城域LoRa物联专网在智慧消防水系统中的应用

汤奇峰

摘 要：上海部署城域LoRa物联专网支撑智慧城市建设，而智慧消防是智慧城市的重要组成部分。文章提出了基于城域LoRa物联专网的智慧消防水系统动态信息监测技术方案。通过感知层智能LoRa水压传感器、传输层LoRa网关、应用层智慧消防数据应用平台分别阐述技术结构和主要功能，然后给出具体应用案例。该系统技术方案满足了上海市工程建设规范《消防设施物联网系统技术标准（DG/TJ08-2251-2018）》技术要求，可复制推广，具有广阔的应用前景。

关键词：LoRa物联专网;智慧消防;智能LoRa水压传感器;LoRa网关;智慧消防数据应用平台;信息监测

中图分类号：TP39;TN919.5文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

2019年5月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于深化消防执法改革的意见》中第九条明确指出要推行消防监管“一网通办”，进一步强调运用物联网等技术，全时段、可视化、实时化、智能化实现消防安全差异化精准监管。全国全面开展智慧消防建设研究[1-3]。上海市专门建设部署了城域LoRa物联专网[4-5]，为智慧消防发展提供技术支撑。同时发布上海地方工程建设规范《消防设施物联网系统技术标准（DG/TJ08-2251-2018）》[6]。

消防水系统负责消防救援作战水资源的供给保障。消防水系统压力不足或者无水都将严重影响消防救援的灭火效果。目前，针对消防给水系统的压力监测与状态判断，主要依靠消防人员现场巡查、手动放水测试并记录数据的方式，所采用的监管技术水平与消防水系统重要地位严重不匹配。开展消防水系统压力状态信息监测技术研究与系统实现是智慧消防建设的迫切需求。

本文提出了基于城域LoRa物联专网的智慧消防水系统动态信息监测技术方案。通过感知层智能LoRa水压传感器、传输层LoRa网关、应用层智慧消防数据应用平台分别阐述其技术结构和主要功能，然后给出具体应用案例。系统的应用将极大地提升消防水系统精细化管理水平，助力智慧消防建設快速发展。

1 基于城域LoRa物联专网的智慧消防水系统动态信息监测技术

基于城域LoRa物联专网的智慧消防水系统动态信息监测技术运用LoRa低功耗、长距离等技术优势，通过在消防水系统中最不利点、环管、喷淋末端等位置安装部署智能LoRa水压传感器采集数据，之后通过LoRa网关传输汇聚至城域LoRa物联专网云平台，借助智慧消防数据应用平台实现消防水系统动态信息监测，从而提高消防水系统的信息化水平。

1.1 系统架构

基于城域LoRa物联专网的智慧消防水系统动态信息监测技术系统架构如图1所示。系统主要分为感知层、传输层和应用层三部分。

（1）感知层由智能LoRa水压传感器构成，利用LoRa模组采用无线通信方式实现感知数据的发送。

（2）传输层由LoRa网关构成，网关采用先进的LoRaWAN低功耗广域无线网络技术，保障数据的可靠传输。

（3）应用层由智慧消防数据应用平台构成，主要包含统一数据接口模块和应用服务模块，是集设备管理和数据应用于一体的服务平台，授权管理人员可通过PC端、手机APP等方式实现设备管理和数据查询应用。

1.2 智能LoRa水压传感器

智能LoRa水压传感器[7]负责消防水系统压力状态信息智能化感知。其核心组成部分包括压力采集变送器、数据处理单元、LoRa通信模块和高密度电池。压力采集变送器负责压力物理信息采集;数据处理单元负责采集数据的智能化处理;LoRa通信模块负责感知数据的无线发送;高密度电池负责智能LoRa水压传感器的能源供给。

在有限的高密度电池容量下，为了实现智能LoRa水压传感器不低于3年的持续工作时间和智能化数据感知，智能LoRa水压传感器的主要技术突破在动态资源管理技术和多维特征提取技术两个方面。

动态资源管理技术主要采用开关电路设计，确保传感器业务需求不频繁的任务处于间歇式工作模式;利用比较电路，保障主控模块的唤醒功能;设计低主频预启动，高主频处理核心计算任务唤醒机制;结合无线信道及通信链路的忙闲感知及切换，发射功率及速率自适应调整等自适应通信机制组合，实现低功耗下的高效通信，延长产品续航周期。动态资源管理波形如图2所示。

多维特征提取技术利用滑动平均滤波算法，在一维均值计算基础上[8]，通过压差、方差、方差倍数3个维度上的计算与分析，结合训练得到的各维度门限值进行综合判断，形成智能LoRa水压传感器多维特征提取智能化算法[9]，在提供消防水系统监测点处水压基础值[10]的同时，实现对监测点 “超压”“失压”“正常”等状态切换的判断[11]。多维特征提取方程核心表达式如下：

式中：N表示滤波器宽度;n表示第n时刻;y （tk）为第tk个采样值。

1.3 LoRa网关

LoRa网关基于LoRaWAN协议，内置Semtech高性能多通道收发器SX1308和MTK平台，可通过以太网或WiFi连接到城域LoRaWAN云服务器。LoRa网关包括AP，STA和PPPoE共3种模式。

LoRa网关主要具有以下优点，能够满足智慧消防水系统动态信息监测应用需求。

（1）高灵敏度：LoRa网关最大输出功率为27 dBm，在300 b/s速率下灵敏度可达到-141 dBm。

（2）支持半双工模式：上行链路具有SF7至SF12，

125 kHz 的8个多扩频因子信道，1个单扩频因子的高速数据传输信道和1个GFSK信道;下行链路具有1个

125 kHz/250 kHz/500 kHz LoRa，或可配置GFSK信道。

（3）工作频段灵活：434 MHz/470 MHz/510 MHz/780 MHz/868 MHz/915 MHz可选。

（4）通信速率多样化：通信数据速率292 b/s?50 Kb/s，支持LoRaWAN Class A/C。

1.4 智慧消防数据应用平台

智慧消防数据应用平台采用典型的B/S架构，平台主要由统一数据接口模块和应用服务模块组成。

统一数据接口模块负责信息的清洗、排队和分发，实现数据接收与缓存和远程参数配置执行等功能。

应用服务模块实现远程参数配置、设备状态监测、数据查询展示等功能。

服务器端基于KOA2框架实现，在客户端请求服务器提供服务时，采用池技术、负载均衡、中间件等技术提高访问效率，应对高速并发。采用MVC模型将程序代码进行合理分层，提高程序的可读性、健壮性和扩展性。

统一数据接口模块主要由消息中间件和事件流引擎组成，负责维护与LoRa网关之间的通信接口和后台参数配置信息下发进程。

消息中间件负责向上的数据接收、清洗和验证，向下的配置和终端设备链接管理工作。事件引擎根据配置的相关规则，将事件分发给服务模块、业务逻辑和数据中心。紧急告警事件由事件引擎快速推送给对应模块，保證事件的实效性。设备运行实时状态信息，由事件引擎建立一条点对点推送链路，将信息通过业务逻辑单元推送到应用服务模块，展示给相关用户，无需存储在数据中心，以减少数据中心的压力。

应用服务模块主要由业务逻辑、数据中心和业务展现服务三部分组成。

业务逻辑负责运行设定的规则和模型。数据中心负责全局数据调度。业务展现服务采用VUE框架和HTML，CSS，JavaScript等技术实现，提供远程人机交互接口，通过自适应界面技术，提高用户在使用浏览器操作时的体验，并集成高德地图插件，通过地图信息技术显示智能LoRa水压传感器的位置和状态等关键信息，为用户提供简洁的一图展示功能。

2 应用案例

在上海市政府指导下，依据上海市经济和信息化委员会发布的《新型城域物联专网建设导则（2018版）》[12]，上海联数物联网有限公司作为上海市城域LoRa物联专网的主体建设单位，承建了上海市静安区、杨浦区等多区城域LoRa物联专网网络覆盖，保障了上海市公共管理、公共安全、公共服务等多场景基于城域LoRa物联专网的智慧城市应用落地。

基于城域LoRa物联专网的智慧消防水系统动态信息监测系统是上海市智慧城市建设公共安全领域的重要组成部分。在上海市科学技术委员会专项资助下，由上海联数物联网有限公司联合中国科学院上海微系统与信息技术研究所共同开展技术攻关和应用落地，最终形成典型智慧城市应用案例。

消防水系统主要包括喷淋报警阀组控制的最不利点、喷淋系统末端、消防水泵进水管网、消防水泵出水管网等。通过在上述位置安装部署智能LoRa水压传感器，实现安装点位的压力状态感知。智能LoRa水压传感器采集的水压状态信息通过LoRa网关传输汇聚至城域LoRa物联专网云平台。智能LoRa水压传感器在消防水系统的安装部署如图3所示。

智慧消防数据应用平台通过统一数据接口模块与城域LoRa物联专网云平台通信，通过应用服务模块完成业务逻辑、数据调度和业务图展示。基于城域LoRa物联专网的智慧消防水系统动态信息监测系统平台如图4所示。

基于城域LoRa物联专网的智慧消防水系统动态信息监测系统实现了消防水系统的动态信息实时感知和管理应用图展示，提升了消防水系统的精准管理能力，为智慧消防建设提供有力的技术支撑。

3 结 语

本文给出了基于城域LoRa物联专网的智慧消防水系统动态信息监测技术方案。通过在消防水系统中最不利点、环管、喷淋末端等位置安装部署智能LoRa水压传感器采集数据，通过LoRa网关传输汇聚至城域LoRa物联专网云平台，通过智慧消防数据应用平台实现消防水系统动态信息监测，从而提高消防水系统的信息化水平，助力智慧城市公共安全领域建设。该系统技术方案满足了上海市工程建设规范《消防设施物联网系统技术标准（DG/TJ08-2251-2018））》技术要求，可复制推广，具有广阔的应用前景。

参考文献

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[6]上海市住房和城乡建设管理委员会.DG/TJ08-2251-2018消防设施物联网系统技术标准[S].上海：同济大学出版社，2018.

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[10]朱磊基，熊勇，赵建龙，等.一种基于水压采样数据的供水管网状态监测方法及装置：中国，ZL201611097020.0[P].2019-04-12.

[11]熊勇，赵建龙，楼亮亮，等. 一种水压状态检测及转移方法及其实现装置：中国，ZL201710172470.X[P].2019-04-02.

[12]上海市经济和信息化委员.新型城域物联专网建设导则（2018版）[Z].2018.