基于NB-IoT技术的智慧消防系统

基金项目：2024年天津市大学生创新训练项目（项目编号：202410066016）

摘  要 ：当今社会随着物联网快速发展，尽管火灾探测技术和火灾报警系统已广泛应用，但抵御和应对火灾及其他灾害事故的综合能力亟待加强和改进。因此，针对传统预防火灾检测系统各设备独立运行，缺乏联系等问题。构建一种基于NB-IoT技术的智慧消防安全云平台，以此来提高低火灾预防和响应的效率和可靠性变得至关重要。该系统通过信息技术整合，从海量数据中分析潜在火灾隐患，提供科学依据，实现精准防控，提高了管理效率和质量。研究智能消防可促进火灾防控精细化管理、灭火救援智能化及后勤高效化。并且在一定程度上发现潜在的火灾隐患点，并提前采取必要的预防措施，从而降低火灾发生的可能性。

关键词 ：STM32微处理器 ；NB-IOT ；环境监测 ；数据采集 ；云平台

0    引  言

智能消防系统采用轻量化的检测算法，有效降低了综合成本，为消防通道占用检测提供了坚实的技术支撑。该系统支持远程管理与操作，极大简化了传统流程，提升了消防安全管理的效率与便捷性。同时，它打破了传统火灾预防系统的信息孤岛现象，通过数据联网共享，增强了整体应急响应能力，使消防安全保障更加高效、协同。

1    系统设计方案

1.1    系统总体架构

基于NB-IoT技术的智慧消防安全云平台是基于STM32微处理器所构建的，其系统主要由监测终端、图像处理、NB-IoT网络、数据处理中心和数据应用平台五个部分组成。系统原理框图如图 1 所示。

1.2    数据采集与预处理

数据采集模块采用分布式数据采集方案，在管网关键节点布设智能传感器阵列。温度传感器精度为0.1℃，传感器采样频率可根据监测需求动态调整，通常设置为每1min一次。采集到的信息会同步发送至云平台的数据库，并且使用K210图像识别技术，负责视频监控，画面等信息的数据采集与预处理。为后期前端提供数据上的支持。

２    NB-IoT网络

NB-IoT网络作为一种低功耗广域网络（LPWA），在物联网领域发挥着重要作用。它支持多种常见的网络通信协议，包括UDP、TCP、HTTP、LWM2M 以及MQTT等，是物联网应用中极为常见的商业通信方式之一。

NB-IoT网络的部署十分便捷，无需自建基站，不仅节省了大量成本与时间，而且通信稳定可靠。其具备覆盖范围广的优势，能够在广泛的区域内实现信号的有效传输；同时，低功耗的特性使得设备在长时间运行过程中能耗较低，有效延长了设备的使用寿命；此外，它还支持大量设备连接，能够满足众多物联网设备的接入需求。正因如此，NB-IoT网络尤其适用于火灾监测等多种场景。

在本系统中，NB-IoT作为数据基础，借助运营商的基站，实现了消防系统与数据处理中心之间的高效数据分析，为整个系统的稳定运行提供了有力保障。

3    系统平台设计

3.1    系统硬件设计

本项目硬件设计选用意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的STM32F103RCT6微控制器，该器件基于ARM Cortex-M3内核架构，其工作频率高达72MHz，是一款32位高性能嵌入式处理器。该控制器采用LQFP64封装，紧凑的封装尺寸和丰富的引脚资源让其适用于各种对空间要求较高、功能复杂的应用场景。

在图像处理模块方面，则选取了由嘉楠科技自主研发的Kendryte K210人工智能芯片。该芯片基于RISC-V指令集架构，集成双核64位处理器单元，每个核心均配备独立浮点运算单元（FPU），可实现并行浮点运算处理。同时可在1W超低功耗下完成复杂图像特征提取与实时目标识别任务。同时各路传感器采用工业级传感器，具备高可靠性、高耐用性、低输出噪声和高精度输出等特性，能更为适合整个系统。

3.2    系统软件设计

3.2.1    物联网软件设计

通信模组采用NB-IoT模块，由于其高安全性的无线传输技术，以及可接入信号基站的覆盖范围之广。从而确保终端和数据处理中心之间的高效数据交换，且可以有效防止未经授权的访问和数据窃取，保护物联网系统的安全。智慧消防系统的软件流程如图2所示。

3.2.2 实现云平台的多功能

（1）设备接入。本系统采用MQTT协议，因其支持多种行业及主流标准协议的设备接入，满足多种应用场景的使用需求。

（2）设备管理。提供设备生命周期管理功能，支持用户进行设备注册、设备更新、设备查询、设备删除等。提供设备在线状态管理功能，提供设备上下线的消息通知，方便用户管理设备的在线状态。提供设备数据存储能力，便于用户进行设备海量数据的存储与查询。

（3）数据及访问安全。支持用户采用私有协议以及私有加密方式进行数据传输，保证数据安全。

（4）规则引擎。支持对物联网套件中的各种设备消息进行不间断监控。支持SQL对监数据进行字段查找、插入、重组与自定义逻辑判断后进行数据打包，数据打包后通过NB-IoT模块发送到数据处理中心后进行数据判断，从而判断数据是否异常。

（5）数据反馈。数据反馈至用户的手机APP中，使数据可视化。

4    结语

本文提出了一种高效、智能的消防安全管理解决方案，该设计利用大数据分析、人工智能等新技术手段，实现了对消防事件的可靠预防、全方位监控、准确预测、适时预警、快速响应和高效处置。这一解决方案旨在为消防救援队伍提供科学的预测预警和决策调度支持，同时为消防事件的处置提供强有力的决策依据，从而积极改善我国消防体系的现状。

参考文献：

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[3]侯其立，倪卫，叶凯音，等．基于物联网的消防设施监控终端[J].自动化与仪表，2020，35（9）：90-92.

[4]罗静.基于NB-IoT通信技术的智能温控系统设计[J].信息记录材料，2022，23（8）：78-81.