基于LoRa技术的校园火情监测系统

摘  要：为预防校园火情，减少发生火情的损失，设计了一款基于远距离无线电技术的校园火情监测系统，说明了该火情监测系统的网络拓扑以及底层硬件与上层软件，并以校园内的大楼与学生宿舍作为对象进行测试，结果表明该系统实时、可靠，具有很高的准确率，可有效地监测目标范围的温度情况，若超出正常范围则发出警报，同时可以知晓火情发生的具体位置，可以为校园提供有效的火情预防措施。

关键詞：LoRa;火情监测;校园火情;无线

中图分类号：TP277     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）23-0031-04

Campus Fire Monitoring System Based on LoRa Technology

HUAI Tianyu

（School of Cyber Science and Engineering，Qufu Normal University，Qufu  273165，China）

Abstract：In order to prevent campus fire and reduce the loss of fire，a campus fire monitoring system based on LoRa technology is designed. The network topology，bottom hardware and upper software of the fire monitoring system are described，the buildings and dormitories in the campus are tested. The results show that the system is real-time，reliable and has high accuracy. It can effectively monitor the temperature of the target range. If it exceeds the normal range，it will give an alarm. At the same time，it can know the specific location of the fire. It can provide effective fire prevention measures for the campus.

Keywords：LoRa;fire monitoring;campus fire;wireless

0  引  言

学校是一个集体场所，人口密度极大，任何一场火灾都有可能造成严重后果，带来无可挽回的人身伤害和财产损失。近日我校多次强调，在日照校区的学生宿舍内发生了校园火灾事件，无论是在教室还是宿舍，学校都应该确保学生的安全，为学生营造良好的学习氛围。为了尽量避免火灾并保证火灾发生时将损失降至最低，笔者制作了一个校园火情监测系统进行监测与控制，将火情消灭于萌芽阶段，最大限度避免火灾的发生[1，2]。为了更好地了解硬件以及软硬件结合的场景，在咨询专家以及获得帮助后，笔者最终设计出了这款基于远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）技术的校园火情监测系统。

1  技术简介

在低功耗广域网产生之前，远距离和低功耗两者之间只能二选一。当采用低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）技术之后，设计人员可做到两者都兼顾，最大限度地实现更长距离通信与更低功耗，同时还可节省额外的中继器成本。

LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，该技术的最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，兼顾了低功耗和远距离传输，LoRa无线传输标准还有超大网络容量、低成本和适合大规模部署等特点。

LoRa的优势在于技术方面的长距离能力。在一个给定的位置，传输距离在很大程度上取决于环境或障碍物，LoRa有一个链路预算优于其他任何标准化的通信技术。链路预算通常用分贝（dB）表示，是在给定的环境中决定距离的主要因素。LoRa高达158 dB的链路预算，即使在复杂环境下，传输距离也可以达到2 km[3]。

一个完全符合LoRaWAN标准的通信网关可以接入5到10 km内上万个无线传感器节点，其效率远远高于传统的点对点轮询的通信模式，也能大幅度降低节点通信功耗。

2  网络拓扑

现有许多部署好的网络都采用了网状结构，每个单独节点要通过其他节点传递信息，这不仅增加了网络的复杂性，而且缩短了电池寿命。相反，LoRa网络架构是一个典型的星形拓扑结构，当实现长距离连接时，终端节点和网关可直接进行信息交互，有效降低网络复杂性和能量损耗，延长电池寿命[4]。

终端节点包括物理层、Mac层和应用层的实现，使用的是LoRa线性扩频调制技术，遵守LoRaWAN协议规范，实现点对点远距离传输。LoRa网关完成接口物理层的处理，LoRa网关负责接收终端节点的上行链路数据，然后将数据聚集到一个各自单独的回程连接，解决多路数据并发问题，实现数据收集和转发。终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点均是双向通信，使用标准的TCP/IP连接。通过互联网/专网进行数据的传输，到达应用服务器后，应用服务器负责管理数据负载的安全性，分析以及利用传输来的数据进行状态展示，从而达到警示的目的。

根据建设内容，项目采用自建专用物联网无线网络覆盖。终端与网关之间通过LoRa无线方式通信，所有网关通过4G方式无线连接到校园火情监测系统，如图1所示。

无线声光报警器等设备配置在学区楼、宿舍楼内，每个楼配置一个LoRa网关，保证可以覆盖整个检测区域，通过网关将信息通过网络传递给无线火灾报警管理平台或手机/APP进行通知，为进一步决策提供信息支撑。信息的传递十分重要，而在范围比较大的情况下LoRa也就展现出了它的优势，我们不用担心由于覆盖范围不够而导致的火情传递不及时以及盲点问题。

3  设备配置

无线声光警报器由LoRaWAN无线底座和独立式声光警报器组成，独立安装，无线联网，可与其他火灾报警器联动，可大幅提高消防施工效率和智慧化水平。当发生火灾并确认后，安装在现场的无线声光警报器通过校园火情监测系统进行远程控制，启动联动警报，发出强烈的声光报警信号，让现场人员及时进行突发安全状况的紧急处理。

4  技术架构

校园火情监测系统按照网络结构分层自下而上可以分成四层：感知层、网络层、平台层、应用层，基本构造如图2所示。

感知层：是校园火情监测系统的底层，其功能是通过传感器采集各类信息，种类包括烟雾浓度、环境温度等，用于火灾的早期预警。本项目中用到了无线声光报警器等。

网络层：将感知层中采集的数据传输至平台，并接受平台下发数据，本校园火情监测系统在网络层采用的是LoRaWAN技术与协议。

平台层：是以云计算为核心，将传感器采集的数据进行汇总和处理。在校园火情监测系统中，平台层被视为物联网的核心环节，如图3所示。

应用层：是校园火情监测系统中的最顶层，直接面向客户的应用与需求，实现报警接收和处置、报警信息分发、消防设施管理、用户信息管理等功能，并且可以实现与第三方平台的互联互通。项目前后端分离，利用Vue进行前端开发，Axios发送AJAX请求和后台交互，后端使用了SpringBoot、SpringMVC、Mybatis框架，还有SpringSecurity保证访问认证和授权管理，使用MySQL数据库存储数据。具体页面如图4所示。

5  用户管理

用户分为操作员和管理员，在线的操作员或管理员成为值班员，管理员的权限最高，可以分配权限给普通用户，管理员可以查看实时数据，修改系统配置参数等，操作员只能查看数据，没有分配和修改配置的权限。管理员可以看到所有的管理员与操作员，但是操作员没有权限查看其他人为管理员或操作员。管理员可以看到操作员是否在线。且值班员保留原本角色的权限，具体页面如图5所示。

6  定位与检测

监控的位置可以实时以可视化的方式显示在无线火灾报警管理平台的客户端上，具体可以定位到楼层以及房间。由于当火情发生时信息的实时性十分重要，所以管理员和用户可均以通过来自无线火灾报警管理平台或手机APP的报警，快速定位到火灾发生的位置，为救援以及灭火提供下一步的决策支持。火灾发生的地方也会响起警报，通知大家迅速有序撤离。倘若传感器发生了故障，我们将无法定位到该传感器，同时该传感器将会在可视化界面上消失，应该立即派出维修人员进行检修，以保证传感器的正常使用。

7  验证测试

在得到许可的情况下，我们选取了学校老干部楼进行测试，二楼和三楼分别设置了20个监测点，将报警温度设置为50摄氏度，监测点利用人工手段保持在60摄氏度左右。使用的是基于LoRa技术的无线声光警报器与校园火情监测系统进行监测，测试结果如表1所示。

从表1中可以看到我们设置的40个报警数量中有38个成功进行了警报并显示在无线火灾报警管理系统上，所占比例为95%，在机器全部正常的情况下，可以看到该系统报警的准确率还是非常高的，可以有效监测、预防火情[5]。

8  结  论

本文研究使用了基于LoRa的校园火情监测系统来实现对校园火情的监测和预防，通过平台我们可以对学校的监测点实时监控，确定配置参数进行试验，结果表明可以有效地进行报警处理，准确率高，并且成本较低。从宏观角度看，该系统不仅适用于学校，同样适用于医院、商业区、酒店、饭店、博物馆等大型公共场所。因为在科技日益进步的今天，安全始终还是排在第一位的，所以我们必须对群众的安全保护措施付出努力。

参考文献：

[1] 顾兆平.基于LoRa无线通信技术的电气火灾监控系统 [J].消防技术与产品信息，2018，31（10）：50-52.

[2] 李天才，李学红，李桂琴.基于物联网的智慧消防无线监测系统设计 [J].工业控制计算机，2020，33（4）：31-33.

[3] 岳云涛，贾佳，王靖波，等.基于LoRa无线传输技术的电气火灾监控系统设计 [J].电子技术应用，2018，44（12）：32-35.

[4] 赵靜，苏光添.LoRa无线网络技术分析 [J].移动通信，2016，40（21）：50-57.

[5] 陶智，梁献霞，邵慧莹，等.基于混合LoRa和ZigBee技术的校园火情监控系统设计研究 [J].河南科技，2020，39（31）：9-11.

作者简介：怀天宇（2000—），男，汉族，山东曲阜人，本科在读，研究方向：软件开发、大数据、云计算等。