<；电*14X)(2019.No.3)55文章编号：1004-289X(2019)03-0055-07
无线
报警系统基于NB-IoT的智能烟雾报警系统设计何煌城，周海芳，章杰，江美玲
(福州大学物理与信息工程学院，福建福州350000)
摘要：针对传统的烟雾报警系统具有布线施工复杂，无法实时监控导致火情发现滞后，设备损坏无法及时检修，从而造成火灾造成人员伤亡和财产损失的问题，设计了一种基于窄带物联网(NB-IoT)技术的火灾实时监控系统。采用了以STM32L431为主控单片机，以NB-IoT为传输方式，在云平台和手机端实现控制。一旦发现火情，可以通过和核心网将报警信息及时上报到物联网云平台，并且通过平台提供的接口和第三方服务器实现对接，在手机端实现报警功能，同时，手机端可以下发本地声光报警命令。经过多次检测，可以在1~3s内将报警信息上传到云平台和手机，并且及时下发本地报警命令。 关键词：烟雾报警;NB-IoT；云平台；物联网
中图分类号:TP277 文献标识码:B
Design of Intelligent Smoke Alarm System Based on NB一IoT
HE Huang-cheng,ZHOU Hai-fang,ZHANG Jie,JIANG Mei-ling
(School of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou350000,China)
Abstract:A real-time fire monitoring system based on NB-IoT technology is designed to solve the problem that the tra・ditional smoke alarm system has complicated wiring construction,it cannot monitor the delay of fire detection in real time,and the equipment damage cannot be repaired in time,which causes the casualties and property loss caused by the fire.The STM32L431is used as the main control MCU,and the NB-IoT is used as the transmission mode to realize the control on the cloud platform and the mobile phone.Once the fire is found,the alarm information can be reported to the cloud platform of the Internet of things in time through the base station and the core network,and it can through the interface provided by the platform and third・party servers to achieve docking.The alarm function is implemented on the mobile phone,and the local audible alarm command can be issued on the mobile phone.After many tests,The alarm information can be uploaded to the cloud platform and mobile phone within1~3s,and the local alarm command can be issued in time.
Key words:smoke alarm；NB-IoT；cloud platform；Internet of Things
1引言
随着人们生活水平的提高，住宅区等室内场地的电器设备应用数量越来越多，这样无形中增加了许多火灾发生隐患⑴。传统的火灾报警系统功能简单0]，存在几点缺陷：有线设备通过暗管布线，检修和维护难度高；无线设备墙壁穿透性差，公开频段干扰多；每个设备厂家采用私有协议⑶，平台不互通，设备互联互通性差。本系统利用低功耗的STM32I431单片机⑷将烟雾报警系统实现物联网化，拥有海量的连接数，可对大片区域烟雾报警设备实施实时监控，同时接入的烟感器数量可达十万个且协议统一，并且通过广域无线网⑸类型之一的NB-IoT及时上报发生火灾的信息和发生火灾的区域，用户可以在短短几秒内就收到火灾警报，系统时效性极高而且节省消防系统安装成本、运维成本⑹，可即插即用、无需布线，可以通过手机APP推送实时报警信息。 基金项目：福州大学校发展基金(2013-XY-28)；
福州大学校发展基金(2014-G-71)
56《电扎卄矣》(2019.No.3)
2系统整体构架
基于NB-IoT的智能烟雾报警系统的构架如图1所示，主要由烟感设备终端、NB-IoT和核心网、物联网平台、第三方服务器四大部分组成。其中烟感设备终端是由STM32L431单片机逻辑模块，电源模
块,BC95无线通信模块"I,MQ-2烟雾传感模块组成的，第三方服务器包括了基于adroid开发的手机APP O MCU通过GPIO口采集烟感值和下发蜂鸣器的控制信号,BC95-B5通讯模块通过AT指令和MCU进行交互通信,BC95-B5通信模块通过COAP协议与进行通信，将数据包通过核心网发送到物联网平台，物联网平台再通过API接口将数据推送到手机客户端，从而实现手机和平台界面对烟雾报警设备的状态监控和远程控制。
图1系统总体框架
3系统硬件设计
系统的硬件构成如图2所示，主要由传统烟感终端和NB-IoT这两个部分组成。逻辑控制模块与NB-IoT模块采用UART方式进行通信，同时，电源系统给NB-IoT模块提供3.3V的直流电源。
主控逻辑芯片采用32位Cortex-M4内核超低功耗STM32L431处理芯片⑷，拥有超低的8nA掉电模式和超低的28nA待机模式。主控逻辑的功能有两个：一是将烟感终端采集到的状态信息发送给NB-IoT 模组，然后上传到云端；二是接收手机端和云端下发到NB-IoT模组的控制命令，并且执行本地声光报警。LED灯和蜂鸣器的作用是实现本地声光报警功能，按键的作用是调节烟感报警的阈值。
STM32L4主控模块负责将采集到的烟感终端数据打包后通过UART发送到NB-IoT模块，通过射频的方
式，模块内专用的NB-IoT物联网SIM卡与NB-IoT进行数据的传输，进而通过核心网发送到云平台，云平台再通过接口发送到手机端。
图2系统硬件构成图
3.1电源模块
本系统采用的TP5410为一款恒定5V升压控制器，升压电路内置NMOS功率管，外部仅需一个电感和肖特基二极管及少量电容即可完成5V升压输出。TP5410还集成了充电温度保护，升压输入电源限流环路，可根据负载情况动态调节电流，并具有快速响应和过流关断功能。如图3所示，本系统的电压模块采用了两个具有较高的切换速度的SS34肖特基二极管, BAT和VOUT端并联了两只47jl F的电容以保证芯片工作稳定且有较好的频率特性。同时，为了避免毛刺和尖峰电压引起芯片的可靠性下降，在V cc、VOUT以及BAT端都并联了100nF的电容。另外，为了满足系统给主控逻辑MCU模块提供稳定且纹波低的工作电压，通过低压差线性稳压器芯片AMS1117将5V电源电压转换成3.3V。
DI
SS34
图3电源电路接线图
3.2MQ-2烟感模块
火灾传感器按原理可以分为感温式传感器、感光式传感器、感烟式传感器和复合式传感器。本系统采
用的传感器MQ-2属于感烟式传感器，原理是火灾产生烟雾与传感器中的核心半导体材料⑼二氧化锡发
《电九卄关》(2019.No.3)57
生化学变化，造成表面势垒降低，半导体的导电性能得到显著提高，外部的电子电路可以检测到变化产生报警信号。其原理如图4所示,MQ-2输岀随烟雾浓度变化的直流信号，被加到比较器LM393的2脚，烟雾传感器输出的模拟电压与变阻器的电压值一起输入到高精度电压比较器3】。当烟雾浓度较高，输出电压高于门槛电压时，比较器输出低电平，此时LED闪烁；当浓度降低，传感器的输出电压低于门槛电压时，比较器翻转输出高电平,LED熄灭。
3.3NB-IoT模块电路设计
NB-IoT模块的硬件电路连接如图5所示，BC95是一款NB-IoT系列通讯模块，通过无线电通信协议,BC95模块可与网络运营商的基础设备建立通信从而实现数据上传和命令下发，上行速率最高为15.625Kbps，下行速率最高为24Kbps。在设备端BC95模块的主串口可与MCU用AT命令进行通信，波特率为9600bps o本系统采用的是频段为850MHz 的电信版BC95-B5模块，它的电源VBAT电压输入范围为3.IV~4.2V，而本系统供电为5V，为此我们利用电平转换电路将5V转为3.3V供电以符合它的供电要求。为满足电路设计要求，在靠近VBAT的输入端并联了一个低ESR(0.7C)的lOOfiF电容，还并联一个TVS管用来提高模块浪涌电压承受的能力。
图4烟感电路接线图
图5NB-IoT
模块电路连接图
4系统软件设计
系统软件设计包括了烟感终端主控程序设计、云平台插件开发、数据通信和手机APP客户端的开发。
4.1烟感终端主控程序设计
主控程序实现包括主程序、中断程序和服务程序。系统上电后，STM32L431主控芯片完成初始化,BC95-B5通信模块完成初始化，模块会自动搜索附近的。当烟雾传感器采集到数据时,MUC会定时发送实时数据到物联网平台，再通过API接口推送给APP应用端实现实时监控，当烟感达到阈值⑴］(设置为1000)时会触发手机端报警，同时下发命令给烟雾报警终端触发中断，产生蜂鸣器本地报警。部分程序及其注释如下所示：
UINT32uwRet=LOS_OK；
neul_bc95_reboot()；〃初始化BC95模块
while(neul_bc95_get_netstat()<0)；〃等待连接网络
neul_bc95_set_cdpserver("21&4.33.71*')；〃连接云平台
#ifdef MODULE_SMOKE
SMOKE_send.CSQ=neul_bc95_get_csq()；
if(neul_bc95_send_coap_paylaod((const char*)(&SMOKE_send),sizeof(SMOKE_send))>=0)〃发送数据到云平台uart_data_flush();
memset(bc95_net_data_nmgr,0,5)；
neul_bc95_read_coap_msg(bc95_net_data_nmgr,5); printf(n%s/n",bc95_net_data_nmgr)；
if(strcmp(bc95_net_data_nmgr,"ON")==0)
|HAL_GPIO_WritePin(Beep_GPIO_Port,Beep_Pin,GPIO. if(strcmp(bc95_net_data_nmgr,**OFF'*)==0)
!HAL_GPIO_WritePin(Beep_GPIO_Port,Beep_Pin,GPIO 4.2云平台插件开发
本系统的完成，需要在平台上开发设备profile文件和开发编解码插件，并上传至平台，具体的内容有调用鉴权、注册设备、修改设备信息接口等。
profile文件：该文件是对烟雾传感器的设备能力描述和服务类型描述，把设备厂家、设备型号、设备类型等信息注册到平台，在平台中定义烟感终端“是做什么的”和“能做什么”，并且严格规定它们“怎么做”。
编解码插件：由于设备和物联网平台之间的应用层协议不统一，为了能接入不同协议的设备，调用烟感设备提供的对应的编解码插件包。
4.3数据通信
实现远程烟感系统的远程监控和远程控制，就需要运用到通信协议，通过通信协议打包数据流，在控制器和云平台之间进行数据上报和命令下发。
4.3.1通讯协议
系统中烟感报警终端和云平台之间是通过NB-IoT和核心网实现无线远程监控的，使用的数据流通信方式是在平台上自定义的，包括数据上传和命令下发，具体协议内容见表1。上传时，按照“AT+ NMGS=数据长度，数据”的格式对数据进行打包，通
〃数据格式
//打开蜂鸣器
PIN-SET)；|〃输出高电平
//关闭蜂鸣器
PIN_RESET)；|//输出低电平
过串口发送AT指令给NB-IoT模块，从而上传至云平台和手机端。下发时，平台按照“NNMI：数据长度，数据”的格式传给NB-IoT模块，从而烟感终端执行本地声光报警命令。
表1烟感终端与云平台之间通信协议内容消息名信息类型数据类型字节数/B内容消息含义
Index Int8u上传11标志位
CSQ Int8u上传10-99信号强度Smoke V alue String上传40-9999烟感值MaxValue String上传41000烟感阈值
Switch String下发3On/Off蜂鸣器开关
4.3.2系统数据上报流程
如图6所示，烟感设备终端通过传感器采集数据、并将数据按本系统开发的编码规则进行编码。烟感设
备终端通过串口，以AT命令的形式，发送已经编码数据到NB-IoT系列的BC95模组。NB-IoT模组接收到MCU发出的AT命令后，自动把相关的数据封装为COAP协议的消息，并发送给本系统配置的物联网平台，物联网平台收到数据后，自动解析COAP协议包，根据烟感设备profile文件，到烟感设备对应
的编解码插件，对payload数据包进行解析，解析为与烟感设备profile描述文件中服务文件相匹配的.json 数据，并将数据存于物联网平台之上。手机客户端APP通过API数据对接的RESTful接口来取得平台上的烟感数据。同时也提前调用订阅接口，对烟感数据实时上传进行订阅，平台都会通过POST消息，发送到我们的手机客户端。
图6系统数据上报流程
4.3.3系统命令下发流程
如图7所示，手机客户端APP创建下发报警的信令，其命令的格式需和平台描述的一致，然后发送到平台。物联网平台收到之后，开始执行判断烟感设备终端是否入网在线，如果设备在线，通过查烟感编解码插件进行编码，输出二进制消息打包成COAP报文形式，然后下发报警信令到烟感终端的BC95通信模块。如果平台判断设备离线，那么信令会被存储于物联网平台的命令历史数据中。下发本地报警命令之后成功后，烟感设备终端会上报命令执行的结果，同样在物联网平台通过对应的profile文件查烟感编解码插件执行解码，输出二进制消息，获取信令的执行结果，修改状态为报警状态，并将
烟感设备终端本地报警已开启的执行结果送达手机APP客户端。
4.4手机APP客户端
客户端的开发是基于安卓的，设计界面包括了登录界面、监控界面和历史数据界面，在监控界面可以显示烟感设备是否在线、是否报警、蜂鸣器开关、信号强度和设备名称。手机APP客户端实现系统中用户登录、消息推送、设备添加、设置设备信息以及发送下行命令等功能。具体的手机客户端数据流处理如图8所/J«O
报警信息
APP客户端物联网平台编解码插件烟感设备
査麟编解
组成COAP报文
输蕭进制
:
编码necode
输入json
解码dncode
输入二进制数
输出json
发送到设备终端
命令结果上报
上报通知
图7系统下发命令流程
图8APP数据流处理流程图
5系统测试
5.1设备入网测试
在终端对接物联网平台时，首先要知道对接物联网平台的IP地址和端口号，然后将每个BC95-B5通信模块唯一的IMEI码和平台进行绑定，再通过AT指令实现终端入网，可以进行数据发送和命令下发。我们用串口调试助手进行设备入网的测试，具体的步骤如下所示：
步骤1：模块上电，执行“AT+NRB”实现模块重启，这是一个软重启命令，成功后BC95模块返回0K
。
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