唐珺 蔡衛(wèi)平 張濤 黃偉

1.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院；2.北京華晟經(jīng)世信息技術(shù)股份有限公司九江分部

針對國內(nèi)現(xiàn)有火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)品牌多、型號(hào)繁雜、各廠商之間無法數(shù)據(jù)共享互聯(lián)互通等問題，設(shè)計(jì)了一款基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)用戶信息遠(yuǎn)程傳輸裝置。該產(chǎn)品可以將不同廠家不同型號(hào)的消防設(shè)備接入消防云平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的互聯(lián)互通，為消防安全管理提供便利。

目前國內(nèi)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要依賴于傳統(tǒng)的火災(zāi)告警主機(jī)，主要作用是監(jiān)控管理本地的消防設(shè)備，例如手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕、煙霧報(bào)警器、消防栓等。傳統(tǒng)的做法是通過485總線將這些設(shè)備串聯(lián)起來并入消防報(bào)警主機(jī)控制器來進(jìn)行管理，并由消防控制人員進(jìn)行監(jiān)控，對發(fā)生的一些消防報(bào)警事件進(jìn)行處理。

但是目前這種形式存在很多弊端，（1）是該類系統(tǒng)往往都是獨(dú)立運(yùn)行,即所謂的單機(jī)版，由消控室人員進(jìn)行獨(dú)立管理和處理，報(bào)警信息無法有效地匯入消防局進(jìn)行管控，給消防管理人員造成很大的困擾。（2）是即使有部分廠家提供了遠(yuǎn)程云平臺(tái)傳輸裝置，各個(gè)廠家也是不兼容的，只能用于自己廠家的設(shè)備，而目前市面上的消防報(bào)警主機(jī)控制器來自幾十種廠商，想要做到“互聯(lián)互通”也非常困難。本文介紹的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)采用窄帶物 聯(lián) 網(wǎng)(NBIoT, Narrow Band Internet of Things)技術(shù),將所有消防設(shè)備統(tǒng)一接入到消防云平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)不同廠家不同型號(hào)的消防設(shè)備“互聯(lián)互通”，便于消防部門集中管理。

1 功能需求與系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 后臺(tái)管理主要功能分析

根據(jù)用戶的需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的后臺(tái)管理功能分為監(jiān)測中心、物聯(lián)設(shè)施、維保管理等7個(gè)模塊，各模塊功能描述如表1所示。

表1 平臺(tái)后臺(tái)管理功能Tab.1 Platform background management function

1.2 接口及性能需求

（1）硬件接口：設(shè)備支持2組485接口、2組232接口、1組CAN總線接口以及打印機(jī)接口，這些接口都可以適配接入不同廠家的消防控制主機(jī)。

（2）云端設(shè)備接口：用戶信息傳輸裝置接入云端的相關(guān)接口。

（3）云端應(yīng)用接口：應(yīng)用程序數(shù)據(jù)后臺(tái)接入云端應(yīng)用接口，采集設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖在云端，采用基于發(fā)布與訂閱模式。

（4）內(nèi)部接口：后臺(tái)支撐系統(tǒng)提供給網(wǎng)頁或App端接口。

滿足高并發(fā)及高可用需求，具體并發(fā)參數(shù)指標(biāo)待評(píng)估，架構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足并發(fā)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，靈活熱插拔式增加節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展并發(fā)及高可用要求，同時(shí)需要保證服務(wù)器安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，消防手報(bào)、煙感探測器等消防終端將報(bào)警數(shù)據(jù)傳給火災(zāi)報(bào)警控制主機(jī)，控制主機(jī)再將數(shù)據(jù)傳給用戶傳輸裝置，后者就是本文介紹的用戶信息遠(yuǎn)程傳輸裝置。該裝置通過NBIoT或以太網(wǎng)連到外網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳給電信物聯(lián)云，華為云主機(jī)再從電信物聯(lián)云提取數(shù)據(jù)并負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，最后終端(LED大屏、手機(jī)App，PC)訪問華為云主機(jī)獲取數(shù)據(jù)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

用戶信息遠(yuǎn)程傳輸裝置的硬件電路采用EDA工具AltiumDesigner19設(shè)計(jì)，電路框圖如圖2所示。由圖2可見，硬件由兩部分構(gòu)成，即主控電路板模塊和接口電路板模塊（以下簡稱主控板和接口板），前者在圖中大虛線框內(nèi)，后者在大虛線框外。之所以采用分體設(shè)計(jì)是因?yàn)橐紤]到后續(xù)產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)以及拓展的便利性。另外，消防產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)也有相關(guān)的要求。

2.1 主控板

主控板采用STM32F429芯片作為主控制器，并擴(kuò)展了Flash芯片以及RTC時(shí)鐘芯片，主控板連接有一塊480×272分辨率的彩色液晶屏，通過主控制器的FSMC功能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)連接[1,2]。主控板上有4個(gè)UART接口。其中， UART1、UART2主要負(fù)責(zé)與火災(zāi)報(bào)警控制器相連（根據(jù)不同廠家可選擇RS232或RS485）；UART3主要負(fù)責(zé)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置和后期調(diào)試維護(hù)等功能，與電腦串口相連；UART4負(fù)責(zé)與網(wǎng)絡(luò)模塊（GPRS/NBIoT等）之間進(jìn)行通信。由于設(shè)備安裝環(huán)境的不同，主控制板采用2種方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，分別是以太網(wǎng)和NBIoT。用戶可通過液晶屏菜單進(jìn)行自由切換選擇。

2.2 接口板

接口板是為了便于后續(xù)功能擴(kuò)展而采用的一種分體設(shè)計(jì)方式，通過排線連接主控板，接口板具備2組RS485、2組RS232、1組CAN總線網(wǎng)絡(luò)、1組以太網(wǎng)、2個(gè)繼電器輸出、2個(gè)數(shù)字量輸入接口。由于消防產(chǎn)品有嚴(yán)格的EMC檢測要求，所以所有接口都額外增加了EMC處理電路和濾波電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 用例分析

本系統(tǒng)中涉及的角色有如下4類：

（1）平臺(tái)管理員：系統(tǒng)整個(gè)平臺(tái)的管理人員。該角色負(fù)責(zé)模塊初始化及系統(tǒng)配置、權(quán)限分配；

（2）平臺(tái)普通人員：平臺(tái)管理人員授權(quán)的其他用戶（具體角色由平臺(tái)管理員設(shè)定)。這類人員可查看所有聯(lián)網(wǎng)單位信息；

（3）聯(lián)網(wǎng)單位用戶：聯(lián)網(wǎng)單位的用戶信息員，可查看本單位的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及報(bào)警信息；

（4）維修人員：設(shè)備維護(hù)方人員，可查看相關(guān)單位設(shè)備信息及維保記錄、維保預(yù)約及反饋等。

根據(jù)表1描述的系統(tǒng)平臺(tái)后臺(tái)管理功能，得到平臺(tái)管理員功能用例總圖，如圖3所示。該圖顯示了平臺(tái)管理員角色的所有場景用例圖和子用例圖，及用例之間的關(guān)系說明。系統(tǒng)中的其他角色(平臺(tái)普通人員、聯(lián)網(wǎng)單位用戶、維修人員）則由管理員分配相應(yīng)功能權(quán)限，默認(rèn)權(quán)限為該角色的常規(guī)業(yè)務(wù)。

3.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

如前文所述，圖1中的用戶信息遠(yuǎn)程傳輸裝置將火災(zāi)報(bào)警數(shù)據(jù)傳給云端應(yīng)用服務(wù)器，然后各類終端通過訪問云端獲取數(shù)據(jù)[3]。整個(gè)系統(tǒng)的軟件包括部署在云端應(yīng)用服務(wù)器的應(yīng)用程序和終端App，應(yīng)用程序整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。圖4中所示的后端開發(fā)，采用基于Spring Boot的SSM(Spring+SpringMVC+Mybatis)框架，該技術(shù)具有層層松耦合，易于業(yè)務(wù)擴(kuò)展的特點(diǎn)。Spring核心框架承擔(dān)起幾個(gè)框架的整合任務(wù)，提供IOC和AOP功能，讓業(yè)務(wù)對象的管理更加便利與快速響應(yīng)，AOP橫切面框架更是讓系統(tǒng)的后續(xù)通用功能可達(dá)到熱插拔效果。Mybatis本為一款輕量級(jí)的ORM應(yīng)用框架，能把SQL語句與業(yè)務(wù)解耦，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫移植的便利。此外，系統(tǒng)的前端響應(yīng)頁面單獨(dú)部署服務(wù)器，也就是前后端分離架構(gòu)，主要有以下3個(gè)益處。

（1）前端靜態(tài)化：前端有且僅有靜態(tài)內(nèi)容，不需要任何后臺(tái)技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化組裝；

（2）后端接口平臺(tái)無關(guān)化：只提供數(shù)據(jù)，不提供任何和界面表現(xiàn)有關(guān)的內(nèi)容。換言之，他們提供的數(shù)據(jù)可以用于任何其他客戶端（如本地化程序、移動(dòng)端程序）；

（3）構(gòu)架分離化：后端構(gòu)架幾乎可以基于任何語言和平臺(tái)的任何解決方案，而前端亦可采用任何框架。

因此，總體上來說，這種分離模式的優(yōu)勢是前端靜態(tài)化讓前后端流量大幅減少、表現(xiàn)性能的提高、前后端平臺(tái)無關(guān)和技術(shù)無關(guān)、安全性方面的集中優(yōu)化、開發(fā)的分離和構(gòu)架的分離。系統(tǒng)的后期可擴(kuò)展性、可移植性更好。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)采用單機(jī)版模式工作，消防部門對于各個(gè)單位的報(bào)警系統(tǒng)無法集中管理，消防監(jiān)測效率不高。本文設(shè)計(jì)了一款火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)用戶信息遠(yuǎn)程傳輸裝置。該裝置采用STM32F429單片機(jī)作為主控制器，配備了RS232、RS485、CAN總線等多種接口，能夠連接不同廠家不同型號(hào)的火災(zāi)告警主機(jī)，并且通過以太網(wǎng)或NBIOT接入消防云平臺(tái)，為消防部門的集中管理帶來了方便，實(shí)現(xiàn)了智慧消防。此外，本文還提出了云端應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過用戶測試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所有功能需求，運(yùn)行情況良好。