侯其立，倪 衛(wèi)，汪 洋

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所 安徽省公共安全應(yīng)急信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088；2.中電博微（安徽）物聯(lián)科技有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

在自然、人為災(zāi)害中，火災(zāi)是發(fā)生頻率最高、人員傷亡及資產(chǎn)損失最嚴(yán)重的災(zāi)害之一。分析火災(zāi)發(fā)生的原因可知，火情發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、消防設(shè)施不能正常發(fā)揮作用是延誤撲救、火勢(shì)蔓延的主要原因[1]。

當(dāng)前，建筑物內(nèi)都已配備了消防設(shè)施，但主要系統(tǒng)處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)據(jù)未接入監(jiān)控中心，不利于火情的及時(shí)通知、處置，無(wú)法對(duì)消防設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]。城市消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可較好地解決該問(wèn)題，其通過(guò)對(duì)建筑物內(nèi)獨(dú)立運(yùn)行的消防設(shè)施數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、聯(lián)網(wǎng)、統(tǒng)計(jì)、研判，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物內(nèi)火情、潛在隱患的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)消防設(shè)施進(jìn)行集中管理[3]。用戶信息傳輸裝置作為城市消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，是連接各獨(dú)立消防設(shè)施與監(jiān)控中心的橋梁。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為當(dāng)前信息化時(shí)代的新生力量，已被廣泛應(yīng)用于智慧消防系統(tǒng)建設(shè)中[4-8]。

基于此，本文以STM32F407芯片為核心，研制了用戶信息傳輸裝置，可完成獨(dú)立消防設(shè)施的數(shù)據(jù)采集、傳輸，并對(duì)建筑消防設(shè)施實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制用戶信息傳輸裝置系統(tǒng)，以此為核心的消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖

由圖1可知，用戶信息傳輸裝置系統(tǒng)的主要任務(wù)包括以下幾個(gè)方面。

（1）火災(zāi)報(bào)警控制器的數(shù)據(jù)采集。用戶信息傳輸裝置系統(tǒng)首先完成建筑物內(nèi)已有火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，煙感、溫感、手報(bào)等模塊統(tǒng)一由火災(zāi)報(bào)警控制器監(jiān)管。用戶信息傳輸裝置系統(tǒng)與火災(zāi)報(bào)警控制器通信即可獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）其他消防設(shè)施數(shù)據(jù)采集。對(duì)于火災(zāi)報(bào)警控制器未能監(jiān)管到的消防設(shè)施數(shù)據(jù)，如水壓值、電壓值、電流值、水位值等，可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采集，用戶信息傳輸裝置系統(tǒng)通過(guò)有線或無(wú)線方式與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通信，確?？蓪?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)傳輸。用戶信息傳輸裝置系統(tǒng)需與監(jiān)控中心保持連接，在對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)分析處理后，按照既定格式上報(bào)至監(jiān)控中心，此外，用戶信息傳輸裝置也能夠接收、執(zhí)行監(jiān)控中心下發(fā)的指令。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用戶信息傳輸裝置以STM32F407芯片為核心，主要包括火災(zāi)報(bào)警控制器數(shù)據(jù)采集、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、人機(jī)交互等模塊。用戶信息傳輸裝置硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 用戶信息傳輸裝置硬件系統(tǒng)框圖

（1）火災(zāi)報(bào)警控制器數(shù)據(jù)采集

火災(zāi)報(bào)警控制器的數(shù)據(jù)采集支持RS 485和RS 232通信協(xié)議，由硬件電路跳線選擇，兼容更多火災(zāi)報(bào)警控制器的接入。

（2）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集支持RS 485有線通信及基于LoRa通信模組的無(wú)線通信。對(duì)于距用戶信息傳輸裝置較近，且易于布線或無(wú)線信號(hào)難以覆蓋的網(wǎng)關(guān)，采用RS 485通信；距用戶信息傳輸較遠(yuǎn)的網(wǎng)關(guān)，如監(jiān)測(cè)樓頂水箱液位的網(wǎng)關(guān)，或網(wǎng)關(guān)與用戶信息傳輸裝置之間障礙物較少，選用LoRa無(wú)線通信。

（3）數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸方式包括以太網(wǎng)有線通信和GSM無(wú)線通信。GSM無(wú)線通信可降低布線成本，適用于不便布線或安裝地點(diǎn)未接入互聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)所（如消防監(jiān)控室）；若安裝地已部署網(wǎng)絡(luò)，則可通過(guò)以太網(wǎng)有線方式將用戶信息傳輸裝置接入互聯(lián)網(wǎng)。此外，對(duì)安全性要求較高或涉密的場(chǎng)所，一般禁止設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，因此其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)選用局域網(wǎng)本地部署方式。此時(shí)用戶信息傳輸裝置通過(guò)以太網(wǎng)有線方式接入局域網(wǎng)。

（4）人機(jī)交互

人機(jī)交互需借助液晶顯示屏、指示燈、按鍵、喇叭等模塊實(shí)現(xiàn)。指示燈用以指示系統(tǒng)各部件運(yùn)行狀態(tài)是否正常；通過(guò)按鍵與液晶顯示屏，用戶可對(duì)設(shè)備執(zhí)行必要的操作，如手動(dòng)報(bào)警、復(fù)位等，或查看設(shè)備運(yùn)行記錄；將語(yǔ)音文件預(yù)置在芯片內(nèi)，當(dāng)特定事件發(fā)生時(shí)，處理器可通過(guò)DAC方式輸出音頻信號(hào)，給用戶以語(yǔ)音提示。

（5）調(diào)試接口

系統(tǒng)預(yù)留有一個(gè)調(diào)試串口，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換可接入PC機(jī)或手機(jī)，以便對(duì)設(shè)備進(jìn)行出廠測(cè)試、參數(shù)設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方案，包括啟動(dòng)引導(dǎo)程序（Boot）及應(yīng)用主程序（APP）。其中，Boot程序包括固件遠(yuǎn)程升級(jí)與串口調(diào)試；APP程序基于FreeRTOS操作系統(tǒng)運(yùn)行，主要包括四大子任務(wù)：火災(zāi)報(bào)警控制器巡檢任務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)巡檢任務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)、本機(jī)巡檢任務(wù)。用戶信息傳輸裝置軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 用戶信息傳輸裝置軟件系統(tǒng)框圖

3.1 Bootloader檢測(cè)

系統(tǒng)上電后進(jìn)行Bootloader檢測(cè)。Bootloader啟動(dòng)程序檢測(cè)流程如圖4所示。在Bootloader檢測(cè)程序中，若檢測(cè)到下列任一情形，系統(tǒng)將進(jìn)入Boot程序：

（1）檢測(cè)到特定功能按鍵處于按下?tīng)顟B(tài)；

（2）檢測(cè)到內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)的遠(yuǎn)程升級(jí)標(biāo)志處于置位狀態(tài)；

（3）檢測(cè)到APP程序損壞。

圖4 Bootloader啟動(dòng)程序檢測(cè)流程

3.2 Boot程序

Boot程序主要用于系統(tǒng)參數(shù)配置和固件升級(jí)，包括設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)操作和用戶現(xiàn)場(chǎng)在線操作。Boot程序流程如圖5所示。

圖5 Boot程序流程

在固件遠(yuǎn)程升級(jí)過(guò)程中，只有在固件完整下載且固件格式校驗(yàn)通過(guò)后，才會(huì)進(jìn)行固件更新操作。

3.3 APP程序

APP程序是系統(tǒng)應(yīng)用的主程序，包含各項(xiàng)應(yīng)用任務(wù)的建立與調(diào)度。APP程序流程如圖6所示。

（1）火災(zāi)報(bào)警控制器巡檢任務(wù)。該任務(wù)包括對(duì)火災(zāi)報(bào)警控制器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、標(biāo)準(zhǔn)化處理及轉(zhuǎn)換為相應(yīng)事件，如火警、故障、屏蔽等。在采集到新事件后，會(huì)將事件傳送至發(fā)送列表，以供上傳至監(jiān)控中心，同時(shí)也會(huì)將事件傳送至人機(jī)交互列表，供設(shè)備進(jìn)行相關(guān)聲光提示。

（2）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)巡檢任務(wù)。該任務(wù)主要包括對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并觸發(fā)數(shù)據(jù)上傳事件。其中，觸發(fā)源包括周期性數(shù)據(jù)更新、突發(fā)性數(shù)據(jù)變化異常、網(wǎng)關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化。事件觸發(fā)后，該任務(wù)會(huì)將事件傳送至發(fā)送列表，以供上傳至監(jiān)控中心。

（3）數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。該任務(wù)包括與監(jiān)控中心保持穩(wěn)定有效的TCP連接，并對(duì)事件列表中的各項(xiàng)事件按優(yōu)先級(jí)順序及時(shí)發(fā)送至監(jiān)控中心，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)監(jiān)控中心下發(fā)的指令并執(zhí)行。數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則符合GB/T 26875.3—2011標(biāo)準(zhǔn)[9]。

（4）本機(jī)巡檢任務(wù)。該任務(wù)包括對(duì)本機(jī)各部件運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（主備電狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、與火災(zāi)報(bào)警控制器連接狀態(tài)等）與人機(jī)交互（包括用戶按鍵操作、液晶顯示、相關(guān)事件聲光提示等）。在監(jiān)測(cè)到相應(yīng)事件后，將事件傳送至發(fā)送列表。

圖6 APP程序流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)研制完畢后，在國(guó)家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 26875.1—2011對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)[10]，各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)標(biāo)要求。另外，該系統(tǒng)在安徽、甘肅、海南等地的多個(gè)項(xiàng)目已投入使用，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用效果良好。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以STM32F407芯片為核心，研制了用戶信息傳輸裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)符合國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)國(guó)家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)。目前，該系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)項(xiàng)目上投入使用，大大增強(qiáng)了消防系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，實(shí)現(xiàn)了消防遠(yuǎn)程監(jiān)控。