基于 LoRa 技術(shù)的智慧消防報警系統(tǒng)設計

0 引 言

我國很多老舊建筑沒有安裝消防報警器或者消防設施陳舊落后，急需進行現(xiàn)代化改造，以便及時將報警信息上傳至報警中心。消防工作一直是國家保障民生安全的重要工作之一。隨著互聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，目前消防系統(tǒng)存在的封閉性突出、相互之間無法傳遞火災警情、難以形成完整的網(wǎng)絡體系等問題，是當前智慧消防領域研究的重點 [1]。相關政策明確指出，養(yǎng)老院、福利院、幼兒園、社區(qū)居民活動場所、老舊居民住宅、宿舍、小旅館等場所需要安裝獨立式煙感報警器。

本文系統(tǒng)采用基于 LoRa的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，結(jié)合前端智能煙感報警器、無線網(wǎng)關等設備可以及時有效地將火災情況第一時間上傳至消防報警指揮中心，大大提高了火災探測的及時性和準確性。該系統(tǒng)使消防人員能夠?qū)崟r掌握搶險救援現(xiàn)場的動態(tài)，提高消防部門的智能化和精準化決策能力 [2]。

1 系統(tǒng)總體設計架構(gòu)

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

系統(tǒng)的前端智能報警器可選擇無線煙感報警器、聲光報警器、可燃氣體報警器等。前端設備為信息傳感設備，主要負責采集現(xiàn)場的實時信息并將其傳輸至管理平臺進行處理。無線網(wǎng)關是整個系統(tǒng)的樞紐站，其作用是橋接終端和服務器， 接收來自終端的信號并轉(zhuǎn)發(fā)至服務器，之后將服務器返回的信號傳送到終端。前端設備與網(wǎng)關之間使用 LoRa 技術(shù)進行通信。后臺的監(jiān)控管理平臺建立在消防報警指揮中心，包括網(wǎng)絡服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、Web 服務器等各種軟硬件設備。

監(jiān)控平臺可以有效地進行遠程消防信息的采集，實現(xiàn)對消防設備日常運行狀態(tài)的實時、全面以及動態(tài)監(jiān)管 [3]。

2 系統(tǒng)優(yōu)勢

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)無線接入技術(shù)，與 WiFi、藍牙、ZigBee等現(xiàn)有成熟的技術(shù)相比，具有遠距離、低功耗、低成本、廣覆蓋等優(yōu)點。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。

LoRaWAN是為 LoRa遠距離通信網(wǎng)絡設計的一套通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，一個LoRaWAN網(wǎng)絡架構(gòu)包含了終端、網(wǎng)關、網(wǎng)絡及應用服務器四個部分，標準化設計可確保它們之間的互操作性。與網(wǎng)狀網(wǎng)絡相比，LoRaWAN的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是較為典型的星型拓撲結(jié)構(gòu) [5]，具有結(jié)構(gòu)簡單和功率低等特點。

3 系統(tǒng)主要功能

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

通過對前端智能報警設備集成 LoRa 通信模塊，即可將報警設備接入 LoRa 網(wǎng)絡系統(tǒng)中。每一個前端設備都是一個節(jié)點，每片區(qū)域的節(jié)點將信息傳輸至相應的網(wǎng)關，再由網(wǎng)關接入通信公網(wǎng)中與監(jiān)控平臺進行實時通信。網(wǎng)關可以通過有線、無線 WiFi，3G/4G 網(wǎng)絡等方式接入公網(wǎng)中。LoRa 的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

在該網(wǎng)絡架構(gòu)中，LoRa 網(wǎng)關是一個透明傳輸?shù)闹欣^， 連接終端設備和后端中央服務器 [7]。網(wǎng)關與服務器間通過標準 IP 連接，終端設備采用單跳與一個或多個網(wǎng)關通信。所有節(jié)點與網(wǎng)關間均是雙向通信，終端與網(wǎng)關之間的通信是在不同頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率基礎上完成的，數(shù)據(jù)速率的選擇需要在傳輸距離和消息時延之間權(quán)衡。由于采用了擴頻技術(shù)，不同傳輸速率的通信不會互相干擾。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在消防領域的應用是指在消防預警現(xiàn)場，采用各種傳感設備將現(xiàn)場采集的大量信息通過網(wǎng)絡傳輸至消防報警指揮中心。指揮中心的管理人員可以通過這些信息對現(xiàn)場進行救援力量、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：

（1）設備的管理和配置 ：每個前端節(jié)點均包含報警狀態(tài)、位置、電量、設備識別碼等信息，管理人員能夠方便地對節(jié)點、網(wǎng)關進行配置，對系統(tǒng)容量進行擴展。

（2）實時報警及通知 ：LoRa 低功耗的特點決定了其可以長時間不停歇地工作，從而實現(xiàn)實時報警，通知方式包括微信、短信、郵件、電話報警等。

（3）基于 GIS 的信息顯示 ：由于每個前端節(jié)點都可以配置位置信息，所以監(jiān)控管理平臺可以通過 GIS 系統(tǒng)實現(xiàn)地圖顯示，可視性更強。為消防部門開展建筑日常管理、設施維護、應急疏散提供便利 [9]。

（4）B/S 架構(gòu)模式，支持云或本地部署 ：B/S 架構(gòu)無需安裝客戶端，方便快捷、交互性強，用戶可以自行選擇將Web、數(shù)據(jù)庫等服務器部署在本地，或者架設在云端?；?a href="/tags/云平臺" target="_blank">云平臺的新型物聯(lián)網(wǎng)運營模式比傳統(tǒng)的本地部署擁有更多優(yōu)勢，如信息更加安全可靠、投入成本更低，具有更大的存儲容量、更強的計算能力等。低廉的計算成本與靈活的配置力使云計算產(chǎn)業(yè)在蓬勃發(fā)展的同時也促進了其他相關產(chǎn)業(yè)的進步 [10]。

4 結(jié) 語

LoRa 是當前最成熟、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 個國家公開宣布建網(wǎng)計劃，120 多個城市地區(qū)正在運行LoRa 網(wǎng)絡。此外，最新推出的 LoRa 定位技術(shù)、無線解析、安全認證、天線、電池等與網(wǎng)絡配套的成熟技術(shù)，讓可運營的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡成為可能。本文結(jié)合當下物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大趨勢，提出了融合 LoRa、云計算、傳感器等技術(shù)的智慧消防系統(tǒng)，從實用性、可靠性、可擴展性和控制成本多個方面出發(fā)，可為用戶提供優(yōu)質(zhì)的物聯(lián)網(wǎng)服務，具有較好的工程意義和市場價值。并且由于 LoRa 具有功耗低、傳輸距離遠等特點，未來還可被應用到諸如智能停車、智能抄表、智慧農(nóng)牧業(yè)、智慧環(huán)境監(jiān)測等領域。