基于混合LoRa和ZigBee技术的校园火情监控系统设计研究

陶智 梁献霞 邵慧莹 祝志奇

摘 要：本文设计了一款基于LoRa技术和ZigBee技术的校园火情监测系统，并选取校园宿舍楼对该系统的效果进行测试。结果表明：该系统报警准确率高，可有效预测监测点的温度情况。

关键词：LoRa;ZigBee;校园;火情监测

中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0009-03

Design of Campus Fire Monitoring System Based

on Hybrid LoRa and ZigBee Technology

TAO Zhi1 LIANG Xianxia2 SHAO Huiying1 ZHU Zhiqi1

（1.Xingtai Polytechnic College，Xingtai Hebei 054000;

2.Hebei Institute of Mechanical and Electrical Technical，Xingtai Hebei 054000）

Abstract： This paper designed a campus fire monitoring system based on LoRa technology and ZigBee technology， and selected the campus dormitory building to test the effect of the system. The results show that the system has high alarm accuracy and can effectively predict the temperature of monitoring points.

Keywords： LoRa;ZigBee;campus;fire monitoring

校園是学生活动密集度极高的场所，做好校园防火工作是为学生创造良好学习氛围的重要前提，各院校必须把校内防火工作放在校园安全建设的首位。校园内突发火情，会造成严重的危害，严重威胁学生们的生命财产安全。当前，多数院校不仅从思想上提高学生的防火安全意识，而且在楼宇内设置了相应的防火装置。为了有效提升校园防火成效，多数学者对校园火情监控系统进行了详细研究。例如，丁凡等以STM32系列ARM控制器、CC2420无线射频芯片为技术核心，设计出了基于ZigBee技术的无线校园火灾监控、报警系统的硬件节点模块[1];董再秀研究了基于无线传感器网络的学生宿舍火灾监测系统[2];肖潇针对目前校园火灾、火灾隐患及火灾应急预案制定的现状，以昆明理工大学莲花校区为例设计开发了基于三维GIS的校园火灾应急救援系统，对校园火灾现场及周边环境进行三维场景虚拟仿真，对火灾进行准确评估，并为消防人员提供最短路径分析以及最近消防栓查询等功能[3]。本文采用混合LoRa和ZigBee的物联网技术及时监测可能出现的火灾隐患并上报系统告警，将火情消灭于萌芽状态，以最大限度地避免校园火灾的发生。

1 关键技术

1.1 LoRa技术

1.1.1 LoRa概述。LoRa是Semtech公司创建的远距离无线电（Long Range Radio）低功耗局域网无线标准。与其他无线方式相比，在相同的功耗条件下，LoRa传播距离更远，具备低功耗以及远距离的特点。

1.1.2 LoRa特性。LoRa的传输速率为几十到几百kbps;传输距离长，城镇可达2～5 km，郊区可达15 km。工作ISM频段包括433、868、915 MH等。调制方式是基于扩频技术，是线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力。一个LoRa网关可以包含成千上万个节点。

1.2 ZigBee技术

1.2.1 ZigBee概述。ZigBee是一个基于IEEE 802.15.4标准的低功耗物联网标准，可以应用于家庭自动化、医疗设备数据收集和其他低功耗、低带宽的应用场景。ZigBee与蓝牙、WiFi相比，功耗低，距离近，并且是自组织的网络。其最高速率可达250 kbit/s，采用128位的对称加密保护算法，具有较高的安全性。ZigBee支持星型网络、树型网络和网状网络[4-5]。

1.2.2 ZigBee特性。ZigBee使用开放的频率，包括2.4～2.483 5 GHz、902～928 MHz和868～868.6 MHz三个频段，其在2.4 GHz下速率最高为250 kbit/s，在915 MHz和868 MHz频段能达到40 kbit/s和20 kbit/s，由于开销和处理延迟的影响，实际数据吞吐量将小于理论最大比特率。

1.3 Qt技术

1.3.1 Qt概述。Qt是基于C++的跨平台图形界面应用程序开发框架。它既可以开发GUI程序，也可用于开发非GUI程序，如控制台工具和服务器。Qt采用面向对象的程序设计框架，功能强大，提供丰富的API接口，扩展性强，能够实现组件化编程，具备大量的开发实例和文档，极大地方便了开发人员。

1.3.2 Qt特性。Qt在C++标准的基础上添加了一些特性，也即属于Qt自己的核心技术。这些核心技术在Qt Core模块中实现。这些特性主要包括：强大的无缝连接通信机制，称为信号和槽;可查询和可设计的对象属性;层次化并可查询的对象树;用保护指针通过很自然的方式实现对象的所有权管控;跨库工作的动态投射。

1.4 主备冗余技术

主备冗余技术可以增强系统的鲁棒性。硬件系统设计中的LoRa节点和ZigBee节点均使用主备双份，其中一个节点出现故障，可以切换到备用节点，不影响整个系统的正常运行，提高组网的稳定性。主备节点之间则通过心跳实现健康状态的相互监听。

2 系统总体设计

该系统主要由监测中心软件和各监测子系统组成。系统组织结构如图1所示，传感器将采集到的火情数据通过ZigBee节点和LoRa节点传递给火情监控平台，监测软件系统对数据进行分析判断，若分析结果大于系统设定的报警阈值，系统发出告警信息。

3 硬件设计

3.1 火情监测节点设计

校园火情监测系统总体采用分布式结构，由大量的LoRa组网节点和ZigBee组网节点、A/D转换模块以及终端数据传感器构成，组网采用树状网络模式，其拓扑结构如图2所示。红外温度传感器负责信息端的采集工作，数据由ZigBee节点和LoRa节点传输到软件总控端，经过解析转换，判断各级监控点的数值是否超过设定的阈值，根据情况确定相应的告警级别并进行处置。告警设置为三个等级，分别是提示、重要和紧急。

3.2 A/D转换电路

鉴于周围环境的影响，火情隐患监测点温度的值比较微弱，需要经过专门的A/D电路对数据信号进行放大处理。模数转换模块采用TLC1543 ADC，实物如图3所示。

3.3 红外温度传感器模块

火情隱患点处温度的高低以及变化趋势无法通过肉眼识别，故系统设计采用红外温度传感器。当红外光波长在880 nm附近时，传感器的监测性能最高。红外温度传感器将监测点的红外光数据信号转变为电压信号，并经过A/D模块器转换成相应范围内的数值。数据收集端采用MLX90614ESF-BCC红外温度传感器，其实物如图4所示。

4 软件设计

软件监控端是本系统的重要组成部分，程序采用Qt框架编程实现，模块组成如图5所示。在PC端可以看到各监控点数据信号的实时变化。根据功能需求，软件端具有用户管理、数据监控和监控点定位等功能。

4.1 用户管理

用户管理主要是管理员离开时，普通用户无法对系统进行操作查看，增强了系统的安全性。用户包括管理员和普通用户，管理员的权限最高，可查看实时数据、修改系统参数配置;普通用户只能查看数据，没有修改和控制的权限。

4.2 数据实时监控

用户登录之后进入监测主界面，当传感器被激活，可以通过硬件对现场监测点环境进行实时监测，选择需要查看的参数，可以对所监测区域进行监测。对所监测区域内的温度等参数进行监测，当监测参数异常时会有相应的报警反馈，管理人员可以在室内对现场环境进行掌控。

4.3 监控点定位

监控点定位功能可显示具体的区域楼号及楼层房间位置，均以图形化的方式呈现。管理员通过查看阈值告警，可快速定位到监测点位置，为安全保卫处下一步处理决策提供辅助支持。

5 验证测试分析

选取校园宿舍1号楼、2号楼进行测试，分别设置50个分布监测点，报警温度预设为60 ℃，监测点温度人工保持在65 ℃。1号楼作为实验组，使用本文设计的火情监测系统对温度进行监测;2号楼作为对照组，使用传统方法进行监测，实验测试结果如表1所示。

从表1可以看出，实验组1号楼的47个监测点正常报警，报警比例为94%;对照组2号楼中报警的个数为3，报警比例为6%。可见，该系统报警准确率高，可有效预测监测点的温度情况。

6 结语

本研究综合使用LoRa和ZigBee技术来实现对校园火情的监控，通过控制中心实现对校园监测点的实时监测，掌握各参数的强度信息，并选取两组监测点对系统进行测试，实验数据表明该火情监测系统的报警准确率较高。

参考文献：

[1]丁凡，周永明.基于Zigbee的无线校园火灾监控系统硬件节点设计[J].电脑知识与技术，2012（13）：3011-3013.

[2]董再秀.基于无线传感器网络的学生宿舍火灾监测系统研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[3]肖潇.基于三维GIS校园火灾应急救援系统的研究[D].昆明：昆明理工大学，2011.

[4]周忠涛.基于视频特征的火情监测研究[D].南昌：江西农业大学，2017.

[5]鞠静文.室内无线火情监测系统的研究与设计[D].武汉：武汉理工大学，2016.