基于物联网的消防设施监控终端

侯其立，倪 卫，叶凯音，汪 洋

（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省公共安全应急信息技术重点实验室，合肥230088；2.中电博微（安徽）物联科技有限公司，合肥230088）

火灾是发生频率最高、对社会危害最大的社会灾害之一。在众多火灾事故原因中，火情不能及时发现、消防设施存在故障不能正常发挥作用，是延误扑救、造成损失的重要原因[1]。解决该问题的根本方法是实时监控各消防设施的运行状态。当前，建筑物内一般都已配备消防设施，如火灾报警控制器、烟感、温感、手报等，但是多数处于独立运行状态[2]，消防设施运行数据未能传输到监控中心，无法统一监控。

对消防设施的监控，首先应完成对火灾报警控制器的监控。通过对火灾报警控制器的数据采集，可以获取到即时报警信号，例如火警、故障、设备启停等信号。而市面上火灾报警控制器种类繁多，数据交互接口无统一标准，这就要求采集终端具备多接口、兼容多协议。

另外，对火灾报警控制器的监控，主要获取的是消防设施的报警信号，若需进一步监测消防设施运行的具体数值，例如管网压力值、水箱液位值、设备运行电流值、门禁信号等，则需要使用额外的网关进行采集。但这些设施安装场景、设施属性、运行数据的变化情况、监控实时性要求等均不相同，且设置分散、建设初期未考虑接入网络[3]，对监控造成难度。

随着科技的发展，物联网技术越来越多地应用于智慧消防，并已成为消防建设行业发展的趋势[4-7]。为此，针对上述问题，本文基于物联网技术，研制了多接口协议的信息传输设备、基于4G 通讯和基于NB-IoT 通讯的消防物联网网关，完成对建筑物内各消防设施运行状态的监控。

1 多接口协议的信息传输设备

信息传输设备用来采集传输火灾报警控制器的实时数据。系统以STM32F405 芯片为核心，整个系统的硬件功能框图如图1所示，系统主要包括数据采集、数据传输、声光提示、调试、存储等模块[8]。

图1 信息传输设备系统功能框图Fig.1 Function block diagram of information transmission equipment

1.1 数据采集模块

系统的数据采集接口包括TTL 电平串口、RS232 接口、RS485 接口、CAN 接口以及并口，以兼容市面上品类繁多的火灾报警控制器；在对火灾报警控制器数据采集完毕后，系统对数据格式进行标准化，然后进行数据传输。

1.2 数据传输模块

系统数据传输接口包括4G 传输、以太网传输、RS485 传输和RS232 传输。4G 模组为即插即用式设计，在需要使用时，才插入该模块，以减少设备不必要的成本。

4G 传输和以太网传输方式用以将数据直接传送至监控中心，且4G 传输方式用以难于布线或安装地点无以太网接口的场合；若安装地点具备以太网接口，则可以使用以太网方式传输；同时，以太网传输方式还适用于禁止设备接入互联网、只能本地部署监控中心的场所，例如安全要求等级高的涉密场所。

RS485 和RS232 方式的数据传输，主要用于设备间的自组网，例如使用该类接口将数据传送至具有联网通信功能的上级网关，进而将数据传输至监控中心；该类接口也可将数据传输至图形显示装置进行本地显示。

1.3 其它模块

系统还设计了声光提示模块（指示灯和蜂鸣器）、系统设置模块（功能拨码和调试串口）、存储模块。功能拨码可以将设备设置成为正常监控、仿真、调试等模式，同时设置在局域网通讯时的本机地址；通过调试串口，可以对设备的各项参数进行配置，也可查看设备运行日志；外扩的I2C 存储器，可以实时保存火灾报警控制器的监控数据。

2 基于4G 的消防物联网网关

基于4G 的物联网网关，主要用来采集对实时性有较高要求的消防设施数据，例如消防设施的供电电压信号、设备启停时的电流信号、设备漏电电流信号、泵房管网处的水压信号等。系统以STM32F103芯片为核心，硬件结构图如图2所示。

2.1 数据采集模块

系统设计2 类信号量采集：4～20 mA 模拟量信号和开关量信号[9]。4～20 mA 模拟量信号，为工业传感器的标准输出信号，如压力传感器、液位传感器、电压传感器、电流传感器等；开关量信号包括门磁开关、启停开关、手自动开关等。

图2 基于4G 的消防物联网网关功能框图Fig.2 Function block diagram of IoT gateway based on 4G

2.2 数据传输模块

数据传输设计了4G 通讯、LoRa 通讯及RS485通讯。4G 通讯模块和LoRa 通讯模块，均即插即用设计，在需要使用该模块时，才插入该模块，以节约系统成本。

4G 通讯方式可将数据直接传输至监控中心；而LoRa 通讯和RS485 通讯方式主要用于局域组网，对于无4G 信号的安装地点，如地下室，可通过LoRa 或RS485 通讯的方式，将数据传输至具有4G通讯功能的上级网关，由上级网关传输至监控中心。

2.3 其它模块

系统还设计声光提示、功能拨码以及调试串口模块，模块功能与信息传输设备中的相应模块功能类似。

3 基于NB-IoT 的消防物联网网关

消防设施中，有些设施数据一般不会发生突变或变化较为缓慢，例如楼顶消防水池的液位、楼层管网末端的水压等，无需对数据进行实时采集；同时所在位置取电、布线较为困难，为方便施工，要求采集终端能够自行供电。为此，设计了基于NB-IoT通讯的消防物联网网关，系统以STM8L052 芯片为核心，采用2 节3.6 V 锂电池供电，系统硬件功能框图如图3所示。

图3 基于NB-IoT 的消防物联网网关功能框图Fig.3 Function block diagram of IoT gateway based on NB-IoT

系统将采集通道缩减至2 通道模拟量和2 通道开关量，这已基本满足上述场景的测量需求；在传输方式上，设计NB-IoT 通讯方式，其具有的低功耗、广覆盖等优点[10]，非常适合电池供电场景下的小量数据传输。

系统一般情况下处于休眠模式，以降低功耗，延长电池使用寿命。使用周期性唤醒的方式，对数据进行周期性采集。为提高数据采集的实时性，可以缩短采集周期，但这也加大了系统功耗。一个可行的办法是，使用配套的开关量信号进行辅助监测。例如，在监测水池液位时，同时增加一液位开关传感器，当液位低于特定值时，液位开关传感器动作，通过GPIO 中断方式可将CPU 从休眠模式中即时唤醒，进而进行数据采集，在保证系统功耗需求的同时，也提高了监测的实时性。

4 结语

对建筑物内各消防设施运行状态的实时监控，有利于对火情的及时获取、隐患的及时排查。本文设计的多接口协议信息传输装置、基于4G 通讯和NB-IoT 通讯的消防物联网网关，从不同的监控对象、应用场景、监控需求角度出发，完成对建筑物内各类消防设施的状态监测。目前，整套系统已投入项目使用，应用效果良好。