基于窄带物联网的消防报警数据传输系统设计

上汽通用汽车有限公司 陶玉灵

上海海事大学 耿 烜 孟 丽

本文基于窄带物联网（NB-IOT）的传输架构，以EVB_M1开发板为基础，设计了消防报警数据的传输系统方案，经过测试，该系统可以实现报警数据上传与指令下载，并可以在消防管理信息系统中进行应用。

1 引言

物联网是世间万物的相互联系形成的一种网络，并通过各种信息传感设备实现物品之间的网络信息共享，物联网来源于Internet of things一词，具备典型的垂直行业特性。由于物联网具有全面感知、可靠传送和智能化处理的特点，使其特别适用于消防报警、故障处理等消防设施信息管理系统。因此，本文重点研究消防报警数据经过物联网传输的系统设计方案。

通信技术是物联网的基础，通过不同场景的通信技术把传感器采集的数据传至后台服务器，可以进行统一的管理与应用。一般来说，通信技术依网络覆盖距离分为两类：一类是覆盖范围小的通信技术，如：ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术，另一类是广域网通信技术，包括UMTS、GSM、LTE等成熟的蜂窝网络技术，以及LPWAN技术。在低功耗广域网中又分为两类：一类是属于授权频段，如：3GPP标准定义的一种窄带物联网（NB-IOT）技术、eMTC国际标准等。另一类则属于非授权频段的技术，如：LoRa、SIGFOX等。目前，NB-IOT技术已在电信运营蜂窝网络中构建，根据《关于全面推进移动互联网（NB-IOT）建设发展的通知》通告中提出到2020年，NB-IOT网络要实现全覆盖，对于室内，交通路网，地下管道等应用实现深度覆盖，基站数量达到150万个。因此，NB-IOT网络在未来物联网应用中将具备强有力的竞争优势。

本文以NB-IOT为基础，设计了消防报警数据在NB-IOT网络中传输的整体实现架构，对基于NB-IOT协议的开发板进行了设置与二次开发，通过数据测试，最终可实现报警数据的上传与消息指令的下载功能，完成了整体数据传输的设计。

2 传输方案设计

2.1 NB-IOT数据传输架构

本系统中设计采用NB-IOT模组实现消防报警数据远程传输，对于窄带物联网产品来说，无需安装配置，支持自动登记设备，采集的数据通过NB-IOT基站进行传输。NB-IOT智能传输的架构如图1所示。其架构是由嵌入NB-IOT模组的消防报警器、NB-IOT基站、IOT平台、应用服务器和客户端软件等组成。

图1 NB-IOT消防报警数据传输架构

2.2 EVB_M1开发板应用

本文硬件方面选用了物联网俱乐部开发的EVB_M1开发板，如图2所示，EVB_M1是基于UDP协议数据接发测试的，以MCU为主控芯片的硬件设计核心，采用了BC95模组的NB-IOT开发板，该模组支持NB-IOT通信标准，硬件通讯接口为UART，波特率一般设置为9600/15200bps，调试串口约为921600bps，信号电平3.0V并通过AT指令控制。BC95模组在设计上兼容了GSM/GPRS系列的M35 R2.0模块，有利于产品的快速使用，易于升级，并提供完善的短信和数据传输服务。

图2 EVB_M1开发板功能模块

以BC95模块为核心构成的EVB_M1开发板，在设计中的应用主要分为两类：1)南向终端：包含计量数据处理传感器、无线传输模块和高精确计量仪表，通过CoAP协议实现与华为平台的数据交互，并通过NB-IOT网络与华为的OceanConnect物联网平台进行连接，从而上报报警数据的状态信息；2)北向应用：实现了终端的配置、数据订阅等功能，主要是通过调用OceanConnect物联网平台的北向API，实现对终端设备的管理和数据采集等。

2.3 数据的采集和传输

NB-IOT数据传输方式是由NB-IOT终端对用户的报警数据进行采集，然后把采集到的数据通过NB-IOT模组传送到基站，基站将这些数据上传到后端服务器，方便用户获取相关信息。在数据传到基站这个过程，是将数据进行多次重复传送来确保数据的精确性，可解决以往数据传输过程中的误传和不准确等问题。

2.3.1 数据采集

对于采集终端来说，初始化完成之后MCU芯片进入低功耗模式等待唤醒，此刻BC95模块处于idel和PSM模式，当终端有数据上报请求时，芯片休眠结束，开始采集报警信息并发送给NB-IOT通讯模块，在数据包发送完成之后，再次进入休眠状态等待下一次唤醒，通信模块收到数据之后通过AT指令将数据信息传送到NB-IOT基站，图3为采集终端的具体流程。

BC95模组开机步骤一般包含以下几点：1)通过给模组上电，初始化USIM卡；2)开始对小区的信号进行搜索；3)搜索到NB网络时，开始进入连接状态；4)激活PDN，获取IP地址；5)开始建立用户数据链接，收发用户数据；6)无数据交互时，开始进入idel、PSM状态；7)等待上发用户数据，或再次进入连接状态。

2.3.2 数据传输

用户获取的信息是通过数据传输，即通过采集终端和数据库之间通信链路实现的，数据的传输所涉及的内容包括通讯的开始、参数的设置、采集数据的消息指令、采集结果及关闭通讯链路等，如图4为数据传输的流程图。

图3 数据采集终端流程图

图4 数据传输流程

在本系统中，采集的数据直接从报警器直达数据平台，并在后台服务器上进行数据的处理等操作，数据的传输是通过串口助手QCOM_V1.6发送AT指令实现对BC95模组的调试，此时的波特率为9600，其他参数设定后即可进行操作，配置过程如图5所示。

图5 EVB_M1软件的调试和配置

3 数据收发功能测试

对于NB-IOT模组的测试，是通过AT指令进行的。测试准备工具包含以下几个方面：1)BC95-B5的转接模块；2)BC95转接板USB适配底座；3)NB-IOT专用测试卡；4)串口调试工具；5)UDP网络测试工具；6)VPS服务器及笔记本，用于串口的调试使用。图6表示命令下发界面，根据页面提示进行命令参数的设置并对设备进行数据的发送请求测试。

图6 命令下发页面

图7表示数据上报页面，根据命令下发来实现数据的发送状态，显示的是数据格式和发送时间。当出现历史命令页面时，表明该模块进入了idel/PSM状态，再一次进行数据上报操作即可进入连接状态。

图7 数据上报页面

经过以上测试，该系统可以实现采集数据的上传与指令下载。

4 结论

本文设计了一种基于NB-IOT的消防报警数据传输系统，使用以BC95模块为核心的EVB_M1开发板，通过对数据采集和传输功能的设计与开发，实现了消防报警信号通过窄带物联网的无线传 输功能，具有稳定、安全的传输特点，将是窄带物联网在消防安全领域中的一类重要应用。