基于物联网络的无线智能消防炮控制系统

秦洪伟，邓成中

(西华大学机械工程学院，四川 成都 610039)

目前，智能消防炮的通信控制方式主要是现场总线通信，如RS485总线通信、CAN总线通信等。基于现场总线的控制方式一般是通过主从设备的外围通信接口间点对点的有线连接及软件制定通信协议，实现多机间的全双工通信。现场总线通信方式具有硬件成本较低、系统结构简单、近距离传输可靠和速率较高的特点。由于受现场线路距离和现场复杂环境的限制，该通信方式一般适用小范围和对灭火要求不高的场合[1]。无线射频通信控制不仅有现场总线通信的大部分优势，而且其信息输送范围不受线路限制，能够在现场着火的情况下，顺利地将信息传输至外部控制设备；但无线射频通信在大范围数据传送过程中容易发生延迟和丢失，当多个从机设备向主机发送数据时容易产生数据丢失和乱码，最后造成控制失常。为解决当前智能消防炮通信控制存在的弊端，笔者设计了一种基于物联网的智能消防炮通信控制系统，利用433 MHz无线射频通信技术、防碰撞协议和主从机安全认证协议实现控制系统的数据交换和传输。该系统很好地解决了大范围内无线通信的数据丢失、乱码和信号延迟的问题。

1 系统结构的组成

如图1所示，该系统的组成主要包括消防炮控制单元、无线数据收发器和中控平台。

消防炮控制单元主要实现火焰探测、炮口位置调整、喷水电磁阀开关控制及报警装置的启动[2]；无线数据收发器主要实现消防炮控制单元端和中控平台端的数据接收和发送；中控平台主要负责对消防炮传回的数据进行分析，并根据分析结果选择相应的控制策略。

图1 系统整体结构组成示意图

消防炮控制单元采集火焰信号、消防炮位置、故障信号和视频图像信号等信息，通过有线数据交换方式传送至消防炮控制单元端的无线数据收发器；该收发器将数据通过无线通信方式发送至中控平台端的无线数据收发器；中控平台端的无线数据收发器将接收到的数据通过有线数据交换方式发送至中控平台；中控平台对接收到的数据进行分析处理，然后根据预制策略自动选择控制指令，并通过无线数据收发器将指令传输到消防炮控制单元，从而实现对消防炮的控制。

2 物联网络系统硬件设计

在此系统中，笔者采用了STM8S单片机作为无线数据收发器的主控制器。STM8S系列单片机具有增强型的全双工高速同步/异步串口，具有硬件自动校验功能，这为主从机间高速可靠的数据传输提供了必要的前提条件。STM8S单片机还具有多种低功耗模式，外设的时钟可单独关闭，并可在1.65～5.5 V的宽电压范围运行，能够满足消防炮控制系统在内部电源供电的情况下实现低功耗信号传输的要求。通过设置STM8S单片机输出摆率控制抑制EMC干扰，从而提高工作在复杂恶劣环境下的控制器的抗干扰能力[3]。在无线通信芯片方面，笔者采用了美国Silicon Labs公司原装进口的SI4463射频芯片。它具有接收灵敏度高、抗干扰性强、传输距离远、穿透绕射能力强[3]等特点。

如图2所示，消防炮控制单元硬件的组成包括电源管理模块、无线收发器模块、主控制器模块、火焰探测模块、消防炮俯仰和水平电机控制模块、火灾报警模块。电源管理模块由直流24 V电源输入并输出24、5和3.3 V电压以满足各模块对电源电压的要求。

图2 消防炮控制单元硬件结构框图

中控平台硬件的组成包括电源管理模块、无线收发器模块、主控制器模块、火焰报警模块、状态显示模块、控制按键模块和显示器模块[4]，如图3所示。显示器模块主要显示当前各消防炮单元工作状态；状态显示模块通过指示灯显示当前中控平台工作状态；控制按键模块可实现手动远程控制消防炮。

无线通信模块硬件电路如图4所示，在本设计中根据SI4463芯片官方手册对芯片的电气特性要求[5]，模块采用DC3.3V供电，主控与模块间，选用SPI实现交互通信。为提高SI4463输出功率(可达20 dB)，选取电子开关芯片UPG2214TB进行发送和接收切换(在操作芯片的过程中通过软件控制GPIO2和GPIO3切换，若不切换，输出功率会降低到17 dB)。另外，本模块与STM8SF103P采用硬件SPI通信，在图2中SCLK、SDO、SDI、nSEL分别对应连接STM8SF103P的SPI时钟引脚、SPI数据输出引脚、SPI数据输入引脚、模块片选输出引脚。

图3 中控平台硬件结构框图

图4 无线通信模块硬件电路

3 物联网络系统程序设计

程序部分采用模块化设计，应用C语言进行开发。主要由4部分组成：主程序控制模块、通信控制程序模块、外围硬件控制程序模块、中断处理程序模块。主程序控制模块主要完成各个模块的初始化和参数配置；通信程序控制模块主要对SI4463芯片的参数配置、收发数据防碰撞协议和安全认证协议的处理；外围硬件控制模块主要对系统外部LED灯指示、按键处理和控制消防炮运动姿态电机及喷水电磁阀；中断处理主要处理系统中断。主程序及中断处理流程如图5所示。

主循环程序中主要配置了数据的发送、数据处理和中断使能控制。中断处理程序进行数据的接收处理和对接收的数据进行校验。当外部消防炮向主控制器发送数据时，主控制程序进入中断处理过程并进行数据接收处理。如果接收的数据验证通过，中断处理完毕并转入主循环处理环节。如果中断处理中的接收数据验证没有通过，则程序默认丢弃当前接收数据包，程序继续等待接收中断。

图5 主程序及中断流程图

4 物联网络无线通信程序设计

物联网络无线通信程序主要由2部分组成：SI4463模块驱动程序和无线通信协议程序。

4.1 模块驱动程序

通过官方提供的WDS软件，配置好模块关键参数，自动生成参数头文件[5]。通过官方提供的时序图，编写必要的驱动代码，如下：

SI446X_RESET();//SI4463模块复位

SI446X_CONFIG_INIT();//寄存器初始化

SI446X_SET_POWER(0x7F);//设置输出功率

SI446X_Start_RX(0,0, PACKET_LENGTH, 0, 0, 3);//进入接收模式

SI4463的参数配置主要采用WDS软件，设置好相应的内容后生成参数宏定义的头文件，在程序中只须将该头文件中的参数以相应的命令写入射频芯片即可完成配置。

4.2 物联网络通信协议设计

本文依据开放系统互联体系结构七层协议模型，采用了RFID三层简单的协议结构作为本系统的协议结构。RFID 通信系统由三层构成,自上而下依次为物理层、通信层和应用层，如图6所示。物理层的主要问题是电气信号问题[6],如频道分配、物理载波等,其中最重要的问题就是载波“切割”问题。

通信层定义了主从机间双向数据交换和指令的方式,其中需要解决的核心问题是多个从机同时访问一个主机时的冲突。应用层用于解决与最上层应用直接相关的内容,包括认证、识别以及应用层数据的表示、逻辑的处理等。现就以上3个层面对系统物理层的定义、通信层防冲突碰撞协议和应用层主从机安全协议进行设计。

1)物理层定义。

物理层主要定义了通信信道标准，433 MHz 短距离无线通信在国际上尚未形成统一的标准，各种标准定义的物理层也不尽相同。笔者为了提高数据的可靠传输，增大发射距离，采用了抗干扰能力强的曼切斯特(Manchester)编码，采用了高斯频移键控(GFSKGauss frequency Shift Keying)进行调制。对物理层的定义[7]如表1所示。

表1 通信物理层定义

在实际应用中，通过配置WDS软件生成物理层配置程序。工作频率(Base frequency)配置为433 MHz，如图7所示。

图7 物理层工作频率配置

调制模式(Modulation type)设置为高斯频移键控2GFSK，如图8所示。

图8 物理层调制模式配置

编码模式(Encoding type)设置为兼容曼切斯特(Manchester)和循环冗余校验(CRC)模式，如图9所示。

图9 物理层编码模式配置

2)主从机链路传输协议。

通信层控制着主从机间的数据交换过程，数据链路连接的建立和释放，容错控制，数据帧的定义与帧同步，帧数据传送的控制等。其中最为关键的是解决信号碰撞问题。信号碰撞是指多个通信通路竞争一个通信信道，造成主机无法准确判读从机，从机无法与主机建立链接。信号碰撞发生后会给无线信号链路带来信号传输失败、信号流失，甚至信号传输错误等严重问题。笔者根据分隙ALOHA算法的思路[8]，对其进行改进，让其适用于无线射频系统中。改进后的分隙ALOHA算法模型如图10所示。

图10 改进后的分隙ALOHA算法模型

其中，SYN为主机产生的同步时钟信号，T0为同步时钟信号的周期，从机i(1,…,n)的通信时间段长为Δt并可分为3个子时间片，τi为从机i收到主机同步时钟信号的时间段后的延迟时间。根据分隙原则，可以得出系统的各个呼叫器之间无碰撞冲突的条件[7]为：

该防碰撞协议的执行过程如下：

(1)主机产生的同步时钟信号的周期长度必须保证每个从机在时间段内都有1次通信机会，并且能够完成与主机的1次通信，其次，任意2个从机之间的通信时间片不能重叠，从而保证数据在传输时不发生碰撞；

(2)每个从机都要被分配一个固定的通信时间片，从机与主机的信息交互必须等到分配的时间片后才开始通信；

(3)为了提高通信的成功率，在每个时间片内，从机最多可向主机发送3次数据包；

(4)主机向所有从机通过广播发送同步时钟信号，每台从机设备收到同步时钟信号后开始计算属于自己的通信时间片，主机发送的同步时钟信号是按照周期发出的，必须保证2个同步时钟信号发送的时间间隔能够满足每个从机都能分配到足够长的通信时间片。

在系统程序设计中，主从机链路传输协议程序流程图如图11所示。当多台消防炮向中控台发出通信请求后，中控台程序通过判断当前周期T内的时间片，与对应时间片内的消防炮建立通信连接。只有对应时间片内的消防炮才能与中控台建立通信连接。当对应时间片内的消防炮与中控台通信完毕，中控台进入下一个时间片，依次与下一台消防炮建立通信连接。

图11 主从机链路传输协议流程图

3)主从机安全认证协议。

由于在本系统中消防炮中央控制器系统和各消防炮子系统间采用的是无线信道通信，这种广播特性易遭到恶意的信息截取俘获、数据注入、扰乱等攻击。这种广播特性的缺陷不仅会导致现场出现火情后消防炮无法正常工作，而且会让不法分子掌握主机控制权从而对生命和财产安全造成严重的威胁。为此，在不增加硬件成本的情况下，通过改进的T2MAP[9]能够满足本系统的安全认证级别要求，如图12所示。当然改进后的T2MAP协议算法并不比原T2MAP算法更优越，只是更加适用于本系统。

图12 改进T2MAP认证协议模型

该认证协议的具体程序设计流程如下：

(1)控制台向消防炮发送认证请求，控制台从ID数组(预先给每个消防炮从机分配的ID值数组)选取要呼叫的消防炮从机ID值并随机从随机密钥中抽取密钥，让ID号与随机密钥值异或运算后编码处理发送给消防炮从机；

(2)消防炮从机接收到主机加密密钥后，将接收到的加密密钥依次与IDi^KEYi比照，如果验证通过，则完成对中控台主机的认证；

(3)消防炮对中控台验证通过后，消防炮从机随机抽取密钥，让ID号与随机密钥值与运算编码处理后发送给中控台；

(4)中控台主机接收到消防炮加密密钥后，中控台主机将接收到的加密密钥依次与IDi^KEYi比照，如果验证通过，则完成消防炮从机认证；

(5)控制台主机和消防炮从机都验证通过后，系统允许双向通信。

5 系统测试与分析

为验证本文研制的无线智能消防炮控制系统的性能，搭建了如图13所示的硬件测试平台。

图13 无线智能消防炮控制系统测试平台

如图13所示，硬件测试平台组件包括主机无线收发器、笔记本电脑、2组消防炮从机无线数据收发器、供电电源等。为适应远距离测试，供电电源采用了普通手机充电宝。测试方法为：通过2组消防炮从机无线数据收发器同时向主机无线数据收发器发送数据，通过PC机端上位机对主机接收和发送的数据进行监控得出主机和从机间的通信距离、通信速率、通信丢包率。

1)通信距离测试。如图14所示，通信距离为1 108 m时(主机无线收发器与消防炮从机收发器2的距离)，设置通信速率为100 kb/s，通信比较稳定(丢包率<2%)。

图14 测试环境示图

2)防碰撞测试。如图15所示，当多组消防炮从机同时向中控台发送数据时，中控平台能够在对应的时间片内与对应的消防炮单元通信。

3)安全认证测试。利用图15所示测试环境，在中控台与消防炮单元建立通信连接的过程中，利用其他消防炮单元随机读取主机发送的数据，识别并发送通信请求。由于是随机数与ID值逻辑运算后产生的校验码，因此消防炮单元无法识别主机校验码。实验表明，即使网络攻击者获取了主机和从机间的认证协议也无法完成网络攻击。

图15 现场测试示图

6 结束语

笔者设计的基于物联网络的智能消防炮控制系统已应用于某消防改造项目中。在实际运行现场，主机和从机间通信距离远，传输数据误码率低，传输数据稳定可靠。在多个消防炮从机向主机同时发送数据的验证中，有效地避免了信号碰撞异常。该系统是对现有智能消防炮设备的改良，具有广阔的市场应用前景。

参 考 文 献

[1]闻名.无线遥控消防炮控制系统设计与实现[D].北京：中国科学院大学,2014.

[2]陈川,邓成中.基于RS-485的智能消防炮远程更新方法设计[J].西华大学学报(自然科学版),2015,34(3):26-29.

[3] ST Company.STM8S10xx_datasheet[EB/OL].(2009-05-12).[2017-09-19].http://www.stmcu.org/document/detail/index/id-200410.

[4]周勇,邓成中.自动消防炮定位显示控制系统[J].西华大学学报(自然科学版),2017,36(3):69-72.

[5]Silicon Laboratories.SI4463 ISM transceiver datasheet[EB/OL].(2012-11-20).[2017-09-19].https://www.silabs.com/documents/public/application-notes/AN805.pdf.

[6]石明明,鲁周迅.三种无线通信协议综述[J].通信技术,2011,44(7):72-73.

[7]邓自军.基于433M模组局域网协议的设计与实现[D].北京：北京邮电大学,2012.

[8] 单剑锋,陈明,谢建兵.基于ALOHA算法的RFID防碰撞技技术研究 [J].南京邮电大学学报(自然科学版),2013,33(1):56-61.

[9] 高利军.无线射频识别系统安全认证协议研究[D].天津：天津大学,2015.