基于 LoRa 技术的智慧消防报警系统设计

0 引 言

我国很多老旧建筑没有安装消防报警器或者消防设施陈旧落后，急需进行现代化改造，以便及时将报警信息上传至报警中心。消防工作一直是国家保障民生安全的重要工作之一。随着互联网时代的来临，目前消防系统存在的封闭性突出、相互之间无法传递火灾警情、难以形成完整的网络体系等问题，是当前智慧消防领域研究的重点 [1]。相关政策明确指出，养老院、福利院、幼儿园、社区居民活动场所、老旧居民住宅、宿舍、小旅馆等场所需要安装独立式烟感报警器。

本文系统采用基于 LoRa的物联网通信技术，结合前端智能烟感报警器、无线网关等设备可以及时有效地将火灾情况第一时间上传至消防报警指挥中心，大大提高了火灾探测的及时性和准确性。该系统使消防人员能够实时掌握抢险救援现场的动态，提高消防部门的智能化和精准化决策能力 [2]。

1 系统总体设计架构

系统主要由三部分组成，即前端智能报警器、无线网关、后台监控管理平台。系统的总体架构如图 1 所示。

系统的前端智能报警器可选择无线烟感报警器、声光报警器、可燃气体报警器等。前端设备为信息传感设备，主要负责采集现场的实时信息并将其传输至管理平台进行处理。无线网关是整个系统的枢纽站，其作用是桥接终端和服务器， 接收来自终端的信号并转发至服务器，之后将服务器返回的信号传送到终端。前端设备与网关之间使用 LoRa 技术进行通信。后台的监控管理平台建立在消防报警指挥中心，包括网络服务器、数据库服务器、Web 服务器等各种软硬件设备。

监控平台可以有效地进行远程消防信息的采集，实现对消防设备日常运行状态的实时、全面以及动态监管 [3]。

2 系统优势

低功耗广域网（Low PowerWideArea Network，LPWAN）技术是一种革命性的物联网无线接入技术，与 WiFi、蓝牙、ZigBee等现有成熟的技术相比，具有远距离、低功耗、低成本、广覆盖等优点。LoRa作为非授权频段（433MHz/470MHz/ 780MHz）的一种 LPWAN技术，其产业化更加成熟，商业化更加完善[4]。表1所列为采用LoRa技术的智能烟感的特点。

LoRaWAN是为 LoRa远距离通信网络设计的一套通信协议和系统架构，一个LoRaWAN网络架构包含了终端、网关、网络及应用服务器四个部分，标准化设计可确保它们之间的互操作性。与网状网络相比，LoRaWAN的网络结构是较为典型的星型拓扑结构 [5]，具有结构简单和功率低等特点。

3 系统主要功能

消防设备日常管理包括对智能烟感等设备的检查、维修、更换电池等，现有管理手段为通过专职人员进行管理和记录并更新数据，工作量巨大，导致设备状态无法被消防管理人员全面获悉，存在极大的消防隐患 [6]。

通过对前端智能报警设备集成 LoRa 通信模块，即可将报警设备接入 LoRa 网络系统中。每一个前端设备都是一个节点，每片区域的节点将信息传输至相应的网关，再由网关接入通信公网中与监控平台进行实时通信。网关可以通过有线、无线 WiFi，3G/4G 网络等方式接入公网中。LoRa 的网络结构如图 2 所示。

在该网络架构中，LoRa 网关是一个透明传输的中继， 连接终端设备和后端中央服务器 [7]。网关与服务器间通过标准 IP 连接，终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有节点与网关间均是双向通信，终端与网关之间的通信是在不同频率和数据传输速率基础上完成的，数据速率的选择需要在传输距离和消息时延之间权衡。由于采用了扩频技术，不同传输速率的通信不会互相干扰。

物联网技术在消防领域的应用是指在消防预警现场，采用各种传感设备将现场采集的大量信息通过网络传输至消防报警指挥中心。指挥中心的管理人员可以通过这些信息对现场进行救援力量、救援装备及救援物资的部署 [8]。指挥中心是整个系统的决策中枢，管理人员可以使用系统的所有功能，主要包括以下几点：

（1）设备的管理和配置 ：每个前端节点均包含报警状态、位置、电量、设备识别码等信息，管理人员能够方便地对节点、网关进行配置，对系统容量进行扩展。

（2）实时报警及通知 ：LoRa 低功耗的特点决定了其可以长时间不停歇地工作，从而实现实时报警，通知方式包括微信、短信、邮件、电话报警等。

（3）基于 GIS 的信息显示 ：由于每个前端节点都可以配置位置信息，所以监控管理平台可以通过 GIS 系统实现地图显示，可视性更强。为消防部门开展建筑日常管理、设施维护、应急疏散提供便利 [9]。

（4）B/S 架构模式，支持云或本地部署 ：B/S 架构无需安装客户端，方便快捷、交互性强，用户可以自行选择将Web、数据库等服务器部署在本地，或者架设在云端。基于云平台的新型物联网运营模式比传统的本地部署拥有更多优势，如信息更加安全可靠、投入成本更低，具有更大的存储容量、更强的计算能力等。低廉的计算成本与灵活的配置力使云计算产业在蓬勃发展的同时也促进了其他相关产业的进步 [10]。

4 结 语

LoRa 是当前最成熟、稳定的窄带物联网通信技术，目前已经在全球范围内广泛部署。据最新公布的数据，已经有 17 个国家公开宣布建网计划，120 多个城市地区正在运行LoRa 网络。此外，最新推出的 LoRa 定位技术、无线解析、安全认证、天线、电池等与网络配套的成熟技术，让可运营的物联网网络成为可能。本文结合当下物联网发展的大趋势，提出了融合 LoRa、云计算、传感器等技术的智慧消防系统，从实用性、可靠性、可扩展性和控制成本多个方面出发，可为用户提供优质的物联网服务，具有较好的工程意义和市场价值。并且由于 LoRa 具有功耗低、传输距离远等特点，未来还可被应用到诸如智能停车、智能抄表、智慧农牧业、智慧环境监测等领域。