智慧消防物联网监控系统的设计与实现_连莲.pdf

32智慧消防物联网监控系统的设计与实现摘要：为了从根本上解决传统消防监控系统功能简单、无线通信距离短、误码率高、网络连接繁琐等问题，设计一款功能完善、实用性强的智慧消防物联网监控系统。首先，在完成对系统总体结构设计的基础上，从终端采集终点设计、中继网关节点设计、射频结构设计三个方面入手，完成系统硬件设计；其次，从节点软件设计、应用层通信协议设计两个方面入手，完成系统软件设计；最后，对系统性能进行了全面测试。结果表明：设计的智慧消防物联网监控系统除了可以实现对互联网络的快速接入，还保证了组网的便捷性，降低了数据误差，使得系统灵敏度得以大幅度提升，同时，还能提高数据传输效率和通信距离。关键词：智慧消防；物联网；监控系统连莲（天津市东丽区消防救援支队，天津 300300）中图分类号：X913.4 文献标识码：A 文章编号：2096-1227(2022)11-0032-03现阶段，LoRa 无线通信技术作为一种常用的物联网技术，被广泛地应用于智慧消防物联网监控系统设计中，该技术在实际应用中通过对网络数据进行采集和传输，极大地提高了人机交互的智能化水平，同时，还简化了网络协议复杂度，降低了数据采集误差，使得应用成本降到最低，另外，还保证了远距离数据传输效率，极大地提高了系统远程报警监控功能和故障排查功能的实现效果。因此，在 LoRa 无线通信技术的应用背景下，如何科学地设计和实现智慧消防物联网监控系统是技术人员必须思考和解决的问题。1 智慧消防物联网监控系统的总体设计在智慧消防物联网监控系统设计中主要用到了智能消防安全出口标志灯，该标志灯除了具有强大的引导功能外，还具有红外探测功能、有害气体检测功能、数据收发功能等多种功能，便于用户全面地监控现场态势发展情况。为了确保所设计的智慧消防物联网监控系统能够更好地满足复杂化环境使用需求，在进行实际设计期间，技术人员要将采集节点和中继网关节点的工作时间、传输距离、传输速率分别设置为 10 min、19 m、35 kbps，同时，还要尽可能降低温度数据采集误差，从而确保系统具有功耗低、灵敏度高、误报率低等性能。智慧消防物联网监控系统主要由数据采集控制、无线传输网络、采集节点、中继网关节点和 5G 网络、服务器等组成，该系统通过利用 LoRa 无线网络，将采集节点和中继网关节点进行有效连接，使得这两个节点呈现出一对多的通信模式。通过将采集节点设置在智能楼宇内，可以实现对现场相关重要数据信息的全面化采集和整理，中继网关节点主要用于对节点数据的接收，并利用 5G 网络向服务器传输相应的信息数据，此时，控制管理中心利用系统 PC 端随意登录和访问服务器内的重要信息数据，同时，服务器采用发送短信的方式，确保管理人员快速与消防救援管理中心之间建立密切的联系。2 智慧消防物联网监控系统的硬件设计该系统主要用到了两种节点，一种是采集节点，另一种是中继网关节点，其中，采集节点用到了 STM32F042F6P6微控制器，中继网关节点用到了 STM32F030C8T6 微控制器。两款 MCU 具有良好的运行性能，工作频率高达 50 MHz1，所使用的存储器具有高速嵌入性能，为了进一步提高技术人员代码编写效率，需要将 8 位设备与 16 位设备进行有效结合，并将其连接于 ARM 内核中。两种微控制器对低功率模式提供了很好的支持作用，完全符合系统低功耗管控相关标准和要求。2.1 终端采集终点设计本文所使用的智能消防安全出口标志灯完全满足相关性能参数设置需求，该标志灯在原有引导功能的基础上，还增加了多种实用功能，例如：红外探测功能、烟雾探测功能、温度采集功能和外界通信功能等。所有的采集节点均含有相作者简介：连莲（1989），女，河北阜城人，本科，助理工程师，研究方向：消防监督管理。33应急救援技术应的 ID，在进行实际安装期间，技术人员要严格按照建筑平面设计相关标准和要求，对这些采集节点进行科学安装2，从而保证系统定位功能的实现效果。一旦现场出现突发安全事件，系统会自动启动采集节点，对突发安全事件出现的具体位置进行精确定位。采集节点所起到的核心作用为：通过全面采集和精确监测现场环境相关参数，向中继网关节点传输温度、有害气体浓度以及火情情况等相关信息，同时，还要借助控制中心采用远程管控的方式对现场进行管控，便于及时处理现场出现的异常情况，从而有效保障人们的人身安全和财产安全3。2.2 中继网关节点设计中继网关节点主要用于对相关重要信息数据的接收或者上传，确保系统具有强大的检测功能，中继网关节点硬件结构如图 1 所示。STM32F030JTAG 接口RS-485 接电源模块LoRa模块 15G 网络模LoRa 模块25G网络模块2RS-485接口图1 中继网关节点硬件结构为了充分发挥和利用中继网关节点的应用优势，现将该节点设置在 LoRa 无线通信网络接收区域内，以实现对所上传信息数据的采集处理，然后对这些采集好的数据进行一系列打包处理4，在此基础上，还要采用 UDP 透传模式，利用 5G 网络向服务器传输重要信息数据，以保证信息数据传输的安全性、可靠性。2.3 射频结构设计射频结构在具体设计中主要用到了扩频调制跳频技术，通过利用该技术可以最大限度提高系统灵敏度，此外，通过采用 LoRa 链接预算模式可以拓展通信范围，使得系统的通信性能得以大幅度提高。为了进一步提高 LoRa 通信网络的稳定性、安全性和灵活性，技术人员要在利用扩频调制带宽的基础上不断增加多个发射信号的抗干扰性能。另外，射频结构为用户提供了带宽选择功能，便于用户根据自身的需求，选用合适的带宽，该射频结构所对应的扩频因子最小值为 6，最大值为 12，有效地覆盖了各个可用的频道5。3 智慧消防物联网监控系统的软件设计3.1 节点软件设计采集节点主要用于现场状态相关信息数据的完整化、全面化采集，此外，利用无线射频网络可以向中继网关节点传输相应的数据，同时，还能利用 5G 网络模块向服务器传输相应的终端数据6。采集节点在实际运用中需要借助中继网关节点从控制中心获取到相应的报文命令帧，并对数据的正确性和有效性进行校验，经过校验发现命令帧数据真实有效，再将这些数据传输到中继网关节点并呈现在 PC 端屏幕上。3.2 应用层通信协议设计通信协议设计水平的提高在控制传输数据的丢包率方面具有重要作用，数据在实际传输期间一旦出现传输异常，将会导致解压后的数据包出现不完整性，最终降低了所采集数据的真实性和正确性7。该系统应用层在具体设计中主要采用了自定义协议设计方式，对所采集好的终端数据进行一系列打包处理，从而提高数据传输的透明度。为了实现对数据的安全化发送和接收，需要利用 CRC16 校验算法，对接收设备进行优化处理，确保数据能够安全、可靠地传输，同时，数据可以从系统采集节点传输到中继网关节点中，当通信网络成功构建并投入使用后，中继网关节点与采集节点之间通常存在一定的映射关系，该映射关系呈现出一对多状态。此外，采集节点与中继网关节点之间可以构建相应的连接关系，该连接关系可以呈现出一对一状态8。采用广播实现的方式全面了解和把握中继网关节点的覆盖情况，同时还要采用远程管控的方式对所有采集节点进行统一化管理9。该系统在实际设计中还可以利用下发报文命令，全面查看和了解该标志灯的设备信息、功能状态以及运行时间等相关信息，为后期故障实时监测创造良好的条件。4 智慧消防物联网监控系统的测试与分析通过将智能消防标志灯安装和固定于地下停车场位置处，并完成对系统测试环境的搭建，然后对该标志灯的运行性能进行有效检验。在对整个网络系统进行测试期间，所涉及的节点类型包含中继网关节点和终端采集节点两种，其中中继网关节点数量为 4 个，利用该节点可以向服务器内传输相关数据，然后利用第三方短信服务平台实现对数据结果的有效接收，同时还能借助 PC 端访问服务器，实现对原始数据的实时查看。此外，还要在构建楼层复杂环境的基础上对海量数据接收过程进行全面化测试，在整个测试期间需要将射频中心频率、发射功率、串口波特率分别设置为 433 MHz、20 dBm、1 152 000 bps。测试结果如表 1 所示。34表1 智慧消防物联网监控系统的速度对比信号带宽/kHz频偏因子灵敏度/dBm传输速率/bps信号带宽/kHz频偏因子灵敏度/dBm传输速率/bps61.66-124.54 650124.510-12470561.67-128.52 425124.511-12728861.68-131.51 299245.56-11918 66461.69-134.5626245.57-1149 72761.610-136.5348245.58-1165 20561.611-138.5139245.59-1192 605124.56-122.59 309245.510-1291 419124.57-125.54 859245.511-124585124.58-128.52 5994506-10937 349124.59-131.51 2984507-11219 498从 表 1 中 的 数 据 可 以 看 出，数 据 传 输 速 度 最 小 值为 139 bps，最大值为 37 349 bps，接收法的灵敏度达到了-138.5 dBm，完全符合系统灵敏度设置的相关标准和要求。当终端采集点处于所设置好的墙壁状态下，使用无线通信网络可以将网络信号的衍射范围控制在 20 m 以上，完全符合系统设计的相关标准和要求，这说明本文所设计的智慧消防物联网监控系统具有较高的通行能力。LoRa 射频通信的不断提升有效地证明了该系统具有较高的网络通信穿透能力，完全符合楼宇自动化控制的相关标准和要求。为了更好地验证该系统在 AD 采集转换方面所表现出的性能，需要在 25的室温下执行温度采集测试并将总测试次数设置为 100 次，该系统具有较高的数据采集能力，采集精度可达到 92%，完全符合系统设计的相关标准和要求。5 结语综上所述，本文所设计的智慧消防物联网监控系统能够在复杂多变的环境中表现出较高的抗干扰性能，同时还简化了网络协议内容，使得误码率降到了最低，数据采集正确率提升至 93。该系统科学地应用了 5G 网络传输技术，使系统的运行性能得以大幅度提升，为后期消防工作的开展提供了重要的平台支持，为进一步提高智慧城市建设服务水平创造了良好的条件。参考文献：1常海军.关于物联网消防远程监控系统建设工作的思考J.今日消防,2021,6(3):31-32.2李天才,李学红,李桂琴.基于物联网的智慧消防无线监测系统设计J.工业控制计算机,2020,33(4):31-33.3王仕汇.电气火灾监控系统助力智慧消防建设J.四川水泥,2019(9):121.4杜朝明,胡静,宋铁成,等.基于NB-IoT的智慧消防监控系统设计与实现J.无线互联科技,2021,18(16):59-63.5王鑫.基于物联网的城市消防远程监控系统研究J.电子世界,2016(12):27.6周塑镇.基于物联网的智慧消防管控系统设计与实现J.今日消防,2021,6(9):43-45.7邹少军,孙红军.基于物联网的城市智能消防栓监控系统设计与实现分析J.电子测试,2021(4):89-90.8陈淑武.智慧消防物联网监控系统设计J.消防界(电子版),2018,4(4):79-81.9郭海筱.基于物联网技术的城市消防远程监控系统设计与实现J.电子技术与软件工程,2021(6):150-151.Design and implementation of intelligent firefighting IOT monitoring systemLian Lian（Tianjin Dongli District Fire and Rescue Brigade,Tianjin 300300）Abstract:In order to fundamentally solve the problems of traditional fire monitoring system with simple function,short wireless communication distance,high bit error rate and cumbersome network connection,a smart fire IOT monitoring system with perfect function and high practicality is designed.Firstly,on the basis of completing the overall structure design of the system,the system hardware design is completed from three aspects of terminal collection endpoint design,relay gateway node design and RF structure design;secondly,the system software design is completed from two aspects of node software design and application layer communication protocol design;finally,the system performance is tested comprehensively.The results show that:the designed intelligent firefighting IOT monitoring system can realize fast access to the interconnection network,but also ensure the convenience of networking,reduce the data error,make the system sensi-tivity can be greatly improved,at the same time,it can also improve the data transmission efficiency and communication distance.Key words:intelligent firefighting;Internet of things;monitoring system