摘 要 ：消防安全作為城市公共安全的一部分，關系到人民的生命財產安全和社會穩定。鑒于人為監控的過程中存在實時性弱的問題，智慧消防應運而生。本文主要介紹一種智慧消防技術，結合 NB-IoT 與 LoRa，采用多種傳感器采集現場環境數據，用 LoRa 發出火災預警指令，實現對火情的實時監測與處理并將結果反饋到 Web端、微信小程序 ；將數據庫存儲與人為干預相結合，方便管理員進行管理操作。

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，人民生活水平的日益提高，越來越多的人意識到消防安全的重要性。近年來，由于消防安全管理受到政府政策與資金的大力支持，法律法規徐徐出臺，消防技術日趨完善與規范，預警和處理火災的消防設施生產技術有很大進步。隨著物聯網技術的逐漸發展與成熟，底層感知技術越來越精細，無線傳輸設備的信息傳輸越發穩定而多樣（如LoRa、NB-IoT等），智能終端設備功能日益強大，智慧消防在此契機下得以嶄露頭角[1-4]。

所謂智慧消防，就是利用物聯網、移動“互聯網 +”等最新技術，配合大數據云計算平臺、火警智能研判等專業應用，實現城市消防的智能化，提高信息傳遞的效率，保障消防設施的完好率，改善執法及管理效果，增強救援能力，降低火災發生概率及損失。作為消防行業發展的新方向，智慧消防在為防火監督管理和滅火救援提供數據支撐、提高社會化消防監督與管理水平、提升現代化智慧城市綜合防火能力等方面，具有良好的社會效益和應用前景。

1 NB-IoT 與 LoRa 的優缺點分析

1.1 NB-IoT 的優缺點

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）是IoT領域基于蜂窩的窄帶物聯網的一種新興技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網（LPWA）。NB-IoT技術根據超窄帶、反復傳輸、精簡網絡協議等原理，通過犧牲一定速率、時延和移動本能，去獲取面向低功耗廣域物聯網的承載能力[5-7]，主要有以下優點 ：

（1）海量接入 ：相同基站覆蓋條件下，NB-IoT技術是其他無線技能接入數的50～100倍，每個扇區能夠保證接入10萬個終端。

（2）功耗較低 ：針對許多使用電池供電的設備和環境，NB-IoT的低功耗特性能夠保證設備續航時間，從幾個月大幅提升到幾年，大大降低頻繁更換電池帶來的不便。

（3）覆蓋超強 ：NB-IoT的覆蓋能力是LTE的100倍，不但能夠滿足地廣人稀地區的大范圍覆蓋需求，同樣適用于對深度覆蓋有要求的地下應用。

（4）成本低廉 ：由于選取授權頻段上的蜂窩網絡技能，NB-IoT無須重新建網，射頻和天線也基本上都能夠復用 ；再加上NB-IoT低功耗、低帶寬和低速率的特性，同樣降低了芯片和模組成本。

同時，NB-IoT還具有如下缺點 ：

（1）數據傳輸少 ：基于低功耗，導致NB-IoT只能傳輸少量數據。

（2）通信成本高 ：除了NB-IoT通信模塊的價格，運營商還將收取運營費用。

（3）技術并不成熟 ：雖然NB-IoT技術被大范圍應用，但在實際應用過程中經常出現各類故障，導致通信中斷。

（4）對接平臺問題 ：電信的IoT平臺走的是CoPA協議，CoPA協議對接方面復雜，為兼容傳統TCP、UDP通信等，經常導致施工時間過長。

由于我國企業更多掌握NB-IoT技術專利，我國從政策角度更傾向于發展NB-IoT。工信部發布的關于NB-IoT建設規劃表示，在2020年之前國內將建設超過150萬個NB-IoT 基站，連接數突破6億。因此，NB-IoT在中國發環境友好。

1.2 LoRa 的優缺點

LoRa（Long Range Radio）即遠距離無線電，是Semtech公司創建的低功耗局域網無線標準，其最大特點是在同樣的功耗條件下比其他無線方式的傳播距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一。它在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3～5倍[8-10]。LoRa網絡主要由終端（可內置 LoRa 模塊）、網關（或稱基站）、網絡服務器以及應用服務器組成，應用數據可雙向傳輸 ；其終端節點可以是各種設備，比如水表、氣表、煙霧報警器、寵物跟蹤器等。本項目的LoRa終端節點為各個傳感器，這些節點通過 LoRa 無線通信的網關連接 ；再通過4G網絡或者以太網絡，連接到網絡服務器中。LoRa 網關與網絡服務器之間通過 TCP/IP 協議通信。

LoRaWAN 網絡架構是一個典型的星形拓撲結構，在這個網絡架構中 LoRa 網關是一個透明傳輸的中繼，連接終端設備和后端中央服務器。終端設備采用單跳與一個或多個網關通信。所有的節點與網關之間均是雙向通信。

LoRa網絡具有傳輸距離遠、工作功耗低、組網節點多、抗干擾性強、低成本等特點，其在生活中應用范圍廣，包括智慧建筑、智慧工業、智慧物流等方面。當然它也有如下缺點 ：（1）隨著LoRa的不斷發展，設備和網絡部署的不斷增多導致相互之間出現一定的頻譜干擾 ；（2）在布設LoRa過程中，需要用戶自己組建網絡 ；（3）LoRa傳輸數據有效負載較小，有字節限制。

本項目在如圖1所示的模型中將NB-IoT和LoRa相結合部署于傳輸層，用來傳遞信息。與3G/4G和WiFi不同的是，NB-IoT和LoRa是低功耗廣域網，是一種可以實現低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯網通信技術。在本項目中二者都作為全系列物聯網探測器。NB-IoT與LoRa的多性能對比見表1所列。

2 系統模型

本系統設計體系可描述為三層結構 ：感知層、傳輸層、處理層，如圖2所示。系統中使用溫濕度、煙霧、可燃性氣體、紅外等多種傳感器采集現場數據。終端節點按時序將采集到的數據發向網關節點，網關節點會對數據進行融合和簡單處理，再通過遠程傳輸的方式選擇性地發給云服務器。當計算結果高于緊急火災預警閾值時單片機自動運行滅火事件，驅動繼電器打開滅火彈等滅火裝置進行滅火。為了方便觀察，采用網頁以及微信小程序實時顯示各種數據。采用LoRa與NB-IoT無線通信模塊相結合的方式解決如地下車庫等場景通信信號不佳的實際問題。

2.1 感知層

終端節點連接設備 ：溫濕度傳感器、煙霧傳感器、氣體傳感器、一個LoRa、多個繼電器。

感知層主要通過單片機連接多種傳感器設備對實地環境進行實時監測，同時連接一個LoRa作為無線傳輸模塊進行各節點之間的交互。在現場配有消防彈、噴水器等滅火裝置，將它們用繼電器作為開關與單片機相連。一旦發生火災時，單片機采集到傳感器發來的數據會超出警報閾值，單片機立刻進行火災事件處理，用LoRa發出火災預警指令，并驅動自己管轄范圍內的滅火裝置進行滅火。

2.2 傳輸層

網關節點連接設備 ：一個LoRa、一個NB-IoT。

傳輸層主要進行實地與云服務器的遠程信息交互，分為上行和下行兩條鏈路。上行時，終端節點將自己采集到的數據通過LoRa發送給網關節點，網關節點上的LoRa用于接收各節點發來的數據 ；NB-IoT作為網關與云服務器建立UDP連接，將整合、處理后的數據發送給云服務器。下行時，NB模塊與云服務器建立UDP連接，云服務器將要下發的指令發送給NB模塊，NB模塊收到指令后再交給網關節點，由網關節點通過 LoRa 向對應的終端節點發送對應的指令。

2.3 處理層

處理層主要對網關節點接收到的數據進行存儲與實時處理，并將處理結果反饋到 Web 端或終端設備的微信小程序上，方便管理員進行實時處理。

3 系統功能

3.1 產品功能應用流程

項目系統主要功能有實時采集底層環境信息、融合底層數據選擇性上報、實時遠程上傳數據、實時遠程下發指令、自動感知火災、自動滅火，如圖3所示。

（1）實時采集底層環境信息項目使用溫濕度、煙霧、氣體等多種傳感器采集現場數據，傳感器起到了對環境數據實時監控的作用。

（2）融合底層數據選擇性上報終端節點按時序將采集到的數據發向網關節點，網關節點會對數據進行融合和簡單處理，再通過遠程傳輸的方式選擇性地發給云服務器，從而達到盡可能減少能量消耗和降低時延的目的。

（3）實時遠程上傳數據傳輸層主要進行實地與云服務器的遠程信息交互，分為上行和下行兩條鏈路。對于上行鏈路，網關節點使用NB模塊，采用UDP連接與云服務器進行實時通信，將融合后的數據按存儲格式發給云服務器。為防止NB掉出網絡，模擬4G的連接方式向基站不斷發送心跳包維持通信鏈路。

（4）實時遠程下發指令對于傳輸層與云服務器的下層鏈路交互，網關節點使用NB模塊，采用UDP連接與云服務器進行實時通信。當用戶需要遠程控制滅火裝置進行滅火時，通過點擊按鈕觸發云服務器向NB模塊發送對應指令，實現實時下發指令的功能。為防止NB掉出網絡，模擬4G的連接方式向基站不斷發送心跳包維持通信鏈路。

（5）自動感知火災將溫濕度、氣體、煙霧等傳感器采集到的數據按一定的權重累加計算，得出火災發生的概率 ；設定一個警報閾值，當計算結果高于警報閾值時上報火災。在消防設備部署完成后，用戶可以登錄微信小程序或者網頁去查看部署地點的火災等級以及傳感器接收到的信息，后端會根據收集到的信息自動判斷火災等級，最高為一級，最低為五級。當火災等級為較高的一級、二級時系統會給用戶發預警信息，用戶可以調用預設地點的攝像頭查看是否發生火災，由用戶自己判斷是否需要滅火 ；當火災等級較高時，系統會自動下發執行滅火指令。

（6）自動滅火當計算結果高于緊急火災預警閾值時單片機自動運行滅火事件，驅動繼電器打開滅火彈、噴淋設備等滅火裝置進行滅火。

通過以上分析可以得出，本產品中采用的LoRa與NB-IoT無線通信模塊相結合的專業技術，使本產品可以適用于更多場景環境 ；產品設計中采用的三層結構，也是該產品能夠完成檢測數據、處理災情等一系列功能的結構支撐。

本產品相較于市面上主要側重于網格化管理、消防智能設備應用和管理的傳統智慧消防系統，共同的趨勢是往大數據方面進行演變，但是將物聯網、云計算、大數據和人工智能進行綜合后，可以應用到更多領域，例如配電箱、倉庫、消防或軍事演習等。

3.2 火情檢測的網頁端反饋

本系統中的網頁前端主要采用HTML+CSS+JS+Vue進行搭建，柱形圖、餅狀圖、折線圖采用Echarts插件進行繪制，部分點擊動畫和背景動畫采用JQuery ；后端采用Flask，數據庫采用MySQL，前端展示數據庫。云端服務器采用Tomcat進行部署。

登錄“智慧消防平臺”Web頁面以后，界面左上角有五個模塊，分別為數據采集、實時監控、數據分析、設備管理、管理員列表。在如圖4所示的數據采集模塊界面有蕪湖市地圖的行政區劃，點擊各分塊區劃可分塊查看各區的火情數據 ；左下方是應用場景，右下方分別有對應各場景的報警記錄和歷史數據的鏈接，界面右邊有報警記錄以及關于處理數、報警數的記錄。

3.3 設備的安裝及應用

3.3.1 安裝環境要求

本產品的安裝環境要求 ：該地區已經有NB信號的覆蓋，能提供正常220 V家用電壓，屬于火災易發區域等。

3.3.2 安裝過程

本產品安裝簡單，只須將單片機、通信模塊（NB、LoRa）、各種傳感器封裝到消防塑料盒中，將消防塑料盒和滅火彈設施固定在火災易發處即可。

3.3.3 主要使用流程

在消防設備部署完成后，用戶可以登錄微信小程序或者網頁去查看部署地點的火災等級以及傳感器接收到的信息，后端會根據收集到的信息自動判斷火災等級，最高為一級，最低為五級。當火災等級為較高的一級、二級時系統會給用戶發預警信息，用戶可以調用預設地點的攝像頭查看是否發生火災，由用戶自己判斷是否需要滅火 ；當火災等級較高時，系統會自動下發執行滅火指令。

4 結 語

隨著近年來物聯網技術的發展愈發蓬勃，底層感知技術越來越精細，無線傳輸設備的信息傳輸越發穩定多樣，智能終端設備功能日益強大，在此背景下智慧消防應運而生。本文設計了一種基于NB-IoT的智慧消防監測預警系統，系統中采集環境數據的傳感器起到了實時監控的作用，單片機、LoRa以及一系列滅火裝置起到了對環境數據的判斷感知、采取滅火操作等一些列措施的作用，如環境遇突發火情時可以得到及時有效的控制。為防止機器誤判，本系統具有人為干預的功能，將火情監測結果反饋至終端，方便管理員進行清晰觀察與干預操作。系統結合NB-IoT與LoRa，能夠適應多種場景，包括地下車庫等信號差的環境。綜述全文，本系統具有實時性強、精準度高、功能多樣、配置方便、操作簡易的特點，可部署于多類場景進行廣泛應用。

審核編輯 ：李倩