CN110111524A - 一种消防物联网无线采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于智能建筑领域，特别涉及一种消防物联网无线采集系统，包括数据服务器、上位机管理系统、综合网关、无线火灾报警控制器、无线火灾数据采集终端和移动终端。数据服务器和上位机管理系统通过CAN总线通信连接；上位机管理系统通过4G网络管理各个综合网关，综合网关通过UART串行接口连接无线火灾报警控制器，综合网关通过4G网络通信连接移动终端，无线火灾报警控制器通过6LoWPAN网络与无线火灾数据采集终端通信连接。本发明采用基于6LoWPAN的无线传感网络实现消防物联网的数据采集功能，可以扩大应用场景和范围。
Description
技术领域
本发明属于智能建筑领域，特别涉及一种消防物联网无线采集系统。
背景技术
随着物联网技术的广泛应用，带动一系列的技术领域和产业蓬勃发展。无线传感器网络也是物联网的核心技术之一，作为无线传感器网络发展的无线通信技术、传感器技术、嵌入式应用开发以及微电子技术同样越来越受到重视。传统的传感器网络通常由两种节点：数据采集节点和数据汇聚节点组成。现今传感器网络已经经历四代发展历程，前三代传感器网络采用串口或并口与控制器连接，第四代传感器网络进入无线传感器网络时代。
消防物联网无线采集系统正是应用第四代无线传感器网络来实现，现有的技术多采用Zigbee、GFSK调制等短距离无线通信技术进行火灾传感设备网络的组建。应用Zigbee技术和无线传感器搭建物联网环境，设计出三层云结构并使其互相整合。然而 Zigbee 传感网络的监控软件大多依赖 PC 机存在，Zigbee 协议缺少对IPv6 功能的支持，不能满足预期的对节点实时监控与操作的要求。消防项目大多要设置在复杂结构的建筑物内，对无线传感器设备的信号要求很高，需要使用较多的无线信号中继设备来延长通信距离，使得这个无线网络拓扑结构复杂度升高，信号传输通道狭窄，网络鲁棒性差。
而6Lo WPAN 技术实现了无线传感器网络的节点可以自由接入互联网，它精简了IPv6 协议的功能，保留并修改必需的部分，并针对非必需的部分则进行了裁剪和删除。这对于物联网同基于 IPv6 的互联网实现全面融合具有非常重要的意义。彼此融合的物联网与互联网可以形成真正的全 IP 网络，从而实现人们在任何时间和地点，都可以通过某一终端获取所需要的信息，这是未来理想的信息社会所展现的美好前景。6Lo WPAN 技术的采用将有效地解决物联网感知延伸层的传感器节点接入互联网的问题，实现传感器网络末梢节点的 IP 化。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种消防物联网无线采集系统。
所述技术方案如下：
一种消防物联网无线采集系统，包括数据服务器、上位机管理系统、综合网关、无线火灾报警控制器、无线火灾数据采集终端，所述数据服务器和所述上位机管理系统通过CAN总线通信连接；所述上位机管理系统通过4G网络管理各个所述综合网关，所述综合网关通过UART串行接口连接所述无线火灾报警控制器，所述综合网关通过4G网络通信连接移动终端，所述无线火灾报警控制器通过6LoWPAN网络与所述无线火灾数据采集终端通信连接，所述无线火灾报警控制器包括核心处理器、6LoWPAN无线网络协调模块、电源模块、下载调试模块、存储模块、时钟模块、触摸显示屏和声光报警器，所述无线火灾数据采集终端包括微控制器、6LoWPAN无线通信模块、温度传感器、烟雾传感器、火灾图像显示探测器电池盒和天线。
进一步地，所述核心处理器为FPGA、DSP、ARM、MCU中的一种或两种的组合。
进一步地，所述核心处理器设计有最小系统电路和外围系统电路，所述最小系统电路包括电源电路、时钟电路和复位电路，所述外围系统电路包括电源转换电路、基于6LoWPAN无线模块电路、触摸屏电路、SD卡存储器电路、声光报警电路、UART电路、以太网通信电路和E2PROM模块电路。
进一步地，所述微控制器为8位微控制器。
进一步地，所述综合网关主要包括4G无线网卡接口模块和无线传感器网路数据应用层代理及交互通信模块。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1、本发明采用基于6LoWPAN的无线传感网络实现消防物联网的数据采集功能，可以扩大应用场景和范围。
2、6LoWPAN无线传感器网络的具有低功耗、低成本和高稳定性的优点，主要是在IEEE802.15.4标准网络中传输。
3、本发明中的无线传感器网络拓扑结构采用星型拓扑和点对点拓扑的结合，极大地降低了无线数据流量和功耗，增强了无线传感器网络的鲁棒性。
4、本发明中的综合网关采用4G技术实现接收底层模块传送来的网络流数据，并且为上层模块提供编程接口以实现数据的网络发送，能够快速地将火灾信息进行远距离传送，非常适合某个地域的消防数据远程监控，并建立消防大数据。
附图说明
图1是本发明实施例提供的消防物联网无线采集系统的逻辑结构示意图；
图2是本发明实施例提供的综合网关的逻辑结构示意图；
图3是本发明实施例提供的消防物联网无线采集系统的信息交互图；
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”术语应做广义理解，能够是固定联接，也能够是可拆卸联接，或成一体；“连接”是直接相连成一体，“联接”是可拆卸式联接，“固定”是静联接；除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，能够根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，一种消防物联网无线采集系统，包括数据服务器、上位机管理系统、综合网关、无线火灾报警控制器、无线火灾数据采集终端，数据服务器和上位机管理系统通过CAN总线通信连接，数据服务器是将本下同采集的数据进行汇总处理并传输至远端的消防站或城市消防监控中心，及时记录火灾信息进行记录和分析，通过对历史火灾数据分析寻找硬件信息和输入的火灾数据记录之间的联系，建立分析预测模型，评估风险，及时管控每个消防单位的火灾风险；上位机管理系统通过4G网络管理各个综合网关，上位机管理系统主要是监控和分析数据服务器的火灾信息，并可同时远程对各个综合网关进行输入控制信号，各个综合网关的火灾信息和设备信息也可以通过4G网络输出至上位机管路系统。
参见图1、图2，进一步地，本发明的综合网关主要包括UART串行接口、4G无线网卡接口模块和无线传感器网络数据应用层代理及交互通信模块。综合网关通过UART串行接口连接所述无线火灾报警控制器，负责接收无线火灾报警控制器采集到的数据并对其进行管理。4G无线接口模块负责接收从无线传感器模块传送来的网络流数据，并且为上位机模块提供编程接口以实现数据的网路发送。4G无线接口模块还可以连接远程的移动终端，第一时间将消防项目现场的火灾信息传输至移动终端。无线传感器网络数据应用层代理及交互通信模块主要负责IP网络与无线传感器网络之间的数据通信与代理转发。
本发明的综合网关具备强大的处理数据能力和储存数据能力，并且具有灵活的可拓展性，参见图2，为综合网关基于ARM架构的逻辑结构框图。如，内核可选择ARM CortexTM-A系列的32位应用型处理器，可向托管丰富OS平台和用户应用程序的设备提供全方位的解决方案，支持传统的ARM、Thumb指令集和新增的高性能紧凑型Thumb-2指令集，处理速度可达到1.1MIPS/MHz，配备外扩存储器接口，支持USB接口、IIS接口、LCD接口、键盘接口、RTC、ADC、DAC、DSP协议处理器；采用嵌入式Linux开发板，如iTOP-4412、BeagleBone Black等，开发板支持UART接口、JTAG接口、线性Flash接口、非线性Flash接口、SDRAM接口、电源连接头、Ethernet接口、扩展接口、处理器接口、Micro HDMI端口、4G通信模块接口，其中4G通信模块可以采用LonHand 4G DTU无线通信模块、赛诺联克LTE无线通信模块或华为ME909S-120MiniPCIe 4G无线通信模块。
参见图1，无线火灾报警控制器通过6LoWPAN网络与无线火灾数据采集终端通信连接，无线火灾报警控制器包括核心处理器、6LoWPAN无线协调模块、UART通信模块、电源模块、下载调试模块、存储模块、时钟模块、触摸显示屏和声光报警器。6LoWPAN无线协调模块，对外提供CLI串行接入方式以及UART串行IO接入端口，使用RS232电平、TTL和RS232电平转换典型电路。无线火灾报警控制器主要是收集无线火灾数据采集终端传输的火灾信息，进行火灾判断，并发出声光报警，还可以记录火灾报警信息，如火灾发生地点、时间、火灾类型、人员伤亡、财产损失和火灾原因等信息。触摸显示屏上可以输入控制信息。
进一步地，核心处理器设计有最小系统电路和外围系统电路，最小系统电路包括电源电路、时钟电路和复位电路，外围系统电路包括电源转换电路、基于6LoWPAN无线模块电路、触摸屏电路、SD卡存储器电路、声光报警电路、UART电路、以太网通信电路和E2PROM模块电路。更进一步地，无线火灾报警控制器的核心处理器为FPGA、DSP、ARM、MCU中的一种。
参见图1，无线火灾数据采集终端包括微控制器、6LoWPAN无线通信模块、温度传感器、烟雾传感器、火灾图像显示探测器、手动火灾报警按钮、电池盒和天线。具体地，6LoWPAN通信模块主要是可以基于6LoWPAN进行无线通信，微控制器对传感器采集的数据进行封装，另外还包括放大电路、滤波电路和模数转换器。采集的数据主要包括温度、烟雾、图像数据和手动报警，将传感器采集的数据通过放大电路、滤波电路和模数转换器处理变成适于处理器运行的数字信息，并通过UART模块接口发送至6LoWPAN通信模块，6LoWPAN通信模块再将数据通过多跳方式发送至无线火灾报警控制器。
更进一步地，无线火灾数据采集终端的微控制器为8位微控制器。
进一步地，6LoWPAN无线通信模块和6LoWPAN无线协调模块可以采用LinearSmartMesh IP模块、Avior模块或IDT ZWIR4532模块。
基于6LoWPAN协议的无线传感器网络的硬件设计主要包括数据采集节点和数据汇聚节点的硬件设计。具体到本发明的主要是无线火灾数据采集终端和无线火灾报警控制器的硬件设计。所述的无线通信模块应用于数据采集节点中，负责将火灾传感器采集到的数据传输给无线网络协调管理模块，无线火灾数据采集终端作为数据采集节点，无线火灾报警控制器作为数据汇聚节点。6LoWPAN无线传感器网络的具有低功耗、低成本和高稳定性的优点，主要是在IEEE802.15.4标准网络中传输。IEEE802.15.4标准的主要优点有低功耗、低速率、低成本、时延短、网络容量大等优点，IEEE802.15.4标准中的节点可以使用64位扩展地址，该扩展地址是符合EUI规范并且是全球唯一的，并作为网络建立过程中的通信地址使用，当普通节点通过身份认证并且加入到无线个域网之后，网络协调节点会为它分配一个16位的短地址，作为无线个域网内部的通信地址。本发明中的无线传感器网络拓扑结构采用星型拓扑和点对点拓扑的结合，无线火灾报警控制器作为星型网络的中心，每个无线火灾报警控制器所述管路的无线火灾数据采集终端都只能与其进行通信，而无线火灾数据采集终端之间可以实现点对点的通信。
火灾警情发现及汇报流程如下：
整个无线系统正常工作时，会周期性的进行环境信息采集和火灾判断。若探测器判断发现有火灾警情发生，则立即发送火警消息给无线火灾数据采集终端内的微控制器，微控制器收到探测器节点的报警消息后会立即提取消息内容，更新节点状态中至相应火灾报警的状态，并将消息封装成6LoWPAN的适配层帧格式发送给6LoWPAN无线通信模块，由6LoWPAN无线通信模块发送无线火灾报警控制器，控制器收到节点的报警消息后，会立即更新节点的状态，并同时发送疏散启动信息给指定节点的探测器或声光警报器。
无线火灾报警控制器操作流程如下：
无线火灾报警控制器监视探测器及系统自身的工作状态。接受、转换、处理火灾探测器输出的报警信号，控制启动声光报警及探测器进行疏散指示，指示报警的具体部位及时间，同时执行相应辅助控制等任务。当探测器的警情解除后，控制器可通过发送系统复位命令，可以解除报警探测器的状态，使其重启回到正常工作状态。
参照图3，在所述6LoWPAN网络中，各节点的信息交互包括基于6LoWPAN无线通信模块模块终端设备随机接入流程、基于6LoWPAN无线通信模块终端设备定时上报流程、数据读取流程、心跳检测流程。
基于6LoWPAN无线通信模块终端设备随机接入流程如下：
新的终端设备加入无线网络中时可以与最近的无线火灾数据采集终端无线通信，也可以与最近的无线火灾报警控制器进行无线通信，发送网络ID以及连接密钥申请连接；相应的节点收到后发送应答数据，完成设备的随机接入功能。在数据釆集发送过程中，通过读取传感器采集数据，当有数据到达时，进入中断，此时读取传感器数据并进行封包发送。网络加入包括Init、Pre-join、Joining、Ready四个阶段，完成后采集节点无线通信模块加入传感器网络，采集节点通信模块需要建立无线网络传输信道，然后才可以进行数据发送。
基于6LoWPAN无线模块终端设备定时上报流程如下：
采用6LoWPAN无线模块的烟雾探测器、温度探测器、火灾图像显示探测器以固定的周期对环境中的信号量进行监测，检测完毕后立即向所在节点的微控制器传输信号量，微控制器通过判断后决定是否将信号量传输至对应的协调节点或者通过相邻的数据采集节点传输至最终对应的协调节点。协调节点将收集到的信号量传输到综合网关，综合网关将数据进行分析处理后传输信号量到用户的手机客户端显示。网络数据发送使用套接字实现，网络釆用数据报传输方式，即使用传输。建立网络套接字后，需要进行端口绑定，使用特定端口进行网络数据发送，微控制器读取数据是通过UART中断操作进行，在中断过程中，微控制器读取传感器数据并重新进行数据封装，数据封装包括数据包校验、字节填充以及头尾起始与结束标识符的添加。在数据封装完成以后，微控制器调用将sendto API将数据从套接字接口发送至网络协作节点中。
数据读取流程：用户可以通过移动客户端发出对系统内指定设备的查询请求，当服务器收到查询信息后，将检索数据库，查找到设备的具体位置以及在无线网络的传输路径，将查询的需求通过智能网关发送到无线火灾报警控制器，通过无线火灾报警控制器查询到该设备的状态信息，将信息通过智能网关回传信息至服务器，服务器推送该信息到客户端显示，完成查询的整个过程。
心跳检测流程：整个系统中无线火灾数据采集终端与无线火灾报警控制器之间的6LoWPAN无线网络、无线火灾报警控制器与智能网关之间的UART传输总线均具备通信状态检测的功能，无线火灾数据采集终端定时发送心跳数据包至无线火灾报警控制，无线火灾报警控制进行应答；无线火灾报警控制器定时发送心跳数据包到综合网关，综合网关将进行心跳数据的应答；同时综合网关发送心跳数据包到指定的上位机等待应答；当指定时间内收不到信息时，设备间将报出通信故障提示用户排查故障，保证信息传输的通畅。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种消防物联网无线采集系统，包括数据服务器（1）、上位机管理系统（2）、综合网关（3）、无线火灾报警控制器（4）、无线火灾数据采集终端（5）和移动终端（6），其特征在于，所述数据服务器（1）和所述上位机管理系统（2）通过CAN总线通信连接；所述上位机管理系统（2）通过4G网络管理各个所述综合网关（3），所述综合网关（3）通过UART串行接口连接所述无线火灾报警控制器（4），所述综合网关（3）通过4G网络通信连接所述移动终端（6），所述无线火灾报警控制器（4）通过6LoWPAN网络与所述无线火灾数据采集终端（5）通信连接，所述无线火灾报警控制器（4）包括核心处理器、6LoWPAN无线协调模块、电源模块、下载调试模块、存储模块、时钟模块、触摸显示屏和声光报警器，所述无线火灾数据采集终端（5）包括微控制器、6LoWPAN无线通信模块、温度传感器、烟雾传感器、电池盒和天线。
2.根据权利要求1所述的消防物联网无线采集系统，其特征在于，所述核心处理器为FPGA、DSP、ARM、MCU中的一种或两种的组合。
3.根据权利要求1所述的消防物联网无线采集系统，其特征在于，所述核心处理器设计有最小系统电路和外围系统电路，所述最小系统电路包括电源电路、时钟电路和复位电路，所述外围系统电路包括电源转换电路、基于6LoWPAN无线通信模块电路、触摸屏电路、SD卡存储器电路、声光报警电路、UART电路、以太网通信电路和E2PROM模块电路。
4.根据权利要求1所述的消防物联网无线采集系统，其特征在于，所述微控制器为8位微控制器。
5.根据权利要求1所述的消防物联网无线采集系统，其特征在于，所述综合网关（3）主要包括4G无线网卡接口模块和无线传感器网路数据应用层代理及交互通信模块。
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