侯其立，倪 衛(wèi)，葉凱音，汪 洋

（1.中國電子科技集團(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)重點實驗室，合肥230088；2.中電博微（安徽）物聯(lián)科技有限公司，合肥230088）

火災(zāi)是發(fā)生頻率最高、對社會危害最大的社會災(zāi)害之一。在眾多火災(zāi)事故原因中，火情不能及時發(fā)現(xiàn)、消防設(shè)施存在故障不能正常發(fā)揮作用，是延誤撲救、造成損失的重要原因[1]。解決該問題的根本方法是實時監(jiān)控各消防設(shè)施的運行狀態(tài)。當(dāng)前，建筑物內(nèi)一般都已配備消防設(shè)施，如火災(zāi)報警控制器、煙感、溫感、手報等，但是多數(shù)處于獨立運行狀態(tài)[2]，消防設(shè)施運行數(shù)據(jù)未能傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，無法統(tǒng)一監(jiān)控。

對消防設(shè)施的監(jiān)控，首先應(yīng)完成對火災(zāi)報警控制器的監(jiān)控。通過對火災(zāi)報警控制器的數(shù)據(jù)采集，可以獲取到即時報警信號，例如火警、故障、設(shè)備啟停等信號。而市面上火災(zāi)報警控制器種類繁多，數(shù)據(jù)交互接口無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這就要求采集終端具備多接口、兼容多協(xié)議。

另外，對火災(zāi)報警控制器的監(jiān)控，主要獲取的是消防設(shè)施的報警信號，若需進(jìn)一步監(jiān)測消防設(shè)施運行的具體數(shù)值，例如管網(wǎng)壓力值、水箱液位值、設(shè)備運行電流值、門禁信號等，則需要使用額外的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行采集。但這些設(shè)施安裝場景、設(shè)施屬性、運行數(shù)據(jù)的變化情況、監(jiān)控實時性要求等均不相同，且設(shè)置分散、建設(shè)初期未考慮接入網(wǎng)絡(luò)[3]，對監(jiān)控造成難度。

隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于智慧消防，并已成為消防建設(shè)行業(yè)發(fā)展的趨勢[4-7]。為此，針對上述問題，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研制了多接口協(xié)議的信息傳輸設(shè)備、基于4G 通訊和基于NB-IoT 通訊的消防物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，完成對建筑物內(nèi)各消防設(shè)施運行狀態(tài)的監(jiān)控。

1 多接口協(xié)議的信息傳輸設(shè)備

信息傳輸設(shè)備用來采集傳輸火災(zāi)報警控制器的實時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)以STM32F405 芯片為核心，整個系統(tǒng)的硬件功能框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、聲光提示、調(diào)試、存儲等模塊[8]。

圖1 信息傳輸設(shè)備系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Function block diagram of information transmission equipment

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集接口包括TTL 電平串口、RS232 接口、RS485 接口、CAN 接口以及并口，以兼容市面上品類繁多的火災(zāi)報警控制器；在對火災(zāi)報警控制器數(shù)據(jù)采集完畢后，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸接口包括4G 傳輸、以太網(wǎng)傳輸、RS485 傳輸和RS232 傳輸。4G 模組為即插即用式設(shè)計，在需要使用時，才插入該模塊，以減少設(shè)備不必要的成本。

4G 傳輸和以太網(wǎng)傳輸方式用以將數(shù)據(jù)直接傳送至監(jiān)控中心，且4G 傳輸方式用以難于布線或安裝地點無以太網(wǎng)接口的場合；若安裝地點具備以太網(wǎng)接口，則可以使用以太網(wǎng)方式傳輸；同時，以太網(wǎng)傳輸方式還適用于禁止設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)、只能本地部署監(jiān)控中心的場所，例如安全要求等級高的涉密場所。

RS485 和RS232 方式的數(shù)據(jù)傳輸，主要用于設(shè)備間的自組網(wǎng)，例如使用該類接口將數(shù)據(jù)傳送至具有聯(lián)網(wǎng)通信功能的上級網(wǎng)關(guān)，進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心；該類接口也可將數(shù)據(jù)傳輸至圖形顯示裝置進(jìn)行本地顯示。

1.3 其它模塊

系統(tǒng)還設(shè)計了聲光提示模塊（指示燈和蜂鳴器）、系統(tǒng)設(shè)置模塊（功能撥碼和調(diào)試串口）、存儲模塊。功能撥碼可以將設(shè)備設(shè)置成為正常監(jiān)控、仿真、調(diào)試等模式，同時設(shè)置在局域網(wǎng)通訊時的本機地址；通過調(diào)試串口，可以對設(shè)備的各項參數(shù)進(jìn)行配置，也可查看設(shè)備運行日志；外擴的I2C 存儲器，可以實時保存火災(zāi)報警控制器的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

2 基于4G 的消防物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

基于4G 的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，主要用來采集對實時性有較高要求的消防設(shè)施數(shù)據(jù)，例如消防設(shè)施的供電電壓信號、設(shè)備啟停時的電流信號、設(shè)備漏電電流信號、泵房管網(wǎng)處的水壓信號等。系統(tǒng)以STM32F103芯片為核心，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)設(shè)計2 類信號量采集：4～20 mA 模擬量信號和開關(guān)量信號[9]。4～20 mA 模擬量信號，為工業(yè)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號，如壓力傳感器、液位傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等；開關(guān)量信號包括門磁開關(guān)、啟停開關(guān)、手自動開關(guān)等。

圖2 基于4G 的消防物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能框圖Fig.2 Function block diagram of IoT gateway based on 4G

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計了4G 通訊、LoRa 通訊及RS485通訊。4G 通訊模塊和LoRa 通訊模塊，均即插即用設(shè)計，在需要使用該模塊時，才插入該模塊，以節(jié)約系統(tǒng)成本。

4G 通訊方式可將數(shù)據(jù)直接傳輸至監(jiān)控中心；而LoRa 通訊和RS485 通訊方式主要用于局域組網(wǎng)，對于無4G 信號的安裝地點，如地下室，可通過LoRa 或RS485 通訊的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至具有4G通訊功能的上級網(wǎng)關(guān)，由上級網(wǎng)關(guān)傳輸至監(jiān)控中心。

2.3 其它模塊

系統(tǒng)還設(shè)計聲光提示、功能撥碼以及調(diào)試串口模塊，模塊功能與信息傳輸設(shè)備中的相應(yīng)模塊功能類似。

3 基于NB-IoT 的消防物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

消防設(shè)施中，有些設(shè)施數(shù)據(jù)一般不會發(fā)生突變或變化較為緩慢，例如樓頂消防水池的液位、樓層管網(wǎng)末端的水壓等，無需對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集；同時所在位置取電、布線較為困難，為方便施工，要求采集終端能夠自行供電。為此，設(shè)計了基于NB-IoT通訊的消防物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，系統(tǒng)以STM8L052 芯片為核心，采用2 節(jié)3.6 V 鋰電池供電，系統(tǒng)硬件功能框圖如圖3所示。

圖3 基于NB-IoT 的消防物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能框圖Fig.3 Function block diagram of IoT gateway based on NB-IoT

系統(tǒng)將采集通道縮減至2 通道模擬量和2 通道開關(guān)量，這已基本滿足上述場景的測量需求；在傳輸方式上，設(shè)計NB-IoT 通訊方式，其具有的低功耗、廣覆蓋等優(yōu)點[10]，非常適合電池供電場景下的小量數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)一般情況下處于休眠模式，以降低功耗，延長電池使用壽命。使用周期性喚醒的方式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性采集。為提高數(shù)據(jù)采集的實時性，可以縮短采集周期，但這也加大了系統(tǒng)功耗。一個可行的辦法是，使用配套的開關(guān)量信號進(jìn)行輔助監(jiān)測。例如，在監(jiān)測水池液位時，同時增加一液位開關(guān)傳感器，當(dāng)液位低于特定值時，液位開關(guān)傳感器動作，通過GPIO 中斷方式可將CPU 從休眠模式中即時喚醒，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在保證系統(tǒng)功耗需求的同時，也提高了監(jiān)測的實時性。

4 結(jié)語

對建筑物內(nèi)各消防設(shè)施運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，有利于對火情的及時獲取、隱患的及時排查。本文設(shè)計的多接口協(xié)議信息傳輸裝置、基于4G 通訊和NB-IoT 通訊的消防物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，從不同的監(jiān)控對象、應(yīng)用場景、監(jiān)控需求角度出發(fā)，完成對建筑物內(nèi)各類消防設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測。目前，整套系統(tǒng)已投入項目使用，應(yīng)用效果良好。