基于BLE-LoRa 的布撒式自组网火灾报警系统的设计思考

［杨济韩 李景伟 蒲放 王琪］

1 引言

火灾具有发生突然，蔓延迅速，扑救困难等特点。由于发生在夜间的火灾不易被察觉，比昼间更容易错过最佳扑救时机，带来巨大的生命财产损失，因此火灾的日常防范与及时扑救显得尤其重要。工业园区面临仓库数量多、位置分散、物资价值大、防火等级要求高、火灾事故易发生的突出矛盾问题。当前大部分仓库均配备有干粉灭火器和烟雾报警器，但由于值班室距离仓库较远，发生火灾时烟雾报警器形同虚设，值班人员往往错过最佳处置时机。此外，各种消防巡查制度需要耗费较多人力物力，容易出现人为疏漏，导致园区仓库面临较为严峻的防火压力。

随着物联网技术的发展，各类传感器网络层出不穷，也给工业园区仓库的消防报警系统提供了更多样化的解决方案。BLE（Bluetooth Low Energy，蓝牙低功耗）是一种基于经典蓝牙，但专注于在低功耗前提下提供许多与经典蓝牙相同功能的技术。BLE 使各种没有大电池的小型电子设备具备通信能力，广泛应用于智能可穿戴设备、安防、医疗等领域。LoRa（Long range Radio，远距离无线电）是基于Semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，其目的是为了解决功耗与传输覆盖距离的矛盾问题。一般情况下，低功耗则传输距离近，高功耗则传输距离远，利用LoRa 技术在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一[1]。LoRa 的相关技术具有功耗低，连接数量大，时延低，网络覆盖广等特点，可以解决目前无线产品在距离、功耗方面的瓶颈[2]。

本文介绍的设计思路中，火灾报警系统运用了BLE和LoRa 两种通信技术，通过多种传感器分散布设、数据无线链路加密传输、多控制终端联动报警的方法，以此来弥补传统防火方案中烟雾报警器报警范围小、人工巡查成本高易疏漏等缺陷。

2 系统组成架构与系统特点

2.1 系统整体组成架构

火灾报警系统由数据采集单元、数据处理单元、控制终端三部分组成。其组成框图，如图1 所示。

图1 系统组成架构图

数据采集单元是由不同种类的传感器子模块构成。每一类传感器子模块独立运行工作，完成数据的采集和上报。目标场景下布设的各类传感器子模块共同构成数据采集单元。这种传感器子模块的独立工作模式可以使得传感器的布设不受位置的限制，同时能根据需要随意扩展和接入不同种类的传感器子模块。

数据处理单元主要通过蓝牙接收数据采集单元传来的环境数据，并进行综合判断是否发生火情，如果发生火情立即控制声光报警模块进行本地报警，以便巡查人员定位火情位置。同时将报警信息通过LoRa 无线传送给远端的控制终端。

控制终端是安装在用户侧的设备，用于接收报警信息、广播转发报警信息、实时查看环境状态参数、系统设置、用户交互等。

2.2 系统特点

（1）传感器子模块自成系统。通过与数据处理单元分离，形成独立的数据采集传输子模块，可以独立自主运行，灵活接入系统，方便布设。对于不同种类的传感器，为了更好地进行数据采集，布设的数量和位置各不相同，传感器子模块独立设计，可以解决传感器布设时相互限制的影响，提高了数据采集的准确性和便捷性，同时能够降低系统成本，根据实际需要自由化定制。此外不同种类的传感器使用寿命和维护周期不同，传感器子模块独立设计可以提高系统的可维护性和可靠性。

（2）两种无线通信技术接力通信方案。数据采集单元与数据处理单元之间通过BLE 低功耗蓝牙通信，数据处理单元与控制终端之间以及各个控制终端之间采用LoRa 通信。由于正常情况下，数据采集单元要定期向数据处理单元上报传感器采集的环境数据，为了更准确地进行火灾预防，需要采集的数据种类较多，低功耗蓝牙能够满足这类应用场景，同时也降低了功耗。数据处理单元与控制终端之间、控制终端与控制终端之间主要传输火灾报警信息和数据查询信息，且传输远距离较远，因此采用LoRa 远距离无线通信技术实现。

（3）低功耗设计降低了维护成本，提高了系统可靠性。BLE 和LoRa 均具有严格的功耗控制，选用的ESP32主控芯片也具有时钟频率精细控制、处理器自动休眠等功耗控制技术。低功耗设计使系统利用电池供电便能工作数年，提高了系统布设的灵活性，免去了电源线的敷设，同时避免了电源线起火本身带来的安全隐患以及停电等原因导致的系统失效下线，提高了系统整体的可靠性。此外，系统还具有电量低报警功能，确保电量低于阈值时，及时维护更换电池。

（4）值班员巡查打卡功能。系统中设计有人体检测模块，能够检测到周围环境是否有人员进入，如果检测到人员移动，将会把相关数据上报给控制终端，从而实现巡查人员打卡功能。这能督促值班人员依照制度，按时进入每个布设有人体检测子模块的库房进行巡查，确保及时发现安全隐患，更好地落实消防巡查制度，不让制度走过场。

（5）采用独立防火防水设计。每个独立的传感器子模块都需要进行独立的防火防水设计或者通过布设位置的合理选择，确保即使在大火发生的高温环境下，系统也能稳定运行并及时将火场环境参数向外界传输，为消防救援行动提供实时信息支撑，为后续事故报告分析提供数据支撑。

（6）扁平化信息传递方式，摒弃以往信息逐级上报的思路。当某一布设有该系统的仓库发生火灾，数据处理单元发出报警用于定位起火位置，同时将报警信息传递给控制终端，控制终端收到报警信息后发出报警，并对其他控制终端广播该报警信息。一个仓库发生火灾，所有控制终端均能收到报警信息，避免了采用单个控制终端接收报警信息时容易发生人为疏忽，遗漏报警信息，错过最佳救援时机。

（7）星状网轮询中加入紧急通信信道。通过在传统星状网轮询列表中插入紧急通信信道的方式，当有紧急事件发生时，通信双方能够在约定的可容忍时间间隔内快速建立通信，该时间间隔不受星状网节点数量的影响。

3 系统设计

3.1 数据采集单元

数据采集单元由多个独立的传感器子模块构成。各个子模块可以独立自主运行，实现环境数据的采集传输的功能。数据采集单元采用低功耗设计，每个传感器子模块，可以自主进入休眠和唤醒模式，周期性上报数据，异常数据实时上报，被动查询数据等功能。不同种类的传感器子模块是完成数据采集的关键部件，是整个系统的环境感知触角。常用的传感器子模块，包括烟感传感器、火焰传感器、CO 传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器等，数据采集单元组成框图，如图2 所示。

图2 数据采集单元组成框图

3.1.1 烟感传感器模块

烟感传感器的作用在于检测物体燃烧时产生的固体颗粒物浓度从而判断是否发生火灾，因此烟感传感器是判断火灾发生的重要器件，其可靠性尤为关键。烟感传感器的原理大多是使用光电原理，通过光源照射颗粒物，光在颗粒物表面发生漫反射，使得到达接收端的光量减少，颗粒物浓度越高，发生的漫反射越明显，接收端收到的光量越少，当光量减少到一定阈值，说明颗粒物浓度上升，触发报警。

系统中我们选用Analog Devices 公司适用于烟雾探测的集成光学模块ADPD188BI，采用双波长检测方案，能够更加准确减少干扰，低功耗设计，小体积封装，集成式光学模块在5 mm×3.8 mm芯片上实现，模块实物如图3所示。

图3 烟感传感器实物图

该模块支持I2C 和SPI 通信方式，可以很好地节约主控芯片硬件资源并提高扩展能力。具有丰富的参考设计资料，可以帮助用户快速完成功能实现。

3.1.2 BLE 模块

传感器子模块中传感器采集到的数据都需要送至数据处理单元，为了实现传感器子模块的相对独立，我们将功能不同的传感器配合低功耗蓝牙模块，设计成能够独立自主进行数据采集和传输的微型系统。该系统具有电源管理、模数转换、低功耗蓝牙、微控制器等硬件资源。

我们选用Qualcomm公司的CSR uEnergy CSR1010 蓝牙智能芯片，该芯片支持蓝牙4.1 版本，支持BLE 协议，包含SPI 接口、I2C 接口、10bit ADC、可编程数字模拟输入输出口等硬件资源。可应用于健康监测，智能家居、可穿戴设备等应用场景。其硬件资源如图4 所示。

图4 BLE 芯片资源框图

BLE 模块与传感器模块组成的数据采集子模块，BLE模块与传感器模块之间采用I2C 总线通信，可支持多设备挂载，当两个不同功能的传感器可以布设在同一个位置且不相互影响时，可以共用一个BLE 模块，MCU 通过I2C总线上挂载物理外设的不同地址进行读写操作，从而节约硬件资源。该BLE 模块具有电量监测功能，当电池电量低时，可通过蓝牙模块向数据处理单元和控制终端发出更换电池提醒。其硬件组成框图，如图5 所示。

图5 数据采集子模块框图

3.2 数据处理单元

数据处理单元，主要由主控模块、BLE 模块、LoRa模块、报警模块组成。其主要功能是与传感器采集单元的BLE 模块通信并获取环境参数，综合分析安全隐患和火灾情况，适时发出报警同时通过LoRa 模块将报警信息传递给控制终端。

3.2.1 主控芯片选型

数据处理单元选用上海乐鑫科技的ESP32 作为主控芯片。该芯片将天线开关、RF balun、功率放大器、接收低噪声放大器、滤波器、电源管理模块等功能集于一体[3]。ESP32 专为物联网、智能家居、智能控制等应用领域设计，具有业内高水平的低功耗性能，应用广泛[4,5,6]。ESP32 硬件资源框图，如图6 所示。

图6 ESP32 硬件资源框图

以ESP32 为控制器的工程应用案例十分丰富，具有完善的开发评估套件和技术说明文档，能够帮助开发者快速实现方案设计。ESP32 模组是在ESP32 芯片的基础上集成了NOR flash 和板载天线，其系统组成框图如图7 所示。

图7 ESP32-WROOM-DA 模组框图

因此采用ESP32 模组只需极少的外围器件便可作为独立系统运行应用程序，并通过SPI 或I2C/ UART 接口实现强大的处理性能和Wi-Fi &蓝牙功能。从而方便地实现蓝牙数据接收、传感器数据处理、报警信号的发送。

3.2.2 数据采集子模块的布撒式设计

数据处理单元与数据采集子模块之间通过其ESP32模组上的板载蓝牙天线进行通信，数据处理单元是传感器数据汇总的节点，能够与其蓝牙信号覆盖范围内的数据采集子模块自动配对。配对后数据采集子模块作为从设备，周期性上报数据，或者作为主设备的数据处理单元主动查询数据采集子模块的数据。其网络拓扑图如图8 所示。

图8 数据处理单元与传感器子模块拓扑

数据处理单元作为蓝牙主设备负责接收其蓝牙信号覆盖范围内所有作为蓝牙从设备的传感器子模块所上报的数据。由于各个传感器子模块自成系统相互独立，使得在实际应用中只需将传感器子模块在一定范围类任意布撒便能实现自动组网传输数据。此外，传感器子模块的传感器种类、布设数量、布设位置均可以根据实际需要灵活选择。

3.2.3 LoRa 模块

LoRa 模块负责实现数据的远距离无线传输，该设计主要采用Semtech公司发布SX1262无线电收发器来完成。SX1262 适用于频率1 GHz 以下的长距离无线电通信，其低功耗设计能大大延长电池寿命，唤醒状态下的接收电流仅为4.2 mA，凭借集成的高效率功率放大器，信号传输增益达到+22 dBm[7]。该收发器可应用于智能电表、供应链和物流、农业传感器、智慧城市、零售店传感器、资产跟踪、路灯、环境传感器、医疗、安全和安保传感器、远程控制等场景。

3.3 控制终端

控制终端主要用于接收数据处理单元传来的报警信息以及电池电量、异常提醒等设备状态信息，以及向其它控制终端发送广播信息。同时支持向数据处理单元查询数据采集单元的环境物理参数并进行显示。

3.3.1 硬件组成

控制终端包含LoRa 模块、主控模块、显示模块、指令输入模块、电源模块，采用ESP32 模组搭配Semtech 公司SX1262 无线电收发器的解决方案，使得数据处理单元与控制终端在硬件实现上复用，缩短开发周期，其硬件框图如图9 所示。

图9 控制终端硬件框图

3.3.2 LoRa 星状网轮询通信

系统中控制终端需要接收多个数据处理单元的状态信息。由于LoRa 是一种半双工无线通信，在通信时极大可能发生收发数据冲突情况，尤其是随着仓库数量的增多，由于蓝牙通信范围限制，不得不布设更多的数据处理单元[8]。LoRa 技术通信网络通常为星状网络拓扑结构。控制终端作为接收多个数据处理单元的中心节点，一般采用轮询的方式实现数据采集。利用LoRa 技术的定向传输方式，多个数据处理单元作为从节点依次向中心节点发送数据，中心节点接收到数据后返回确认信息，然后下一个从节点接着发送数据给中心节点，多个从节点依次轮流与中心节点通信，直到一个循环周期结束[9]。

但是随着从节点数量的增多，此种轮询方式由于是采用分时的方式进行通信，会对系统网络的实时性造成影响，不适用于实时性高的应用场景。

3.3.3 应对突发通信需求的轮询方法

根据我们的应用场景，为了提高火灾发生时的响应速度，解决随着从节点数量增多导致轮询通信周期长的问题，我们在轮询中加入紧急通信信道，来提高紧急情况的响应速度，如图10 所示。将这个紧急通信信道周期性地纳入到轮询列表之中。当某一个数据处理单元有火灾情况需要向控制终端上报时，可以在紧急信道中进行上报，控制终端将在与上一个从节点通信结束后，进入紧急信道接收信息，使得实时性要求高的数据能及时传输。

图10 应对突发通信需求的轮询时序

4 总结与分析

本文介绍了一种传感器种类可定制、布设位置灵活、多控制终端联合响应的仓库火灾报警系统的设计思路。采用BLE 模块与不同种类传感器模块相结合的设计，使传感器子模块自成系统独立运行，可增强系统布设的灵活性同时又具有可扩展性。通过BLE 建立起数据处理单元与数据采集单元的主从设备关系，在保证数据传输效率的同时，能够降低设备功耗，减少维护成本。采用LoRa 远距离无线通信技术将数据处理单元与多个控制终端组网，替代传统有线数据传输方案。为了提高系统火灾报警的及时性，在常规的LoRa 星状网轮询通信模式中加入紧急通信信道。本文介绍的火灾报警系统是针对特定应用场景下的改进思考，在系统研发中，信息安全、抗干扰、防错报漏报也是值得关注的方面。