火灾报警系统用户信息远程传输装置设计*

唐珺 蔡卫平 张涛 黄伟

1.九江职业技术学院电气工程学院；2.北京华晟经世信息技术股份有限公司九江分部

针对国内现有火灾报警系统品牌多、型号繁杂、各厂商之间无法数据共享互联互通等问题，设计了一款基于窄带物联网的火灾报警系统用户信息远程传输装置。该产品可以将不同厂家不同型号的消防设备接入消防云平台，从而实现这些设备的互联互通，为消防安全管理提供便利。

目前国内的火灾报警系统主要依赖于传统的火灾告警主机，主要作用是监控管理本地的消防设备，例如手动火灾报警按钮、烟雾报警器、消防栓等。传统的做法是通过485总线将这些设备串联起来并入消防报警主机控制器来进行管理，并由消防控制人员进行监控，对发生的一些消防报警事件进行处理。

但是目前这种形式存在很多弊端，（1）是该类系统往往都是独立运行,即所谓的单机版，由消控室人员进行独立管理和处理，报警信息无法有效地汇入消防局进行管控，给消防管理人员造成很大的困扰。（2）是即使有部分厂家提供了远程云平台传输装置，各个厂家也是不兼容的，只能用于自己厂家的设备，而目前市面上的消防报警主机控制器来自几十种厂商，想要做到“互联互通”也非常困难。本文介绍的火灾报警系统采用窄带物 联 网(NBIoT, Narrow Band Internet of Things)技术,将所有消防设备统一接入到消防云平台，从而实现不同厂家不同型号的消防设备“互联互通”，便于消防部门集中管理。

1 功能需求与系统架构设计

1.1 后台管理主要功能分析

根据用户的需求，本系统设计的后台管理功能分为监测中心、物联设施、维保管理等7个模块，各模块功能描述如表1所示。

表1 平台后台管理功能Tab.1 Platform background management function

1.2 接口及性能需求

（1）硬件接口：设备支持2组485接口、2组232接口、1组CAN总线接口以及打印机接口，这些接口都可以适配接入不同厂家的消防控制主机。

（2）云端设备接口：用户信息传输装置接入云端的相关接口。

（3）云端应用接口：应用程序数据后台接入云端应用接口，采集设备数据缓冲在云端，采用基于发布与订阅模式。

（4）内部接口：后台支撑系统提供给网页或App端接口。

满足高并发及高可用需求，具体并发参数指标待评估，架构设计能满足并发指标的动态变化，灵活热插拔式增加节点来扩展并发及高可用要求，同时需要保证服务器安全、网络安全、数据安全。

1.3 系统架构设计

系统整体架构如图1所示，消防手报、烟感探测器等消防终端将报警数据传给火灾报警控制主机，控制主机再将数据传给用户传输装置，后者就是本文介绍的用户信息远程传输装置。该装置通过NBIoT或以太网连到外网把数据传给电信物联云，华为云主机再从电信物联云提取数据并负责对数据进行解析，最后终端(LED大屏、手机App，PC)访问华为云主机获取数据。

2 硬件电路设计

用户信息远程传输装置的硬件电路采用EDA工具AltiumDesigner19设计，电路框图如图2所示。由图2可见，硬件由两部分构成，即主控电路板模块和接口电路板模块（以下简称主控板和接口板），前者在图中大虚线框内，后者在大虚线框外。之所以采用分体设计是因为要考虑到后续产品功能设计以及拓展的便利性。另外，消防产品标准也有相关的要求。

2.1 主控板

主控板采用STM32F429芯片作为主控制器，并扩展了Flash芯片以及RTC时钟芯片，主控板连接有一块480×272分辨率的彩色液晶屏，通过主控制器的FSMC功能进行驱动连接[1,2]。主控板上有4个UART接口。其中， UART1、UART2主要负责与火灾报警控制器相连（根据不同厂家可选择RS232或RS485）；UART3主要负责设备的参数设置和后期调试维护等功能，与电脑串口相连；UART4负责与网络模块（GPRS/NBIoT等）之间进行通信。由于设备安装环境的不同，主控制板采用2种方式进行网络数据通信，分别是以太网和NBIoT。用户可通过液晶屏菜单进行自由切换选择。

2.2 接口板

接口板是为了便于后续功能扩展而采用的一种分体设计方式，通过排线连接主控板，接口板具备2组RS485、2组RS232、1组CAN总线网络、1组以太网、2个继电器输出、2个数字量输入接口。由于消防产品有严格的EMC检测要求，所以所有接口都额外增加了EMC处理电路和滤波电路。

3 系统软件设计

3.1 用例分析

本系统中涉及的角色有如下4类：

（1）平台管理员：系统整个平台的管理人员。该角色负责模块初始化及系统配置、权限分配；

（2）平台普通人员：平台管理人员授权的其他用户（具体角色由平台管理员设定)。这类人员可查看所有联网单位信息；

（3）联网单位用户：联网单位的用户信息员，可查看本单位的设备运行状态及报警信息；

（4）维修人员：设备维护方人员，可查看相关单位设备信息及维保记录、维保预约及反馈等。

根据表1描述的系统平台后台管理功能，得到平台管理员功能用例总图，如图3所示。该图显示了平台管理员角色的所有场景用例图和子用例图，及用例之间的关系说明。系统中的其他角色(平台普通人员、联网单位用户、维修人员）则由管理员分配相应功能权限，默认权限为该角色的常规业务。

3.2 软件架构设计

如前文所述，图1中的用户信息远程传输装置将火灾报警数据传给云端应用服务器，然后各类终端通过访问云端获取数据[3]。整个系统的软件包括部署在云端应用服务器的应用程序和终端App，应用程序整体架构设计如图4所示。图4中所示的后端开发，采用基于Spring Boot的SSM(Spring+SpringMVC+Mybatis)框架，该技术具有层层松耦合，易于业务扩展的特点。Spring核心框架承担起几个框架的整合任务，提供IOC和AOP功能，让业务对象的管理更加便利与快速响应，AOP横切面框架更是让系统的后续通用功能可达到热插拔效果。Mybatis本为一款轻量级的ORM应用框架，能把SQL语句与业务解耦，从而实现数据库移植的便利。此外，系统的前端响应页面单独部署服务器，也就是前后端分离架构，主要有以下3个益处。

（1）前端静态化：前端有且仅有静态内容，不需要任何后台技术进行动态化组装；

（2）后端接口平台无关化：只提供数据，不提供任何和界面表现有关的内容。换言之，他们提供的数据可以用于任何其他客户端（如本地化程序、移动端程序）；

（3）构架分离化：后端构架几乎可以基于任何语言和平台的任何解决方案，而前端亦可采用任何框架。

因此，总体上来说，这种分离模式的优势是前端静态化让前后端流量大幅减少、表现性能的提高、前后端平台无关和技术无关、安全性方面的集中优化、开发的分离和构架的分离。系统的后期可扩展性、可移植性更好。

4 结语

传统的火灾报警系统采用单机版模式工作，消防部门对于各个单位的报警系统无法集中管理，消防监测效率不高。本文设计了一款火灾报警系统用户信息远程传输装置。该装置采用STM32F429单片机作为主控制器，配备了RS232、RS485、CAN总线等多种接口，能够连接不同厂家不同型号的火灾告警主机，并且通过以太网或NBIOT接入消防云平台，为消防部门的集中管理带来了方便，实现了智慧消防。此外，本文还提出了云端应用服务器应用程序的设计方案，经过用户测试，本系统实现了所有功能需求，运行情况良好。