徐 輝，熊書明，劉思純

（江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，構(gòu)建智慧城市逐漸成為現(xiàn)代化城市建設(shè)的重要目標(biāo)，而網(wǎng)絡(luò)化智慧消防系統(tǒng)研究與應(yīng)用，有助于智慧城市進(jìn)一步發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）可實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，將物理世界中的對(duì)象通過Internet連成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，并使其具有接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的能力[1]，其在城市智慧消防管理中的應(yīng)用能夠使得城市管理更加精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化、信息化和智能化。作為物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)快速發(fā)展的一個(gè)重要方面，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-IoT，NB-IoT）的研究和應(yīng)用得到越來越多的關(guān)注[2-3]。

第三代合作伙伴計(jì)劃 （3rd Generation Partnership Project，3GPP）在Rel-13中引入了一種專門用于海量機(jī)器類通信的全新無線接口——NB-IoT，該接口在許可的蜂窩頻譜上工作，并且與長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)/長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)升級(jí)版（Long Term Evolution/Long Term Evolution-Advanced，LTE/LTEA）系統(tǒng)兼容[4]，同時(shí)，具有深度室內(nèi)穿透性能，非常適合室內(nèi)應(yīng)用。

本研究利用NB-IoT的重復(fù)傳輸機(jī)制、透明傳輸技術(shù)，開發(fā)高可靠智慧消防管理系統(tǒng)，在信噪比較低的接收環(huán)境下，通過增加重傳次數(shù)來大幅降低誤碼率，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 系統(tǒng)方案

1.1 基于NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于NB-IoT的高可靠智慧消防系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含NB-IoT網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)云、終端應(yīng)用3個(gè)部分，見圖1。

圖1 基于NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1）NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部分。負(fù)責(zé)上傳原始消防數(shù)據(jù)信息應(yīng)用于遠(yuǎn)程服務(wù)，并保證用戶命令在硬件層的順利執(zhí)行。詳細(xì)工作流程如下：在數(shù)據(jù)上傳階段，STM32微處理器將監(jiān)測(cè)對(duì)象中傳感器感知的溫度、煙霧濃度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過Serial串行口發(fā)送到NB-IoT模塊，NB-IoT模塊將數(shù)據(jù)打包為預(yù)先通過AT指令配置的受限應(yīng)用協(xié)議（Constrained Application Protocol，CoAP）數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到本地服務(wù)器，本地服務(wù)器解析后，經(jīng)過初步處理分析打包為消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議 （Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議報(bào)文，發(fā)送云端；在命令執(zhí)行階段，本地服務(wù)器接收由云端轉(zhuǎn)發(fā)的命令信息，分析處理后，打包成CoAP報(bào)文交到設(shè)備的NB-IoT模塊，NB-IoT模塊通過預(yù)設(shè)的格式解析報(bào)文，并將命令交給STM32執(zhí)行（如驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警）。

2）物聯(lián)網(wǎng)云部分。負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程應(yīng)用接入。詳細(xì)工作流程如下：應(yīng)用下發(fā)命令時(shí)，通過預(yù)先設(shè)定的規(guī)則引擎將命令轉(zhuǎn)發(fā)到NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，同理，命令執(zhí)行完畢返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)由云端通過規(guī)則引擎返回應(yīng)用服務(wù)器。

3）終端應(yīng)用部分。提供用戶遠(yuǎn)程操作消防系統(tǒng)硬件的平臺(tái)。用戶可通過超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）訪問消防預(yù)警遠(yuǎn)程控制服務(wù)，進(jìn)行硬件控制以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化分析與展示。

1.2 功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于NB-IoT的高可靠智慧消防系統(tǒng)的功能模塊采用分層體系結(jié)構(gòu)，包括硬件層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，見圖2。

圖2 功能模塊

1）硬件層。由感知模塊、預(yù)警模塊和滅火模塊組成。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，溫度的變化是其最顯著特征之一，溫度升高的同時(shí)伴隨著濃煙產(chǎn)生，故選用溫度傳感器和煙霧濃度傳感器作為系統(tǒng)感知模塊。預(yù)警模塊和滅火模塊則分別選擇了蜂鳴器和花灑。

2）網(wǎng)絡(luò)層。由NB-IoT模塊、云平臺(tái)與各服務(wù)器組成。構(gòu)建了硬件層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)通道，從而保證系統(tǒng)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

3）應(yīng)用層。由火情查看、設(shè)備詳情等模塊組成。提供了可供用戶便捷操作的界面，滿足用戶實(shí)時(shí)觀測(cè)火情的需求，并提供了控制消防設(shè)備功能，便于設(shè)備管理。

2 NB-IoT模塊設(shè)計(jì)與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)仿真

2.1 NB-IoT模塊

系統(tǒng)的NB-IoT模塊選用M6710，其在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)模式下，下行數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)125 kb/s，上行速率可達(dá)150 kb/s，并內(nèi)置了傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）、用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）、MQTT、輕量級(jí)機(jī)器對(duì)機(jī)器 （Lightweight Machine to Machine，LwM2M）和CoAP等工作協(xié)議，可便捷連接到運(yùn)營(yíng)商及主流云平臺(tái)。其中，CoAP是一種固定的收發(fā)器機(jī)制，并且易于操作，通過配置相關(guān)的服務(wù)器地址和端口號(hào)即可創(chuàng)建UDP套接字，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與服務(wù)器之間的透明傳輸。為了使系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠和便捷，選擇了CoAP模式作為M6710的工作模式。

2.2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)仿真

為證明NB-IoT技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，研究采取了仿真實(shí)驗(yàn)策略，選擇NS3作為仿真驗(yàn)證平臺(tái)，其LTE模塊經(jīng)過充分測(cè)試，被證明可以作為開發(fā)NB-IoT模塊的基礎(chǔ)，并支持長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)-授權(quán)頻段的協(xié)助接入 （Long Term Evolution-Licensed Assisted Access，LTE-LAA）的擴(kuò)展[5]，而LTELAA的NS3擴(kuò)展可通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整NS3中LTE參數(shù)來進(jìn)行NB-IoT網(wǎng)絡(luò)分析，有助于評(píng)估NB-IoT的可靠性。

網(wǎng)絡(luò)仿真過程中，在固定的區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)放置250臺(tái)NB-IoT設(shè)備（圖3中懸浮的深色圓點(diǎn)設(shè)備），并按照標(biāo)準(zhǔn)定義在單個(gè)物理資源塊（Physical Resource Block，PRB）上設(shè)置23 dBm的功率。假定NB-IoT設(shè)備是固定的，并向與其連接的NB基站（圖3中與2個(gè)淺色圓點(diǎn)設(shè)備相連接的深色圓點(diǎn)設(shè)備）發(fā)送固定大小的數(shù)據(jù)包，包長(zhǎng)為20 B；在處于由多個(gè)NB基站覆蓋的情況下，NB-IoT設(shè)備始終連接到最近的接入節(jié)點(diǎn)。每個(gè)NB基站放置3個(gè)定向天線并以43 dBm的功率進(jìn)行傳輸，同時(shí)模擬了本地服務(wù)器（圖3中與深色圓點(diǎn)設(shè)備相連接的2個(gè)淺色圓點(diǎn)設(shè)備）和云端，用于實(shí)際測(cè)試與評(píng)估，網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果見圖3。

圖3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

用于網(wǎng)絡(luò)仿真分析的參數(shù)設(shè)置如下：用戶設(shè)備數(shù)量為250臺(tái)；用戶設(shè)備發(fā)射功率為23 dBm；NB基站發(fā)射功率為43 dBm；NB基站數(shù)量為20個(gè)；NB基站的LTE帶寬為832~864 MHz；發(fā)射模式為SISO；包長(zhǎng)為20 B；重復(fù)次數(shù)為32次。

3 系統(tǒng)應(yīng)用層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)云設(shè)計(jì)了消防預(yù)警遠(yuǎn)程控制應(yīng)用，主要功能包括火災(zāi)預(yù)警和防火設(shè)備情況查看。

3.1 火災(zāi)預(yù)警功能

功能詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過程如下。以5 s為周期定期喚醒微處理器以進(jìn)行火災(zāi)狀態(tài)查詢，判斷當(dāng)前地區(qū)是否出現(xiàn)火災(zāi)。若判斷出現(xiàn)火災(zāi)，觸發(fā)火災(zāi)預(yù)警程序。微處理器獲取各火災(zāi)特征參量感知設(shè)備數(shù)據(jù)，并激活NB-IoT模塊以將各參量發(fā)送至應(yīng)用服務(wù)器，由應(yīng)用服務(wù)器判斷各參量是否超過規(guī)定閾值。若超過閾值，激活電機(jī)，打開蜂鳴器和花灑；若未超過閾值，則立即跳出當(dāng)前中斷子程序。如果有其他中斷子程序，則進(jìn)入執(zhí)行；否則，進(jìn)入休眠，等待下一次被喚醒。火災(zāi)預(yù)警功能的偽代碼如下。

Begin

休眠5 s;

激活微處理器以獲取各火災(zāi)特征參量;

激活NB模塊,由NB模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地服務(wù)器;

通過云端將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用服務(wù)器;

If(火災(zāi)特征參量超過閾值) {

下發(fā)打開蜂鳴器和花灑的命令;

}else{

下發(fā)關(guān)閉蜂鳴器和花灑的命令;

}

云端將命令轉(zhuǎn)發(fā)給本地服務(wù)器;

本地服務(wù)器處理后發(fā)送到設(shè)備NB模塊;

微處理器通過串行口接受數(shù)據(jù);

If(打開){

打開蜂鳴器和花灑;

}else{

關(guān)閉蜂鳴器和花灑;

}

End

3.2 防火設(shè)備情況查看功能

功能詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過程如下。防火設(shè)備情況查看程序通過外部中斷按鈕啟動(dòng)。當(dāng)用戶進(jìn)入或刷新應(yīng)用的火情查看或設(shè)備詳情模塊時(shí)，都會(huì)向服務(wù)器發(fā)送防火設(shè)備情況查看指令，服務(wù)器接收到指令后通過MQTT協(xié)議將其發(fā)送到云端，由云端轉(zhuǎn)發(fā)至本地服務(wù)器，最后由NB-IoT模塊接收指令信息，解析后發(fā)送到微處理器串行口，由微處理器獲取各防火設(shè)備情況信息；若獲取不到，代表該設(shè)備出現(xiàn)了問題，返回為null。獲取完畢后，通過NB-IoT模塊將信息返回，由應(yīng)用服務(wù)器處理后顯示用戶界面。防火設(shè)備情況查看功能的偽代碼如下。

Begin

用戶進(jìn)入或刷新火情查看或設(shè)備詳情模塊;

應(yīng)用服務(wù)器接收到設(shè)備情況查看指令,并將其打包發(fā)送到云端;

云端將指令發(fā)送給本地服務(wù)器;

本地服務(wù)器發(fā)送到設(shè)備NB模塊;

微處理器收集設(shè)備信息;

If(可以收集到) {

通過NB模塊將信息返回應(yīng)用服務(wù)器;

}else{

通過NB模塊返回null給應(yīng)用服務(wù)器;

}

應(yīng)用服務(wù)器將信息處理后顯示到應(yīng)用界面;

End

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

4.1 NB-IoT可靠性測(cè)試與分析

為測(cè)試NB-IoT技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，基于圖3的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果，定義了NB-IoT仿真網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接收率為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送包數(shù)量與接收包數(shù)量之比，即

隨機(jī)選擇區(qū)域中10個(gè)NB-IoT設(shè)備，令其發(fā)送50次數(shù)據(jù)（每次發(fā)送1個(gè)包），在本地服務(wù)器記錄BR。網(wǎng)絡(luò)仿真過程中共進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)，NB-IoT模塊可靠性測(cè)試結(jié)果見表1。BR分別為498，500，498，496，499，ρ的平均值為99.64%。以上結(jié)果表明，實(shí)際效果與預(yù)期一致，系統(tǒng)的NB-IoT通信模塊具有高連接可靠性。

表1 NB-IoT模塊可靠性測(cè)試結(jié)果

4.2 遠(yuǎn)程訪問模塊

遠(yuǎn)程訪問模塊包括4個(gè)一級(jí)目錄，分別為消防監(jiān)測(cè)、消防控制、系統(tǒng)管理和消防日志。消防監(jiān)測(cè)目錄下存在2個(gè)二級(jí)目錄，分別為火情查看和設(shè)備詳情。用戶可通過火情查看界面查看監(jiān)測(cè)地區(qū)的火情（如室內(nèi)溫度、室內(nèi)煙霧濃度），當(dāng)發(fā)生火情（即數(shù)據(jù)超過閾值）時(shí)，可通過火情查看界面左下方的消防負(fù)責(zé)人聯(lián)系方式模塊及時(shí)通知消防人員；火情查看界面右下方為節(jié)點(diǎn)故障功能統(tǒng)計(jì)模塊，當(dāng)達(dá)到一定節(jié)點(diǎn)數(shù)量之后，管理人員可通知維修人員進(jìn)行檢修。火情查看界面的用戶部分可視化操作見圖4。

圖4 火情查看界面的用戶可視化操作

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種基于NB-IoT的高可靠智慧消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)通過感知設(shè)備檢測(cè)火災(zāi)情況，應(yīng)用NB-IoT通信技術(shù)、CoAP和MQTT協(xié)議等，實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)火情和設(shè)備情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

同時(shí)，通過比較火災(zāi)特征參量數(shù)值與規(guī)定值，進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警，達(dá)到了預(yù)期功能。隨著智慧消防系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，能夠使得越來越少的人遭受火災(zāi)傷害。