許 生，李富華

（蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，蘇州215001）

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。傳統(tǒng)的消防安全出口標(biāo)志燈是為人員通往安全地帶的一種指示燈具，主要起到指示安全出口的作用。但隨著建筑的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，其單一的指示功能已無法滿足安全保障和多功能融合的需要，且標(biāo)志燈之間相互獨(dú)立、無法互聯(lián)，出現(xiàn)故障時(shí)不能及時(shí)反饋，埋下了安全隱患。近年來智能樓宇安防系統(tǒng)迅速發(fā)展，基于ZigBee 和GPRS、GSM 等無線通信技術(shù)[1-2，8]，通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互顯示和智能管理。但在樓宇中，無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)衰減快、抗干擾能力弱、誤碼率高，數(shù)據(jù)傳輸速率低，此外網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集誤差大，應(yīng)用成本高。為了解決以上的問題，本系統(tǒng)采用LORA 無線通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)24 h遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)收集、遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警和故障排查等一系列的智能管理，實(shí)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)上報(bào)、及時(shí)處理，提高樓宇的管理水平和效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不但擁有傳統(tǒng)消防安全出口標(biāo)志燈的指示安全出口的作用，而且具有紅外探測(cè)、煙霧濃度檢測(cè)、有害氣體檢測(cè)、溫度采集以及無線自組網(wǎng)功能和數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，以達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的掌控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

為滿足現(xiàn)在復(fù)雜的使用環(huán)境，在設(shè)計(jì)中，采集節(jié)點(diǎn)（智能消防安全出口標(biāo)志燈）和中繼網(wǎng)關(guān)要滿足在無市電的情況下的工作時(shí)間要大于90 min，傳輸距離達(dá)到15～20 m 左右，傳輸速率達(dá)到20 kbps～40 kbps，溫度數(shù)據(jù)采集誤差在±2 以內(nèi)進(jìn)度達(dá)到90%以上，誤報(bào)率低，低功耗，靈敏度高，穿透能力強(qiáng)等要求。智能樓宇安防系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集控制管理中心、服務(wù)器、LORA 射頻無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、4G 公網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括采集節(jié)點(diǎn)和中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。該系統(tǒng)的終端采集節(jié)點(diǎn)和中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間采用LORA 無線一對(duì)多的通信方式分布模式。采集節(jié)點(diǎn)分布在樓宇內(nèi)，采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)狀態(tài)信息；中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過4G 公網(wǎng)，將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，控制管理中心可通過PC 端訪問服務(wù)器，服務(wù)器也可通過短信的方式發(fā)送給管理人員或服務(wù)器直接接入消防救援管理中心。LORA 模塊向下通過SPI 總線與控制芯片連接，向上通過LORA 網(wǎng)絡(luò)的無線長距離通信能力與網(wǎng)關(guān)通信，將采集到的現(xiàn)場(chǎng)信息通過中繼網(wǎng)關(guān)的DTU 數(shù)據(jù)傳輸模式，將數(shù)據(jù)經(jīng)公網(wǎng)傳輸至服務(wù)器。服務(wù)器經(jīng)過TCP/IP 通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，智能分析每個(gè)節(jié)點(diǎn)周圍的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

LORA 通信網(wǎng)絡(luò)采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，它是具有最低延遲的最簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)直接組網(wǎng)連接，構(gòu)成星形；對(duì)于距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，可通過中繼進(jìn)行組網(wǎng)連接，只要物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中嵌入LORA 芯片或模塊，即可實(shí)現(xiàn)快速自組網(wǎng)和快速的配置，與在自組網(wǎng)領(lǐng)域見長的ZigBee 復(fù)雜的通信協(xié)議相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。LORA 通信網(wǎng)絡(luò)可用于遠(yuǎn)程抄表、工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化遙測(cè)、玩具控制、傳感器網(wǎng)絡(luò)、輪胎氣壓監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、無線PC 外圍設(shè)備等方面。

LORA TM 器件采用擴(kuò)頻調(diào)制跳頻技術(shù)，可調(diào)解低于20 dB 的噪聲，這提高了通信的靈敏度和網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性，而使用不同的擴(kuò)頻因子可以改變通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸速率，且采用不同擴(kuò)頻因子的多個(gè)傳輸信號(hào)占用同一個(gè)信道而不受影響，因而可變的擴(kuò)頻因子提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的容量，進(jìn)而減少通信鏈路的使用，避免了因終端采集節(jié)點(diǎn)過多導(dǎo)致中繼網(wǎng)關(guān)負(fù)擔(dān)過重，進(jìn)而導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)飽和和誤碼率上升。與傳統(tǒng)采用固定傳輸速率的FSK 系統(tǒng)相比，LORA 協(xié)議的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除同步開銷和跳數(shù)，從而降低功耗，而低功耗也是本系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)計(jì)要求

3 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的終端采集節(jié)點(diǎn)和中繼網(wǎng)關(guān)的MCU 分別是STM32F042F6P6 和STM32F030C8T6 微控制器。兩款MCU 都是具有高性能ARM?Cortex?-M0 32位RISC 內(nèi)核，工作頻率高達(dá)48 MHz，高速嵌入式存儲(chǔ)器，以及廣泛的增強(qiáng)的外圍設(shè)備和I/O。ARM?Cortex?-M0 處理器具有出色的代碼效率，通常在內(nèi)存大小中提供ARM 內(nèi)核所期望的高性能與8 位和16 位設(shè)備相關(guān)聯(lián)。兩種微控制器都支持3 種低功耗模式，以實(shí)現(xiàn)最佳性能在低功耗，短啟動(dòng)時(shí)間和可用喚醒源之間進(jìn)行折衷，更好的滿足本系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)要求。

3.1.1 終端采集結(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

智能消防安全出口標(biāo)志燈符合國標(biāo)規(guī)定的性能參數(shù)，除了具有傳統(tǒng)的引導(dǎo)功能外，在其原來的基礎(chǔ)上增加了紅外探測(cè)、火焰探測(cè)、煙霧探測(cè)、溫度采集、有害氣體檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和與外界通信的無線通信等功能。本系統(tǒng)中的終端采集節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)[9]如圖2 所示。

圖2 終端采集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of the terminal acquisition node

每個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)都設(shè)置有固定的ID，在安裝的時(shí)候按照建筑的平面設(shè)計(jì)圖，進(jìn)行定點(diǎn)安裝，即也可實(shí)現(xiàn)定位的功能，如現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異常的情況，可通過采集節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平面設(shè)計(jì)圖來定位出現(xiàn)異常情況的位置。終端采集節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)，并將現(xiàn)場(chǎng)采集的溫度，人員活動(dòng)情況，有害氣體的濃度，備用電池的電量，火情的情況等數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后傳輸至數(shù)據(jù)管理控制中心，控制中心可以實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況時(shí)可以及時(shí)的采取相應(yīng)的措施，避免財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

3.1.2 中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和上傳，系統(tǒng)的檢測(cè)和管理功能，中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示。中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在LORA 無線通信網(wǎng)絡(luò)接收區(qū)域內(nèi)將采集節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，采用UDP 透?jìng)髂Ｊ讲⑼ㄟ^4G 網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器。

圖3 中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Relay gateway node hardware structure

3.1.3 射頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SX1276 采用LORA TM 擴(kuò)頻調(diào)制跳頻技術(shù)[4]，使用這種新的調(diào)制方案，比FSK 的靈敏度提高了8 dB。LORA 鏈接預(yù)算的增加提供了更長的通信范圍和提高了通信的可靠性，而LORA 擁有顯著的進(jìn)步選擇性和阻塞性，更進(jìn)一步的提高了通信的可靠性[5]。為了增加LORA 通信網(wǎng)路的靈活性，可以調(diào)節(jié)擴(kuò)頻調(diào)制帶寬（BW），擴(kuò)頻因子（SF）和糾錯(cuò)率（CR）。而另一個(gè)擴(kuò)頻調(diào)制的好處是多個(gè)發(fā)射信號(hào)可以占用相同的頻道而之間沒有干擾，因?yàn)槊總€(gè)擴(kuò)頻因子是正交的，這也是允許與現(xiàn)有的基于FSK 的系統(tǒng)共存的原因。SX1276 提供7.8 kHz～500 kHz 的帶寬選擇，擴(kuò)頻因子范圍為6～12，可涵蓋所有可用頻段。LORA 射頻電路設(shè)計(jì)圖如圖4 所示。

圖4 射頻電路結(jié)構(gòu)Fig.4 RF circuit structure

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)無需操作系統(tǒng)，直接在PC 機(jī)上操作即可，簡化了操作數(shù)據(jù)處理的流程，采用UDP數(shù)據(jù)透?jìng)鱾鬏斈Ｊ綄?shù)據(jù)通過公網(wǎng)上傳至服務(wù)器，PC 端訪問服務(wù)器按照TCP/IP[6]協(xié)議提取報(bào)文和數(shù)據(jù)包解析及數(shù)據(jù)分析并轉(zhuǎn)換成直觀的數(shù)字信息，可供人員參考。在無線網(wǎng)絡(luò)中，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了應(yīng)用層自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議，在確保數(shù)據(jù)無丟失且能夠正確傳輸?shù)耐瑫r(shí)簡化了通信協(xié)議的復(fù)雜性，且基本不占用帶寬，相比ZigBee 通信協(xié)議復(fù)雜且占用帶寬，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸用的帶寬變小，父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)容量變少得到很大的改善。

3.2.1 應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計(jì)

自定義通信協(xié)議設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接決定了數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟包率的大小，傳輸過程是否有錯(cuò)誤，接收到的數(shù)據(jù)包解壓后的數(shù)據(jù)是否完整，最終的采集到的數(shù)據(jù)是否正確。本系統(tǒng)的應(yīng)用層自定義協(xié)設(shè)計(jì)，對(duì)終端采集數(shù)據(jù)打包，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸，數(shù)據(jù)傳輸方式采用數(shù)據(jù)幀模式，傳輸序列為二進(jìn)制比特流。在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的過程中采用CRC16 校驗(yàn)算法，接收設(shè)備也執(zhí)行類似的算法，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。本系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)與中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸，分為單播、廣播的方式傳輸數(shù)據(jù)，在通信網(wǎng)絡(luò)建立后，中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與終端的采集節(jié)點(diǎn)之間可以立即建立一對(duì)多的映射關(guān)系，采集節(jié)點(diǎn)可以與中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)建立一對(duì)一的連接關(guān)系。

廣播實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)區(qū)域內(nèi)中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的覆蓋下，整個(gè)采集節(jié)點(diǎn)（智能消防安全出口標(biāo)志燈）進(jìn)行遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理。本設(shè)計(jì)還可通過下發(fā)報(bào)文命令幀，查看智能消防安全出口標(biāo)志燈的設(shè)備基本信息、實(shí)時(shí)時(shí)間、功能狀態(tài)等信息，方便遠(yuǎn)程管理和故障檢測(cè)。

3.2.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)即要完成現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，也要通過LORA 無線射頻通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)上傳至中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的4G 網(wǎng)絡(luò)模塊，采用UDP數(shù)據(jù)透?jìng)鱾鬏斈Ｊ桨呀K端數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。采集節(jié)點(diǎn)收到控制中心通過中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)下發(fā)的報(bào)文命令幀后，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，命令幀數(shù)據(jù)正確后，再執(zhí)行命令幀數(shù)據(jù)中的相應(yīng)操作，執(zhí)行完下發(fā)的命令后將執(zhí)行的結(jié)果反饋給中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而顯示在PC 端。節(jié)點(diǎn)的軟件執(zhí)行流程如圖5 所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

在實(shí)地地下停車場(chǎng)安裝智能消防安全出口標(biāo)志燈，搭建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，檢驗(yàn)智能消防安全出口標(biāo)志燈的實(shí)際運(yùn)行效果。測(cè)試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括4 個(gè)中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，27 個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)，中繼網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器后，可經(jīng)過第三方的短信服務(wù)接收數(shù)據(jù)結(jié)果，也可直接經(jīng)PC 端訪問服務(wù)器，查看原始的數(shù)據(jù)。

圖5 程序執(zhí)行流程Fig.5 Program execution flow chart

為保證采集節(jié)點(diǎn)之間及采集節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間的有效傳輸距離和通信網(wǎng)絡(luò)的靈敏度及傳輸速率頻偏因子對(duì)系統(tǒng)的影響，在同一樓層復(fù)雜環(huán)境下的進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)接收發(fā)測(cè)試。測(cè)試中的節(jié)點(diǎn)，射頻中心頻率為433 MHz、發(fā)射功率為20 dBm、串口波特率為115200 bps。測(cè)試結(jié)果如表1～表3 所示。

表1 速度對(duì)比Tab.1 Speed comparison

表2 同一樓層有墻壁障礙物接收到數(shù)據(jù)的次數(shù)Tab.2 Number of times the wall has received data from the same floor

表3 樓宇內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)收發(fā)Tab.3 Test data transmission and reception in buildings

從表1 的測(cè)試結(jié)果可以知道，數(shù)據(jù)傳輸速度范圍為0.148 kbps～37.358 kbps，接收發(fā)的靈敏度高達(dá)-139 dBm，相比ZigBee 有很大的提高，達(dá)到了系統(tǒng)的傳輸速率和高靈敏度的要求；由表2 和表3 可知本系統(tǒng)的終端采集節(jié)點(diǎn)在有墻壁的情況下，無線通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)衍射范圍超過了20 m，大于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，表明本系統(tǒng)通行能力更加優(yōu)越；由表3 可知，LORA 射頻通信可達(dá)到8 層，有力的證明了本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信穿透能力強(qiáng)，完全滿足現(xiàn)在樓宇自動(dòng)化的需求，也達(dá)到了系統(tǒng)穿透能力強(qiáng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。因?yàn)橛姓系K物的原因，距離越遠(yuǎn)，丟包率越嚴(yán)重，因此在實(shí)際的應(yīng)用中，在采集節(jié)點(diǎn)群中加入若干的中繼節(jié)點(diǎn)，以保證數(shù)據(jù)傳輸通暢。

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的采集AD 轉(zhuǎn)換的性能，在室溫25 ℃下進(jìn)行了溫度采集100 次的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下表4 所示，表中的數(shù)據(jù)表明本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度達(dá)到了93%，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的90%的要求，相比CC2530 芯片的AD 轉(zhuǎn)換精度有很大的提高。

表4 室溫25 ℃溫度采集誤差測(cè)試Tab.4 Room temperature 25 ℃temperature acquisition error test

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有維護(hù)成本低，使用方便，組網(wǎng)便捷且抗干擾能力強(qiáng)，誤報(bào)率低，傳輸速率高，功耗低，數(shù)據(jù)采集精確度高，信號(hào)衍射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，相比ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)有了很大的提升且解決了傳統(tǒng)消防安全出口標(biāo)志燈功能單一以及相互之間不能互聯(lián)的問題。

5 結(jié)語

本文完成了一套基于433 MHz 無線射頻通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自組網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可在復(fù)雜的環(huán)境中達(dá)到20 m，抗干擾能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡單，誤碼率低，數(shù)據(jù)采集正確率高達(dá)93%，減少了系統(tǒng)的誤報(bào)，數(shù)據(jù)傳輸速率最高達(dá)37 kbps，衍射能力強(qiáng)，穿墻能力強(qiáng)，帶寬較好，信號(hào)衰減慢，應(yīng)用成本低，靈敏度高達(dá)-139 dBm 以及較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性且支持多樣化的需求服務(wù)，系統(tǒng)最終的數(shù)據(jù)使用4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸，相比使用GPRS、GSM 通信技術(shù)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性?？蓮V泛應(yīng)用于各種智能樓宇化建設(shè)中，也可將數(shù)據(jù)庫信息接入消防中心及其他的政府部門，更好地為智慧城市的建設(shè)服務(wù)。