連蓮

摘要：為了從根本上解決傳統消防監(jiān)控系統功能簡單、無線通信距離短、誤碼率高、網絡連接繁瑣等問題，設計一款功能完善、實用性強的智慧消防物聯網監(jiān)控系統。首先，在完成對系統總體結構設計的基礎上，從終端采集終點設計、中繼網關節(jié)點設計、射頻結構設計三個方面入手，完成系統硬件設計；其次，從節(jié)點軟件設計、應用層通信協議設計兩個方面入手，完成系統軟件設計；最后，對系統性能進行了全面測試。結果表明：設計的智慧消防物聯網監(jiān)控系統除了可以實現對互聯網絡的快速接入，還保證了組網的便捷性，降低了數據誤差，使得系統靈敏度得以大幅度提升，同時，還能提高數據傳輸效率和通信距離。

關鍵詞：智慧消防；物聯網；監(jiān)控系統

中圖分類號：X913.4? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）11-0032-03

現階段，LoRa無線通信技術作為一種常用的物聯網技術，被廣泛地應用于智慧消防物聯網監(jiān)控系統設計中，該技術在實際應用中通過對網絡數據進行采集和傳輸，極大地提高了人機交互的智能化水平，同時，還簡化了網絡協議復雜度，降低了數據采集誤差，使得應用成本降到最低，另外，還保證了遠距離數據傳輸效率，極大地提高了系統遠程報警監(jiān)控功能和故障排查功能的實現效果。因此，在LoRa無線通信技術的應用背景下，如何科學地設計和實現智慧消防物聯網監(jiān)控系統是技術人員必須思考和解決的問題。

1 智慧消防物聯網監(jiān)控系統的總體設計

在智慧消防物聯網監(jiān)控系統設計中主要用到了智能消防安全出口標志燈，該標志燈除了具有強大的引導功能外，還具有紅外探測功能、有害氣體檢測功能、數據收發(fā)功能等多種功能，便于用戶全面地監(jiān)控現場態(tài)勢發(fā)展情況。為了確保所設計的智慧消防物聯網監(jiān)控系統能夠更好地滿足復雜化環(huán)境使用需求，在進行實際設計期間，技術人員要將采集節(jié)點和中繼網關節(jié)點的工作時間、傳輸距離、傳輸速率分別設置為10min、19m、35kbps，同時，還要盡可能降低溫度數據采集誤差，從而確保系統具有功耗低、靈敏度高、誤報率低等性能。智慧消防物聯網監(jiān)控系統主要由數據采集控制、無線傳輸網絡、采集節(jié)點、中繼網關節(jié)點和5G網絡、服務器等組成，該系統通過利用LoRa無線網絡，將采集節(jié)點和中繼網關節(jié)點進行有效連接，使得這兩個節(jié)點呈現出一對多的通信模式。通過將采集節(jié)點設置在智能樓宇內，可以實現對現場相關重要數據信息的全面化采集和整理，中繼網關節(jié)點主要用于對節(jié)點數據的接收，并利用5G網絡向服務器傳輸相應的信息數據，此時，控制管理中心利用系統PC端隨意登錄和訪問服務器內的重要信息數據，同時，服務器采用發(fā)送短信的方式，確保管理人員快速與消防救援管理中心之間建立密切的聯系。

2 智慧消防物聯網監(jiān)控系統的硬件設計

該系統主要用到了兩種節(jié)點，一種是采集節(jié)點，另一種是中繼網關節(jié)點，其中，采集節(jié)點用到了STM32F042F6P6微控制器，中繼網關節(jié)點用到了STM32F030C8T6微控制器。兩款MCU具有良好的運行性能，工作頻率高達50MHz[1]，所使用的存儲器具有高速嵌入性能，為了進一步提高技術人員代碼編寫效率，需要將8位設備與16位設備進行有效結合，并將其連接于ARM內核中。兩種微控制器對低功率模式提供了很好的支持作用，完全符合系統低功耗管控相關標準和要求。

2.1? 終端采集終點設計

本文所使用的智能消防安全出口標志燈完全滿足相關性能參數設置需求，該標志燈在原有引導功能的基礎上，還增加了多種實用功能，例如：紅外探測功能、煙霧探測功能、溫度采集功能和外界通信功能等。所有的采集節(jié)點均含有相應的ID，在進行實際安裝期間，技術人員要嚴格按照建筑平面設計相關標準和要求，對這些采集節(jié)點進行科學安裝[2]，從而保證系統定位功能的實現效果。一旦現場出現突發(fā)安全事件，系統會自動啟動采集節(jié)點，對突發(fā)安全事件出現的具體位置進行精確定位。采集節(jié)點所起到的核心作用為：通過全面采集和精確監(jiān)測現場環(huán)境相關參數，向中繼網關節(jié)點傳輸溫度、有害氣體濃度以及火情情況等相關信息，同時，還要借助控制中心采用遠程管控的方式對現場進行管控，便于及時處理現場出現的異常情況，從而有效保障人們的人身安全和財產安全[3]。

2.2? 中繼網關節(jié)點設計

中繼網關節(jié)點主要用于對相關重要信息數據的接收或者上傳，確保系統具有強大的檢測功能，中繼網關節(jié)點硬件結構如圖1所示。

為了充分發(fā)揮和利用中繼網關節(jié)點的應用優(yōu)勢，現將該節(jié)點設置在LoRa無線通信網絡接收區(qū)域內，以實現對所上傳信息數據的采集處理，然后對這些采集好的數據進行一系列打包處理[4]，在此基礎上，還要采用UDP透傳模式，利用5G網絡向服務器傳輸重要信息數據，以保證信息數據傳輸的安全性、可靠性。

2.3? 射頻結構設計

射頻結構在具體設計中主要用到了擴頻調制跳頻技術，通過利用該技術可以最大限度提高系統靈敏度，此外，通過采用LoRa鏈接預算模式可以拓展通信范圍，使得系統的通信性能得以大幅度提高。為了進一步提高LoRa通信網絡的穩(wěn)定性、安全性和靈活性，技術人員要在利用擴頻調制帶寬的基礎上不斷增加多個發(fā)射信號的抗干擾性能。另外，射頻結構為用戶提供了帶寬選擇功能，便于用戶根據自身的需求，選用合適的帶寬，該射頻結構所對應的擴頻因子最小值為6，最大值為12，有效地覆蓋了各個可用的頻道[5]。

3 智慧消防物聯網監(jiān)控系統的軟件設計

3.1? 節(jié)點軟件設計

采集節(jié)點主要用于現場狀態(tài)相關信息數據的完整化、全面化采集，此外，利用無線射頻網絡可以向中繼網關節(jié)點傳輸相應的數據，同時，還能利用5G網絡模塊向服務器傳輸相應的終端數據[6]。采集節(jié)點在實際運用中需要借助中繼網關節(jié)點從控制中心獲取到相應的報文命令幀，并對數據的正確性和有效性進行校驗，經過校驗發(fā)現命令幀數據真實有效，再將這些數據傳輸到中繼網關節(jié)點并呈現在PC端屏幕上。

3.2? 應用層通信協議設計

通信協議設計水平的提高在控制傳輸數據的丟包率方面具有重要作用，數據在實際傳輸期間一旦出現傳輸異常，將會導致解壓后的數據包出現不完整性，最終降低了所采集數據的真實性和正確性[7]。該系統應用層在具體設計中主要采用了自定義協議設計方式，對所采集好的終端數據進行一系列打包處理，從而提高數據傳輸的透明度。為了實現對數據的安全化發(fā)送和接收，需要利用CRC16校驗算法，對接收設備進行優(yōu)化處理，確保數據能夠安全、可靠地傳輸，同時，數據可以從系統采集節(jié)點傳輸到中繼網關節(jié)點中，當通信網絡成功構建并投入使用后，中繼網關節(jié)點與采集節(jié)點之間通常存在一定的映射關系，該映射關系呈現出一對多狀態(tài)。此外，采集節(jié)點與中繼網關節(jié)點之間可以構建相應的連接關系，該連接關系可以呈現出一對一狀態(tài)[8]。采用廣播實現的方式全面了解和把握中繼網關節(jié)點的覆蓋情況，同時還要采用遠程管控的方式對所有采集節(jié)點進行統一化管理[9]。該系統在實際設計中還可以利用下發(fā)報文命令，全面查看和了解該標志燈的設備信息、功能狀態(tài)以及運行時間等相關信息，為后期故障實時監(jiān)測創(chuàng)造良好的條件。

4 智慧消防物聯網監(jiān)控系統的測試與分析

通過將智能消防標志燈安裝和固定于地下停車場位置處，并完成對系統測試環(huán)境的搭建，然后對該標志燈的運行性能進行有效檢驗。在對整個網絡系統進行測試期間，所涉及的節(jié)點類型包含中繼網關節(jié)點和終端采集節(jié)點兩種，其中中繼網關節(jié)點數量為4個，利用該節(jié)點可以向服務器內傳輸相關數據，然后利用第三方短信服務平臺實現對數據結果的有效接收，同時還能借助PC端訪問服務器，實現對原始數據的實時查看。此外，還要在構建樓層復雜環(huán)境的基礎上對海量數據接收過程進行全面化測試，在整個測試期間需要將射頻中心頻率、發(fā)射功率、串口波特率分別設置為433MHz、20dBm、1152000bps。測試結果如表1所示。

從表1中的數據可以看出，數據傳輸速度最小值為139bps，最大值為37349bps，接收法的靈敏度達到了-138.5dBm，完全符合系統靈敏度設置的相關標準和要求。當終端采集點處于所設置好的墻壁狀態(tài)下，使用無線通信網絡可以將網絡信號的衍射范圍控制在20m以上，完全符合系統設計的相關標準和要求，這說明本文所設計的智慧消防物聯網監(jiān)控系統具有較高的通行能力。LoRa射頻通信的不斷提升有效地證明了該系統具有較高的網絡通信穿透能力，完全符合樓宇自動化控制的相關標準和要求。

為了更好地驗證該系統在AD采集轉換方面所表現出的性能，需要在25℃的室溫下執(zhí)行溫度采集測試并將總測試次數設置為100次，該系統具有較高的數據采集能力，采集精度可達到92%，完全符合系統設計的相關標準和要求。

5 結語

綜上所述，本文所設計的智慧消防物聯網監(jiān)控系統能夠在復雜多變的環(huán)境中表現出較高的抗干擾性能，同時還簡化了網絡協議內容，使得誤碼率降到了最低，數據采集正確率提升至93％。該系統科學地應用了5G網絡傳輸技術，使系統的運行性能得以大幅度提升，為后期消防工作的開展提供了重要的平臺支持，為進一步提高智慧城市建設服務水平創(chuàng)造了良好的條件。

參考文獻：

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[7]鄒少軍，孫紅軍.基于物聯網的城市智能消防栓監(jiān)控系統設計與實現分析[J].電子測試，2021（4）：89-90.

[8]陳淑武.智慧消防物聯網監(jiān)控系統設計[J].消防界（電子版），2018，4（4）：79-81.

[9]郭海筱.基于物聯網技術的城市消防遠程監(jiān)控系統設計與實現[J].電子技術與軟件工程，2021（6）：150-151.

Design and implementation

of intelligent firefighting IOT monitoring system

Lian Lian

（Tianjin Dongli District Fire and Rescue Brigade，Tianjin 300300）

Abstract：In order to fundamentally solve the problems of traditional fire monitoring system with simple function， short wireless communication distance， high bit error rate and cumbersome network connection， a smart fire IOT monitoring system with perfect function and high practicality is designed. Firstly， on the basis of completing the overall structure design of the system， the system hardware design is completed from three aspects of terminal collection endpoint design， relay gateway node design and RF structure design; secondly， the system software design is completed from two aspects of node software design and application layer communication protocol design; finally， the system performance is tested comprehensively. The results show that： the designed intelligent firefighting IOT monitoring system can realize fast access to the interconnection network， but also ensure the convenience of networking， reduce the data error， make the system sensitivity can be greatly improved， at the same time， it can also improve the data transmission efficiency and communication distance.

Keywords：intelligent firefighting; Internet of things; monitoring system