基于物聯(lián)網(wǎng)的消防設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計

引 言

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和拓展，是將各類信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò) [1]，可實現(xiàn)在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯(lián)互通。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居、智慧交通、智能農(nóng)業(yè)、智能安防、平安城市等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，取得了許多重要成果。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于對消防設(shè)備 [2]、通信設(shè)施 [3]、實驗設(shè)備 [4]、企業(yè)設(shè)備 [5] 等類型的設(shè)備進行監(jiān)管。通常情況下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)具有設(shè)備檔案管理、設(shè)備使用管理、設(shè)備采購和庫存管理、跟蹤和定位、工作狀態(tài)監(jiān)視、查詢歷史記錄以及智能化盤點等功能 [6]。

針對消防終端監(jiān)測設(shè)備安裝數(shù)量大、部署范圍廣、安裝環(huán)境復(fù)雜等情況，如果完全依靠人力實現(xiàn)已部署設(shè)備的巡查、維護等工作，必然帶來不小的成本負(fù)擔(dān)且效率低下。為了解決以上問題，本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)遠距離的設(shè)備數(shù)據(jù)收集、監(jiān)控、故障排除、設(shè)備參數(shù)設(shè)置等一系列智能管理， 降低運營成本，簡化設(shè)備運維。

1 系統(tǒng)描述

系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，由感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層和應(yīng)用服務(wù)層組成。

感知層 [7] 的作用在于解決設(shè)備互聯(lián)以及設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集問題，涉及的設(shè)備包括網(wǎng)關(guān)、用戶信息傳輸裝置以及 NB-IoT 消火栓監(jiān)測終端等聯(lián)網(wǎng)終端和傳感器。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層的作用是實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互，完成設(shè)備管理系統(tǒng)底層采集與上層應(yīng)用之間的可靠、安全通信。

數(shù)據(jù)存儲層實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)、跟蹤數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的存儲。

應(yīng)用服務(wù)層提供對設(shè)備的管理、展示和監(jiān)控。

系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，由感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層和應(yīng)用服務(wù)層組成。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 底層硬件連接

圖 2 展示了設(shè)備管理系統(tǒng)的底層設(shè)備連接，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及平臺層。

感知層設(shè)備主要包括有線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、4G 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、用戶信息傳輸裝置、NB-IoT 消火栓監(jiān)測終端等消防終端監(jiān)測設(shè)備以及傳感器，這些消防終端監(jiān)測設(shè)備是本設(shè)備管理系統(tǒng)重點監(jiān)管的對象。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層涉及以太網(wǎng)，4G，NB-IoT 這三種傳輸網(wǎng)絡(luò)。

有線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過 RS 485 接口與用戶信息傳輸裝置相連， 將所接傳感器的狀態(tài)以及自身狀態(tài)上傳給用戶信息傳輸裝置，然后用戶信息傳輸裝置將收到的數(shù)據(jù)以既定格式發(fā)往云平臺。4G 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采用 4G 網(wǎng)絡(luò)將傳感器信息和自身狀態(tài)信息發(fā)送至云平臺。NB-IoT 消火栓監(jiān)控終端、NB-IoT 獨立式煙感、NB-IoT 網(wǎng)關(guān)均采用 NB-IoT 無線通信方式傳遞狀態(tài)數(shù)據(jù)至云平臺。NB-IoT 主要面向大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)連接應(yīng)用， 與移動通信相比具有覆蓋范圍廣、海量連接、功耗低、成本低等優(yōu)點 [8]，是物聯(lián)網(wǎng)通信采用的主要技術(shù)之一。

云平臺接收消防監(jiān)控終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，解析后存入數(shù)據(jù)庫，為應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 數(shù)據(jù)處理

圖 3 展示了云平臺的數(shù)據(jù)處理邏輯。云平臺在接收到消防監(jiān)控終端設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)之后，按照規(guī)定的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)解析，解析之后進入 Rabbit MQ[9] 消息隊列。Rabbit MQ 是一種開源的消息中間件，提供可靠、有效的消息交互模式，能夠方便地實現(xiàn)系統(tǒng)間的解耦 ；此外，Rabbit MQ 還提供了可視化的監(jiān)控頁面，有助于對平臺系統(tǒng)的監(jiān)控和維護。

圖 3 云平臺處理邏輯

數(shù)據(jù)處理服務(wù)和事件處理服務(wù)從 Rabbit MQ 隊列中取數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)處理服務(wù)主要處理監(jiān)控終端設(shè)備上報的狀態(tài)數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。事件處理服務(wù)主要處理用戶信息傳輸裝置上傳的火警、聯(lián)動等事件數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)入庫。

針對數(shù)據(jù)形式以及業(yè)務(wù)需求， 數(shù)據(jù)庫采用 MySQL 與Elastic Search 組合的方式。MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲用戶、單位、設(shè)備、設(shè)備實時數(shù)據(jù)等信息，Elastic Search存儲設(shè)備歷史數(shù)據(jù)、歷史事件數(shù)據(jù)等。考慮到設(shè)備數(shù)量大，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量十分可觀，MySQL 數(shù)據(jù)庫對于大量數(shù)據(jù)查詢的響應(yīng)時間較長，即使采用查詢優(yōu)化等措施效果亦不盡如人意。而 ElasticSearch[10] 是一種分布式海量數(shù)據(jù)搜索與分析技術(shù)，適合對海量數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)分析，因此選用 Elastic Search 存儲設(shè)備歷史數(shù)據(jù)。

2.3 軟件設(shè)計

設(shè)備管理系統(tǒng)應(yīng)用從這兩個數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)實現(xiàn)對應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯，核心功能如圖 4 所示。主要功能包含用戶權(quán)限、設(shè)備管理和設(shè)備展示。 

（1）用戶權(quán)限模塊包含用戶管理、用戶登錄。 

（2）設(shè)備管理功能包含設(shè)備的新增、刪除、修改、查詢與設(shè)備的參數(shù)配置。 

（3）設(shè)備展示功能為設(shè)備實時狀態(tài)、最新上報數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)或事件等展示以及多維度的統(tǒng)計分析展示。

3 結(jié) 語

文中采用多種傳輸協(xié)議和有線、無線網(wǎng)絡(luò)對多類消防監(jiān)控終端設(shè)備進行組網(wǎng)，并對這些設(shè)備進行信息采集。通過Web 程序進行相關(guān)操作，較好地實現(xiàn)了設(shè)備管理，保障設(shè)備的安全運行，提高了維護水平，實現(xiàn)了科學(xué)管控。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)管理消防終端設(shè)備相比傳統(tǒng)人工管理不僅提高了設(shè)備利用率，更增強了儀器設(shè)備運行的可靠性、安全性。