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摘要： 随着高速公路飞速发展，隧道越来越多。隧道火灾是公路隧道面临的危险情况之一，因此，隧道 在建设初期往往布设了大量消防设施用于预防灾害的发生。然而传统消防设施、器材是否时刻处在可用 状态不得而知，需要经过人工巡检才能确定，即使消耗了大量人力、物力，实时性也不一定能够得到保 证。近年来物联网技术不断发展， 能够在各种场景下以低成本方式实现窄带通信， 实现万物互联。故此， 本文专门研究了利用物联网对隧道消防设施进行实时监测的技术，以低功耗、低成本的方式实现了对高 速公路隧道中消防设施的实时监测。
关键词： 高速公路,隧道,消防,监测,传感器,物联网,无线通信,超低功耗
Design and application of highway tunnel fire facility monitoring system based on the Internet of Things
Fu Hongwei
(Guangdong Feida Transportation Engineering Co., Ltd., Guangzhou Guangdong, 510000)
Abstract: With the rapid development of expressways, there are more and more tunnels. Tunnel fire is one of the dangerous situation faced by the highway tunnel, as a result, at the beginning of the construction of tunnel are often deployed a large number of fire control facilities used to prevent the happening of the disaster, however, the traditional fire control facilities and devices if time is available, unknown, need to go through manual checking to be sure, consumes a large amount of manpower and material resources, also not necessarily can be guaranteed. In recent years, with the continuous development of Internet of Things technology, narrowband communication can be realized in a low-cost way in various scenarios, and the Internet of everything can be realized. Therefore, this paper specially studies the real-time monitoring technology of tunnel fire fighting facilities using the Internet of things, and realizes the real-time monitoring of highway tunnel fire fighting facilities in a low power consumption and low cost way.
Key words: highways;tunnels;fire protection;monitoring;sensors;IoT;wireless communication;ultra-low power consumption
一、引言
多年以来，高速公路行业发展相对比较封闭， 大部分机电设施还停留在早年的传统设计上，高速 公路隧道中基本采用 PLC 进行控制，而 PLC 多半是 进口设备，造价非常高，且布设非常复杂，易用性 不高，维护难度大。故此，实际布设的监控点并不 多，存在很多盲点区域，整体的自动化程度不高， 还需要大量人工介入。伴随着技术的发展，社会上 涌现出 LoRa、NB-IOT 等技术，在其他行业中已经 有了一些成功的应用案例。
二、系统方案设计
(一)技术路线
近年来，物联网技术发展较快，目前相对比 较成熟且应用效果较好的主要有 LoRa、NB-IOT、 Zigbee、WIFI、BLE 等， 它们均有各自的特点。通 信技术对比表如表 1 所示。
从表 1 的数据对比和综合分析可知，LoRa 通 信技术在高速公路隧道物联网技术的应用中具有较 大优势，它适合在远距离实现低功耗、低成本、多 节点的可靠窄带数据传输，能满足高速公路营运单 位对数据专用性及安全性的要求 [1]。
从图 1 可以看出，LoRa 是最接近香农定理通 信极限的一种可实际应用技术，其 +22dBm 的发射功率和超过 -148dBm 的高灵敏度使得 LoRa 可以在 复杂的环境中通信，在低功耗远距离窄带通信领域 发挥优势，具有传输距离远、抗干扰性强等特点。 一般 FSK 的信噪比需要达到 8dB，而 LoRa 只需要 达到 -20dB，它是依靠极高的灵敏度来实现远距离 传输的，因而功耗极低，适合在隧道内对分布广的 消防设施状态进行低成本监测，这也是本文进行深 入应用研究的原因 [2]。
(二)系统设计
整个系统架构采用了物联网的标准体系架构， 从下往上分别为感知层、传输层、应用层，如图 2 所示。
第一，感知层，由低功耗传感器、STM32L4 系 统超低功耗单片机、低自放电锂电池及电池管理模 块、LoRa 低功耗无线模块等组成，通过传感器网 及时监测前端的设备设施并在此汇聚，统一上报。
第二，传输层，主要由接入网和传输网组成， 目的是将感知层获得的数据进行长距离传输，它负 责接入高速公路运营商的内部以太网、光纤网等， 必要时还可以通过 4G、5G 等传输链路运行备份。
第三，应用层，由监控中心软平管理平台、 用户 APP 及中间件组成。监控中心服务端的主要 功能为监测数据入口、WEB 网站入口、手机 APP 数 据入口及数据分析等，为用户提供移动端和 PC 端 的服务 [3]。
(三)各子系统设计
1. 消防箱状态监测终端
监测终端子系统采用了超低功耗的 STM32L4 单 片机，它以 Arm Cortex-M4(32 位)为内核，最低 可以做到 28nA 待机，功耗极低。传输采用低功耗 的 LoRa 模组，LoRa 器件的休眠电流小于 1uA， 工 作时的发送电流为 45mA，接收电流仅为 5mA[4]。
整个系统的关键核心是低功耗设计，而整个系 统的主要功耗在 MPU 的待机上。理论上 MPU 加上 RTC 的待机消耗 280nA，LDO 及外围消耗 1uA，运行 功耗 0.672mA*2s， 每隔 1 分钟激活; 传感器检测 需 16mA*1.5s， 每间隔 60 分钟采样：LoRa 发送需 115mA*2.5s，每次间隔 4 小时，这样工作 5 年所需 电池容量 C 为：
其中 Is 为 Standby(待机) 状态功耗(mA); Imcu为单片机运行功耗(mA) ;Isensor为传感器运行 功耗(mA) ;Ilora为无线模块运行功耗(mA) ;Tmcu 为单次运行时长(s) ;Tm(‘)cu为运行间隔时间(s) ; Ttot为运行总时长(s)。
而实际选用的低自放电电池每年约有 10% 的能 量损耗，再加上制程工艺等因素会有 5% 的额外消 耗，故此，实际所需电池容量 C1 应为：
综合考虑，本文选用了 5000mAh 的低自放电锂 电池，以满足在上述工况下运行 5 年的需求。
电源稳压设计上，本文采用了低静态电流的 LDO，零负载时可做到 0.75uA 左右自损耗。电路板 设计上，除了满足 EMC 设计要求，还尽量使得其易 于安装，方便大量的布设。从设计上要求采用 FR4 进行 PCB 板制作，为了保证耐用性，选用了 2U 的 沉金工艺，组装完成后，整体进行环氧树脂灌封， 插头金属部分涂抹触点导电油防止氧化及接触不 良。传感器设计上，根据实际需求设计了门禁传感 器、灭火器在位传感器、漏水传感器、水成膜灭火 系统泡沫液位传感器、消防管水压传感器这五个基 本功能 [5]。
2.LoRa 智能网关设计
LoRa 网关在本系统中起到了各个无线终端与 数据平台的桥梁作用，它负责汇聚各个节点终端的 无线信号，将各感知数据收集、缓存后，转入内部 以太网，按照预定义好的协议，统一打包发往中心 数据库，供中心管理平台调用。
为了适应隧道环境，提高传输的容错性能，本 文采用信号交错重叠覆盖的方式布设网关，使得在 任一位置、任一时刻的某一个节点终端，至少能同 时被两个以上网关接收到。数据包中包含节点唯一 ID 编号及数据顺序号，并以其为索引标志。到达 服务端时，服务接收程序会对两条以上相同的正确 数据取一进行数据库保存。如果其中一个接收延迟 或者接收到误码， 也不会影响数据的正确送达 [6]。
3. 平台软件设计
在用户操作界面上，可展示隧道消防设施分布， 实时监测消防设备状态、消防柜门开 / 关状态、灭 火器有效期、消防水压，通过对接 PLC。工作人员 还能通过获取水池水位状态、水泵房供水管是否漏 水等状态，并关联视频图像查看 [7]。
操作人员可以通过点击平台的功能菜单选择隧 道、设备类型、位置等。系统按照设定的搜索条件 自动唤醒相关传感器或调用相关接口程序，对筛选 列表中的设备设施进行自动巡检，发现故障时及时 提醒，并生成相应报表。
三、试验与测试结果分析
经过对紫惠高速部署平台的半年持续优化升级 和试运行，系统可对监测到的数据进行统计分析。 如 图 3 和图 4 所示。
从数据记录可以看出，采集数据的飘移值大部 分低于 1%，基本上是稳定的。
本文设计了一套基于物联网的高速公路隧道消 防设施监测系统。该系统根据感知层、传输层、 应用层三层体系结构分别设计了消防箱状态监测 器、LoRa 网关和应用管理平台软件。整套系统的 底层采用嵌入式单片机与 PLC 相结合的方式，通过 E220 LoRa 无线模块进行组网。
从总体角度上看，该系统设计合理，智能化程 度高且适应范围广，可以辅助运营单位的隧道机电 养护工作，能在及时发现消防设施故障的同时，大 大节约了人力成本，提升管理水平，可作为智慧化 隧道、智慧消防的一个示范点。同时，系统还可以 在隧道全面感知等领域进一步推广和应用，为建设 交通大数据平台提供数据支撑和服务，为人们智慧 出行的实现多出一份力。
【参考文献】
[1]何诚刚.基于LoRa 的无线监测系统设计[J].山东 农业大学学报(自然科学版), 2018(3).
[2]刘雨青,李佳佳,曹守启,邢博闻.基于物联网的螃 蟹养殖基地监控系统设计及应用[J].农业工程学 报,2018(16).
[3]霍振龙.LoRa技术在矿井无线通信中的应用分析 [J].工矿自动化,2017(10).
[4]杨欢,李红信.一种采用LoRa 技术的智能水表设 计[J].无线电工程,2017(12).
[5]汤奇峰.城域LoRa物联专网在智慧消防水系统中的应用[J].物联网技术,2020(06).
[6]林志谋.基于LoRa和NB-IoT通信技术的环境监 测系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2021(11).
[7]蒲玲玲,杨柳,刘恒,李帅.隧道健康监测中无线通 信技术研究综述与前景展望[J].四川建筑,2022(02).
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