fā)的控制命令后，NB-IoT 模塊將控制命令通過串口發(fā)送給消防炮節(jié)點控制器，消防炮節(jié)點控制器立即進(jìn)入串口接收中斷，接收OneNET 云平臺下發(fā)的控制命令，并在控制命令接收完成后，解析控制命令，根據(jù)控制命令的類型驅(qū)動對應(yīng)模塊（水平電機(jī)、俯仰電機(jī)、噴水方式切換電機(jī)、電磁水閥）。最后清除串口中斷標(biāo)志位，等待接收下一個控制命令。

3.3 OneNET 云平臺和客戶終端設(shè)計

OneNET 云平臺是中移物聯(lián)網(wǎng)公司推出的PaaS 物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，支持多種協(xié)議接入方式，方便用戶將各類硬件設(shè)備快速接入OneNET 云平臺[11]；同時還能進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、顯示和分析，還具有豐富的API 接口，方便用戶進(jìn)行調(diào)用?？蛻艚K端主要包括Web 網(wǎng)頁和手機(jī)APP，可通過OneNET 云平臺的API 接口實現(xiàn)對云平臺存儲數(shù)據(jù)的讀取及消防炮控制命令的下發(fā)。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試是在實驗室條件下進(jìn)行，實驗室內(nèi)配置2 臺消防炮節(jié)點控制器。給系統(tǒng)上電后，登錄OneNET 云平臺開發(fā)者中心，可以看到2 臺消防炮節(jié)點控制器的設(shè)備狀態(tài)，顯示為在線，如圖8 所示，說明2 臺消防炮節(jié)點控制器被接入到OneNET 云平臺，實現(xiàn)了消防炮控制系統(tǒng)的組網(wǎng)。通過OneNET云平臺應(yīng)用管理Web 網(wǎng)頁或者手機(jī)APP，可實時查看消防炮節(jié)點控制器的火災(zāi)報警情況和消防炮的狀態(tài)信息；通過點擊相關(guān)按鈕，可實現(xiàn)對消防炮節(jié)點控制器的水平電機(jī)、俯仰電機(jī)、噴水方式切換電機(jī)和電磁水閥等的遠(yuǎn)程控制。經(jīng)過多次測試，系統(tǒng)均能穩(wěn)定運(yùn)行，并且數(shù)據(jù)的上傳時間和控制命令的響應(yīng)時間均小于2 s，響應(yīng)速度較快，滿足消防炮控制系統(tǒng)對實時性控制的要求。Web 網(wǎng)頁界面和手機(jī)APP 界面分別如圖9和10 所示。

圖8 系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)圖

圖9 Web 網(wǎng)頁界面

圖10 手機(jī)APP 界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于NB-IoT 與物聯(lián)云平臺的消防炮控制系統(tǒng)，采用基于M5310A 芯片的NBIoT 無線傳輸模塊與OneNET 云平臺實現(xiàn)消防炮控制系統(tǒng)的組網(wǎng)，克服了傳統(tǒng)有線組網(wǎng)方式安裝布線復(fù)雜、后期維護(hù)困難等缺點，并且通過客戶終端可隨時查看火災(zāi)報警情況和消防炮的狀態(tài)信息，還能對消防炮進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，避免了現(xiàn)場人員滅火帶來的傷亡。本設(shè)計為應(yīng)用于古建筑、碼頭、景區(qū)等地方的消防炮控制系統(tǒng)提供了參考。