基于窄帶物聯網的消防報警數據傳輸系統設計

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基于窄帶物聯網的消防報警數據傳輸系統設計

本文基于窄帶物聯網（NB-IOT）的傳輸架構，以EVB_M1開

發板為基礎，設計了消防報警數據的傳輸系統方案，經過測試，該

系統可以實現報警數據上傳與指令下載，并可以在消防管理信息系

統中進行應用。

1 引言

物聯網是世間萬物的相互聯系形成的一種網絡，并通過各種信

息傳感設備實現物品之間的網絡信息共享，物聯網來源于Internet

of things一詞，具備典型的垂直行業特性。由于物聯網具有全面感

知、可靠傳送和智能化處理的特點，使其特別適用于消防報警、故

障處理等消防設施信息管理系統。因此，本文重點研究消防報警數

據經過物聯網傳輸的系統設計方案。

通信技術是物聯網的基礎，通過不同場景的通信技術把傳感

器采集的數據傳至后臺服務器，可以進行統一的管理與應用。一般

來說，通信技術依網絡覆蓋距離分為兩類：一類是覆蓋范圍小的通

信技術，如：ZigBee、WiFi、藍牙等短距離通信技術，另一類是廣

域網通信技術，包括UMTS、GSM、LTE等成熟的蜂窩網絡技術，

以及LPWAN技術。在低功耗廣域網中又分為兩類：一類是屬于授

權頻段，如：3GPP標準定義的一種窄帶物聯網（NB-IOT）技術、

eMTC國際標準等。另一類則屬于非授權頻段的技術，如：LoRa、

SIGFOX等。目前，NB-IOT技術已在電信運營蜂窩網絡中構建，

根據《關于全面推進移動互聯網（NB-IOT）建設發展的通知》通

告中提出到2020年，NB-IOT網絡要實現全覆蓋，對于室內，交通

路網，地下管道等應用實現深度覆蓋，基站數量達到150萬個。因

此，NB-IOT網絡在未來物聯網應用中將具備強有力的競爭優勢。

本文以NB-IOT為基礎，設計了消防報警數據在NB-IOT網絡中

傳輸的整體實現架構，對基于NB-IOT協議的開發板進行了設置與

二次開發，通過數據測試，最終可實現報警數據的上傳與消息指令

的下載功能，完成了整體數據傳輸的設計。

2 傳輸方案設計

2.1 NB-IOT數據傳輸架構

本系統中設計采用NB-IOT模組實現消防報警數據遠程傳輸，

對于窄帶物聯網產品來說，無需安裝配置，支持自動登記設備，

采集的數據通過NB-IOT基站進行傳輸。NB-IOT智能傳輸的架構如

圖1所示。其架構是由嵌入NB-IOT模組的消防報警器、NB-IOT基

站、IOT平臺、應用服務器和客戶端軟件等組成。

圖1 NB-IOT消防報警數據傳輸架構

上汽通用汽車有限公司 陶玉靈

上海海事大學 耿 烜 孟 麗

2.2 EVB_M1開發板應用

本文硬件方面選用了物聯網俱樂部開發的EVB_M1開發板，如圖2

所示，EVB_M1是基于UDP協議數據接發測試的，以MCU為主控芯片的

硬件設計核心，采用了BC95模組的NB-IOT開發板，該模組支持NB-IOT

通信標準，硬件通訊接口為UART，波特率一般設置為9600/15200bps，

調試串口約為921600bps，信號電平3.0V并通過AT指令控制。BC95模組

在設計上兼容了GSM/GPRS系列的M35 R2.0模塊，有利于產品的快速使

用，易于升級，并提供完善的短信和數據傳輸服務。

圖2 EVB_M1開發板功能模塊

以BC95模塊為核心構成的EVB_M1開發板，在設計中的應用

主要分為兩類：1)南向終端：包含計量數據處理傳感器、無線傳輸

模塊和高精確計量儀表，通過CoAP協議實現與華為平臺的數據交

互，并通過NB-IOT網絡與華為的OceanConnect物聯網平臺進行連

接，從而上報報警數據的狀態信息；2)北向應用：實現了終端的配

置、數據訂閱等功能，主要是通過調用OceanConnect物聯網平臺的

北向API，實現對終端設備的管理和數據采集等。

2.3 數據的采集和傳輸

NB-IOT數據傳輸方式是由NB-IOT終端對用戶的報警數據進行

采集，然后把采集到的數據通過NB-IOT模組傳送到基站，基站將

這些數據上傳到后端服務器，方便用戶獲取相關信息。在數據傳到

基站這個過程，是將數據進行多次重復傳送來確保數據的精確性，

可解決以往數據傳輸過程中的誤傳和不準確等問題。

2.3.1 數據采集

對于采集終端來說，初始化完成之后MCU芯片進入低功耗模

式等待喚醒，此刻BC95模塊處于idel和PSM模式，當終端有數據上

報請求時，芯片休眠結束，開始采集報警信息并發送給NB-IOT通

訊模塊，在數據包發送完成之后，再次進入休眠狀態等待下一次喚

醒，通信模塊收到數據之后通過AT指令將數據信息傳送到NB-IOT

基站，圖3為采集終端的具體流程。

BC95模組開機步驟一般包含以下幾點：1)通過給模組上電，

初始化USIM卡；2)開始對小區的信號進行搜索；3)搜索到NB網絡

時，開始進入連接狀態；4)激活PDN，獲取IP地址；5)開始建立

用戶數據鏈接，收發用戶數據；6)無數據交互時，開始進入idel、

PSM狀態；7)等待上發用戶數據，或再次進入連接狀態。

2.3.2 數據傳輸

用戶獲取的信息是通過數據傳輸，即通過采集終端和數據庫之

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間通信鏈路實現的，數據的傳輸所涉及的內容包括通訊的開始、參

數的設置、采集數據的消息指令、采集結果及關閉通訊鏈路等，如

圖4為數據傳輸的流程圖。

圖3 數據采集終端流程圖

圖4 數據傳輸流程

在本系統中，采集的數據直接從報警器直達數據平臺，并在

后臺服務器上進行數據的處理等操作，數據的傳輸是通過串口助手

QCOM_V1.6發送AT指令實現對BC95模組的調試，此時的波特率為

9600，其他參數設定后即可進行操作，配置過程如圖5所示。

圖5 EVB_M1軟件的調試和配置

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3 數據收發功能測試

對于NB-IOT模組的測試，是通過AT指令進行的。測試準備工

具包含以下幾個方面：1)BC95-B5的轉接模塊；2)BC95轉接板USB

適配底座；3)NB-IOT專用測試卡；4)串口調試工具；5)UDP網絡測

試工具；6)VPS服務器及筆記本，用于串口的調試使用。圖6表示命

令下發界面，根據頁面提示進行命令參數的設置并對設備進行數據

的發送請求測試。

圖6 命令下發頁面

圖7表示數據上報頁面，根據命令下發來實現數據的發送狀態，

顯示的是數據格式和發送時間。當出現歷史命令頁面時，表明該模塊

進入了idel/PSM狀態，再一次進行數據上報操作即可進入連接狀態。

圖7 數據上報頁面

經過以上測試，該系統可以實現采集數據的上傳與指令下載。

4 結論

本文設計了一種基于NB-IOT的消防報警數據傳輸系統，使用

以BC95模塊為核心的EVB_M1開發板，通過對數據采集和傳輸功

能的設計與開發，實現了消防報警信號通過窄帶物聯網的無線傳輸

功能，具有穩定、安全的傳輸特點，將是窄帶物聯網在消防安全領

域中的一類重要應用。

作者簡介：陶玉靈（1977—），男，河南商城人，碩士研究生，高

級工程師，現供職于上汽通用汽車有限公司。