一种基于NB-IoT的智慧消防监测预警系统

秦立辰，陈付龙，程桂花，刘志超，熊 鲲，王旭阳，高安可

（安徽师范大学，安徽 芜湖 241002）

0 引 言

随着我国经济的快速发展，人民生活水平的日益提高，越来越多的人意识到消防安全的重要性。近年来，由于消防安全管理受到政府政策与资金的大力支持，法律法规徐徐出台，消防技术日趋完善与规范，预警和处理火灾的消防设施生产技术有很大进步。随着物联网技术的逐渐发展与成熟，底层感知技术越来越精细，无线传输设备的信息传输越发稳定而多样（如LoRa、NB-IoT等），智能终端设备功能日益强大，智慧消防在此契机下得以崭露头角。

所谓智慧消防，就是利用物联网、移动“互联网+”等最新技术，配合大数据云计算平台、火警智能研判等专业应用，实现城市消防的智能化，提高信息传递的效率，保障消防设施的完好率，改善执法及管理效果，增强救援能力，降低火灾发生概率及损失。作为消防行业发展的新方向，智慧消防在为防火监督管理和灭火救援提供数据支撑、提高社会化消防监督与管理水平、提升现代化智慧城市综合防火能力等方面，具有良好的社会效益和应用前景。

1 NB-IoT与LoRa的优缺点分析

1.1 NB-IoT的优缺点

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）是IoT领域基于蜂窝的窄带物联网的一种新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWA）。NB-IoT技术根据超窄带、反复传输、精简网络协议等原理，通过牺牲一定速率、时延和移动本能，去获取面向低功耗广域物联网的承载能力，主要有以下优点：

（1）海量接入：相同基站覆盖条件下，NB-IoT技术是其他无线技能接入数的50～100倍，每个扇区能够保证接入10万个终端。

（2）功耗较低：针对许多使用电池供电的设备和环境，NB-IoT的低功耗特性能够保证设备续航时间，从几个月大幅提升到几年，大大降低频繁更换电池带来的不便。

（3）覆盖超强：NB-IoT的覆盖能力是LTE的100倍，不但能够满足地广人稀地区的大范围覆盖需求，同样适用于对深度覆盖有要求的地下应用。

（4）成本低廉：由于选取授权频段上的蜂窝网络技能，NB-IoT无须重新建网，射频和天线也基本上都能够复用；再加上NB-IoT低功耗、低带宽和低速率的特性，同样降低了芯片和模组成本。

同时，NB-IoT还具有如下缺点：

（1）数据传输少：基于低功耗，导致NB-IoT只能传输少量数据。

（2）通信成本高：除了NB-IoT通信模块的价格，运营商还将收取运营费用。

（3）技术并不成熟：虽然NB-IoT技术被大范围应用，但在实际应用过程中经常出现各类故障，导致通信中断。

（4）对接平台问题：电信的IoT平台走的是CoPA协议，CoPA 协议对接方面复杂，为兼容传统TCP、UDP通信等，经常导致施工时间过长。

由于我国企业更多掌握NB-IoT技术专利，我国从政策角度更倾向于发展NB-IoT。工信部发布的关于NB-IoT建设规划表示，在2020年之前国内将建设超过150万个NB-IoT基站，连接数突破6亿。因此，NB-IoT在中国发展环境友好。

1.2 LoRa 的优缺点

LoRa（Long Range Radio）即远距离无线电，是 Semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，其最大特点是在同样的功耗条件下比其他无线方式的传播距离更远，实现了低功耗和远距离的统一。它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3～5倍。

LoRa网络主要由终端（可内置LoRa模块）、网关（或称基站）、网络服务器以及应用服务器组成，应用数据可双向传输；其终端节点可以是各种设备，比如水表、气表、烟雾报警器、宠物跟踪器等。本项目的LoRa终端节点为各个传感器，这些节点通过LoRa无线通信的网关连接；再通过4G网络或者以太网络，连接到网络服务器中。LoRa 网关与网络服务器之间通过TCP/IP 协议通信。

LoRaWAN 网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中LoRa 网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关之间均是双向通信。

LoRa网络具有传输距离远、工作功耗低、组网节点多、抗干扰性强、低成本等特点，其在生活中应用范围广，包括智慧建筑、智慧工业、智慧物流等方面。当然它也有如下缺点：（1）随着LoRa的不断发展，设备和网络部署的不断增多导致相互之间出现一定的频谱干扰；（2）在布设LoRa 过程中，需要用户自己组建网络；（3）LoRa 传输数据有效负载较小，有字节限制。

本项目在如图1所示的模型中将NB-IoT和LoRa相结合部署于传输层，用来传递信息。与3G/4G和WiFi不同的是，NB-IoT和LoRa是低功耗广域网，是一种可以实现低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网通信技术。在本项目中二者都作为全系列物联网探测器。NB-IoT与LoRa的多性能对比见表1所列。

表1 NB-IoT与LoRa的多性能对比

图1 系统灾情感知、反馈模型

2 系统模型

本系统设计体系可描述为三层结构：感知层、传输层、处理层，如图2所示。系统中使用温湿度、烟雾、可燃性气体、红外等多种传感器采集现场数据。终端节点按时序将采集到的数据发向网关节点，网关节点会对数据进行融合和简单处理，再通过远程传输的方式选择性地发给云服务器。当计算结果高于紧急火灾预警阈值时单片机自动运行灭火事件，驱动继电器打开灭火弹等灭火装置进行灭火。为了方便观察，采用网页以及微信小程序实时显示各种数据。采用LoRa与NB-IoT无线通信模块相结合的方式解决如地下车库等场景通信信号不佳的实际问题。

图2 系统三层架构示意图

2.1 感知层

终端节点连接设备：温湿度传感器、烟雾传感器、气体传感器、一个 LoRa、多个继电器。

感知层主要通过单片机连接多种传感器设备对实地环境进行实时监测，同时连接一个LoRa作为无线传输模块进行各节点之间的交互。在现场配有消防弹、喷水器等灭火装置，将它们用继电器作为开关与单片机相连。一旦发生火灾时，单片机采集到传感器发来的数据会超出警报阈值，单片机立刻进行火灾事件处理，用LoRa发出火灾预警指令，并驱动自己管辖范围内的灭火装置进行灭火。

2.2 传输层

网关节点连接设备：一个LoRa、一个NB-IoT。

传输层主要进行实地与云服务器的远程信息交互，分为上行和下行两条链路。上行时，终端节点将自己采集到的数据通过LoRa发送给网关节点，网关节点上的LoRa用于接收各节点发来的数据；NB-IoT作为网关与云服务器建立UDP连接，将整合、处理后的数据发送给云服务器。下行时，NB模块与云服务器建立UDP连接，云服务器将要下发的指令发送给NB模块，NB模块收到指令后再交给网关节点，由网关节点通过LoRa向对应的终端节点发送对应的指令。

2.3 处理层

处理层主要对网关节点接收到的数据进行存储与实时处理，并将处理结果反馈到Web端或终端设备的微信小程序上，方便管理员进行实时处理。

3 系统功能

3.1 产品功能应用流程

项目系统主要功能有实时采集底层环境信息、融合底层数据选择性上报、实时远程上传数据、实时远程下发指令、自动感知火灾、自动灭火，如图3所示。

图3 系统功能流程展示

（1）实时采集底层环境信息

项目使用温湿度、烟雾、气体等多种传感器采集现场数据，传感器起到了对环境数据实时监控的作用。

（2）融合底层数据选择性上报

终端节点按时序将采集到的数据发向网关节点，网关节点会对数据进行融合和简单处理，再通过远程传输的方式选择性地发给云服务器，从而达到尽可能减少能量消耗和降低时延的目的。

（3）实时远程上传数据

传输层主要进行实地与云服务器的远程信息交互，分为上行和下行两条链路。对于上行链路，网关节点使用NB模块，采用UDP连接与云服务器进行实时通信，将融合后的数据按存储格式发给云服务器。为防止NB掉出网络，模拟4G的连接方式向基站不断发送心跳包维持通信链路。

（4）实时远程下发指令

对于传输层与云服务器的下层链路交互，网关节点使用NB模块，采用UDP连接与云服务器进行实时通信。当用户需要远程控制灭火装置进行灭火时，通过点击按钮触发云服务器向NB模块发送对应指令，实现实时下发指令的功能。为防止NB掉出网络，模拟4G的连接方式向基站不断发送心跳包维持通信链路。

（5）自动感知火灾

将温湿度、气体、烟雾等传感器采集到的数据按一定的权重累加计算，得出火灾发生的概率；设定一个警报阈值，当计算结果高于警报阈值时上报火灾。

在消防设备部署完成后，用户可以登录微信小程序或者网页去查看部署地点的火灾等级以及传感器接收到的信息，后端会根据收集到的信息自动判断火灾等级，最高为一级，最低为五级。当火灾等级为较高的一级、二级时系统会给用户发预警信息，用户可以调用预设地点的摄像头查看是否发生火灾，由用户自己判断是否需要灭火；当火灾等级较高时，系统会自动下发执行灭火指令。

（6）自动灭火

当计算结果高于紧急火灾预警阈值时单片机自动运行灭火事件，驱动继电器打开灭火弹、喷淋设备等灭火装置进行灭火。

通过以上分析可以得出，本产品中采用的LoRa与NB-IoT无线通信模块相结合的专业技术，使本产品可以适用于更多场景环境；产品设计中采用的三层结构，也是该产品能够完成检测数据、处理灾情等一系列功能的结构支撑。

本产品相较于市面上主要侧重于网格化管理、消防智能设备应用和管理的传统智慧消防系统，共同的趋势是往大数据方面进行演变，但是将物联网、云计算、大数据和人工智能进行综合后，可以应用到更多领域，例如配电箱、仓库、消防或军事演习等。

3.2 火情检测的网页端反馈

本系统中的网页前端主要采用HTML+CSS+JS+Vue进行搭建，柱形图、饼状图、折线图采用Echarts插件进行绘制，部分点击动画和背景动画采用JQuery；后端采用Flask，数据库采用MySQL，前端展示数据库。云端服务器采用Tomcat进行部署。

登录“智慧消防平台”Web页面以后，界面左上角有五个模块，分别为数据采集、实时监控、数据分析、设备管理、管理员列表。在如图4所示的数据采集模块界面有芜湖市地图的行政区划，点击各分块区划可分块查看各区的火情数据；左下方是应用场景，右下方分别有对应各场景的报警记录和历史数据的链接，界面右边有报警记录以及关于处理数、报警数的记录。

图4 数据采集模块

3.3 设备的安装及应用

3.3.1 安装环境要求

本产品的安装环境要求：该地区已经有NB信号的覆盖，能提供正常220 V家用电压，属于火灾易发区域等。

3.3.2 安装过程

本产品安装简单，只须将单片机、通信模块（NB、LoRa）、各种传感器封装到消防塑料盒中，将消防塑料盒和灭火弹设施固定在火灾易发处即可。

3.3.3 主要使用流程

在消防设备部署完成后，用户可以登录微信小程序或者网页去查看部署地点的火灾等级以及传感器接收到的信息，后端会根据收集到的信息自动判断火灾等级，最高为一级，最低为五级。当火灾等级为较高的一级、二级时系统会给用户发预警信息，用户可以调用预设地点的摄像头查看是否发生火灾，由用户自己判断是否需要灭火；当火灾等级较高时，系统会自动下发执行灭火指令。

4 结 语

随着近年来物联网技术的发展愈发蓬勃，底层感知技术越来越精细，无线传输设备的信息传输越发稳定多样，智能终端设备功能日益强大，在此背景下智慧消防应运而生。本文设计了一种基于NB-IoT的智慧消防监测预警系统，系统中采集环境数据的传感器起到了实时监控的作用，单片机、LoRa以及一系列灭火装置起到了对环境数据的判断感知、采取灭火操作等一些列措施的作用，如环境遇突发火情时可以得到及时有效的控制。为防止机器误判，本系统具有人为干预的功能，将火情监测结果反馈至终端，方便管理员进行清晰观察与干预操作。系统结合NB-IoT与LoRa，能够适应多种场景，包括地下车库等信号差的环境。综述全文，本系统具有实时性强、精准度高、功能多样、配置方便、操作简易的特点，可部署于多类场景进行广泛应用。