基于 LoRa 技術(shù)的智慧消防報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

我國(guó)很多老舊建筑沒(méi)有安裝消防報(bào)警器或者消防設(shè)施陳舊落后，急需進(jìn)行現(xiàn)代化改造，以便及時(shí)將報(bào)警信息上傳至報(bào)警中心。消防工作一直是國(guó)家保障民生安全的重要工作之一。隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，目前消防系統(tǒng)存在的封閉性突出、相互之間無(wú)法傳遞火災(zāi)警情、難以形成完整的網(wǎng)絡(luò)體系等問(wèn)題，是當(dāng)前智慧消防領(lǐng)域研究的重點(diǎn) [1]。相關(guān)政策明確指出，養(yǎng)老院、福利院、幼兒園、社區(qū)居民活動(dòng)場(chǎng)所、老舊居民住宅、宿舍、小旅館等場(chǎng)所需要安裝獨(dú)立式煙感報(bào)警器。

本文系統(tǒng)采用基于 LoRa的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，結(jié)合前端智能煙感報(bào)警器、無(wú)線網(wǎng)關(guān)等設(shè)備可以及時(shí)有效地將火災(zāi)情況第一時(shí)間上傳至消防報(bào)警指揮中心，大大提高了火災(zāi)探測(cè)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)使消防人員能夠?qū)崟r(shí)掌握搶險(xiǎn)救援現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)，提高消防部門(mén)的智能化和精準(zhǔn)化決策能力 [2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由三部分組成，即前端智能報(bào)警器、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、后臺(tái)監(jiān)控管理平臺(tái)。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖 1 所示。

系統(tǒng)的前端智能報(bào)警器可選擇無(wú)線煙感報(bào)警器、聲光報(bào)警器、可燃?xì)怏w報(bào)警器等。前端設(shè)備為信息傳感設(shè)備，主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息并將其傳輸至管理平臺(tái)進(jìn)行處理。無(wú)線網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的樞紐站，其作用是橋接終端和服務(wù)器， 接收來(lái)自終端的信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器，之后將服務(wù)器返回的信號(hào)傳送到終端。前端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間使用 LoRa 技術(shù)進(jìn)行通信。后臺(tái)的監(jiān)控管理平臺(tái)建立在消防報(bào)警指揮中心，包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web 服務(wù)器等各種軟硬件設(shè)備。

監(jiān)控平臺(tái)可以有效地進(jìn)行遠(yuǎn)程消防信息的采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)消防設(shè)備日常運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)、全面以及動(dòng)態(tài)監(jiān)管 [3]。

2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

低功耗廣域網(wǎng)（Low PowerWideArea Network，LPWAN）技術(shù)是一種革命性的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線接入技術(shù)，與 WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等現(xiàn)有成熟的技術(shù)相比，具有遠(yuǎn)距離、低功耗、低成本、廣覆蓋等優(yōu)點(diǎn)。LoRa作為非授權(quán)頻段（433MHz/470MHz/ 780MHz）的一種 LPWAN技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)化更加成熟，商業(yè)化更加完善[4]。表1所列為采用LoRa技術(shù)的智能煙感的特點(diǎn)。

LoRaWAN是為 LoRa遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一套通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，一個(gè)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含了終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用服務(wù)器四個(gè)部分，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可確保它們之間的互操作性。與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)相比，LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是較為典型的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) [5]，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和功率低等特點(diǎn)。

3 系統(tǒng)主要功能

消防設(shè)備日常管理包括對(duì)智能煙感等設(shè)備的檢查、維修、更換電池等，現(xiàn)有管理手段為通過(guò)專(zhuān)職人員進(jìn)行管理和記錄并更新數(shù)據(jù)，工作量巨大，導(dǎo)致設(shè)備狀態(tài)無(wú)法被消防管理人員全面獲悉，存在極大的消防隱患 [6]。

通過(guò)對(duì)前端智能報(bào)警設(shè)備集成 LoRa 通信模塊，即可將報(bào)警設(shè)備接入 LoRa 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。每一個(gè)前端設(shè)備都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每片區(qū)域的節(jié)點(diǎn)將信息傳輸至相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)接入通信公網(wǎng)中與監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。網(wǎng)關(guān)可以通過(guò)有線、無(wú)線 WiFi，3G/4G 網(wǎng)絡(luò)等方式接入公網(wǎng)中。LoRa 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

在該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa 網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明傳輸?shù)闹欣^， 連接終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器 [7]。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) IP 連接，終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信。所有節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間均是雙向通信，終端與網(wǎng)關(guān)之間的通信是在不同頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率基礎(chǔ)上完成的，數(shù)據(jù)速率的選擇需要在傳輸距離和消息時(shí)延之間權(quán)衡。由于采用了擴(kuò)頻技術(shù)，不同傳輸速率的通信不會(huì)互相干擾。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在消防領(lǐng)域的應(yīng)用是指在消防預(yù)警現(xiàn)場(chǎng)，采用各種傳感設(shè)備將現(xiàn)場(chǎng)采集的大量信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至消防報(bào)警指揮中心。指揮中心的管理人員可以通過(guò)這些信息對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行救援力量、救援裝備及救援物資的部署 [8]。指揮中心是整個(gè)系統(tǒng)的決策中樞，管理人員可以使用系統(tǒng)的所有功能，主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)備的管理和配置 ：每個(gè)前端節(jié)點(diǎn)均包含報(bào)警狀態(tài)、位置、電量、設(shè)備識(shí)別碼等信息，管理人員能夠方便地對(duì)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置，對(duì)系統(tǒng)容量進(jìn)行擴(kuò)展。

（2）實(shí)時(shí)報(bào)警及通知 ：LoRa 低功耗的特點(diǎn)決定了其可以長(zhǎng)時(shí)間不停歇地工作，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警，通知方式包括微信、短信、郵件、電話報(bào)警等。

（3）基于 GIS 的信息顯示 ：由于每個(gè)前端節(jié)點(diǎn)都可以配置位置信息，所以監(jiān)控管理平臺(tái)可以通過(guò) GIS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地圖顯示，可視性更強(qiáng)。為消防部門(mén)開(kāi)展建筑日常管理、設(shè)施維護(hù)、應(yīng)急疏散提供便利 [9]。

（4）B/S 架構(gòu)模式，支持云或本地部署 ：B/S 架構(gòu)無(wú)需安裝客戶(hù)端，方便快捷、交互性強(qiáng)，用戶(hù)可以自行選擇將Web、數(shù)據(jù)庫(kù)等服務(wù)器部署在本地，或者架設(shè)在云端?；?a href="/tags/云平臺(tái)" target="_blank">云平臺(tái)的新型物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式比傳統(tǒng)的本地部署擁有更多優(yōu)勢(shì)，如信息更加安全可靠、投入成本更低，具有更大的存儲(chǔ)容量、更強(qiáng)的計(jì)算能力等。低廉的計(jì)算成本與靈活的配置力使云計(jì)算產(chǎn)業(yè)在蓬勃發(fā)展的同時(shí)也促進(jìn)了其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步 [10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

LoRa 是當(dāng)前最成熟、穩(wěn)定的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，目前已經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛部署。據(jù)最新公布的數(shù)據(jù)，已經(jīng)有 17 個(gè)國(guó)家公開(kāi)宣布建網(wǎng)計(jì)劃，120 多個(gè)城市地區(qū)正在運(yùn)行LoRa 網(wǎng)絡(luò)。此外，最新推出的 LoRa 定位技術(shù)、無(wú)線解析、安全認(rèn)證、天線、電池等與網(wǎng)絡(luò)配套的成熟技術(shù)，讓可運(yùn)營(yíng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)成為可能。本文結(jié)合當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大趨勢(shì)，提出了融合 LoRa、云計(jì)算、傳感器等技術(shù)的智慧消防系統(tǒng)，從實(shí)用性、可靠性、可擴(kuò)展性和控制成本多個(gè)方面出發(fā)，可為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，具有較好的工程意義和市場(chǎng)價(jià)值。并且由于 LoRa 具有功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，未來(lái)還可被應(yīng)用到諸如智能停車(chē)、智能抄表、智慧農(nóng)牧業(yè)、智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。