施荣华 余尔航 胡超

摘 要：高校智慧消防服务平台以IPv6物联网为基础，采用6LoWPAN协议和无线传感网络技术构建数据采集系统，通过6to4隧道技术，基于MIPS微处理器和OpenWrt操作系统，设计了支持6LoWPAN无线通信协议和IPv4协议的融合网关，在此基础上构建高校智慧消防服务平台，并以IPSec和云盾保障服务平台的安全性和服务质量，实现对高校各校区各建筑的消防状况远程、全面、集中化管理，确保校园的消防安全。测试结果表明，该方案可行性高、组网方便、易于维护和升级。

关键词：IPv6;6LoWPAN;智慧消防;智能设备;智能网关;OpenWrt

中图分类号：TP391.4文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）11-00-04

0 引 言

近年来消防安全形势严峻，火灾风险和发生几率居高不下。由于高校中存在各类大型实验室，危化品使用频繁，导致高校火灾在全国各类火灾中占很大比例，并且高校中消防设备监管和消防安全管理的工作存在基数较大、状态多变等特点，传统消防安全管理模式难以有效应对复杂的突发性消防事故，针对高校中传统消防模式无法满足当前消防安全需求的问题，通过引入6LoWPAN无线通信协议对消防设备进行监控，对消防状态进行实时预警，对消防部门人员值班巡检进行管理，保证所有消防设备随时待命，一旦发现设备非正常运行或出现紧急消防事件时可及时报警并采取应急预案，以保障师生生命财产安全。本文在此基础上研究了基于6LoWPAN的高校智慧消防服务平台。

文献[1]提出一种基于互联网的火灾防控云平台，该系统平台采用个人计算机（Windows）+移动设备（Android）模式，但未对系统数据采集协议进行描述;文献[2]提出一种基于蓝牙传感器的智能监控系统，该系统可通过BIM技术查明火灾地点、范围，分析火势蔓延方向，制定灭火策略，但使用蓝牙协议使得系统的功耗较大，不适用于大范围部署;文献[3-4]提出一种基于ZigBee的智慧消防物联网云平台，但由于ZigBee协议限制，数据量相比6LoWPAN更大，传输距离较短，不易与互联网融合;文献[5]提出一种基于LoRa技术的智慧消防报警系统，该系统拥有长距离、广覆盖等优点，但终端信道接入方法采用纯ALOHA机制，终端无信道检测直接发送，随着终端或数据包数量增多，多个包在信道上发生碰撞的概率增大，极易产生冲突，不适用于高校消防系统;文献[6]提出一种基于6LoWPAN的大气环境监控系统，但其系统功能比较单一，且未给出监控终端和6LoWPAN节点之间IPv6通信的解决方法。当前国内外智慧消防建设取得了不少理论研究和工程经验成果，但目前关于“智慧消防”的建设还存在信息孤立、基础核心平台建设不全等问题。

针对以上问题，本文通过6LoWPAN良好的互操作性来解决信息孤立问题，6LoWPAN支持与其他IEEE 802.15.4设备互通，同时也支持与其他IP网络互联。通过设计基于消防大数据的数据控制层，对数据进行智能化分析，对消防设备进行智能化控制，实现服务平台的智能化。同时，通过调用高校中原有的消防和安保设备，集合成大安全概念网，对高校师生和财产进行全面保护，构建组网方便、功能完善、易于维护和系统升级的创新型高校智慧消防服务平台。

1 服务平台功能需求和总体设计

1.1 服务平台功能需求

服务平台需求如下。

（1）设备管控集中化。通过物联网技术实现对高校内消防设备、环境及安防状态、设备能耗等进行智能感知、集中统一管理和自动控制。

（2）消防管理智能化。消防设备和消防状态的状况通过图表等可视化形式展示，一键单独或批量监控所有设备和状态，出现消防问题自动向后台报警并通知管理员。

（3）管理系统平台化。在基础硬件设施上，依托消防大数据的支持和保障，建立可视化综合管理服务平台，打造一个信息化高校消防安全网络。

1.2 服务平台总体设计

基于IPv6物联网的高校智慧消防服务平台的整体框架如图1所示。服务平台由4个部分组成，包括数据采集层、數据传输层、数据控制层、平台应用层。

数据采集层通过传感器对消防设备、消防状态和消防部门的数据进行收集，构建底层数据库，重点在于消防设施和状态信息的采集和标准化。

数据传输层使用融合网关，对数据采集层的数据进行传送和通信以及进行部分处理，形成异构网络，融合IPv4网络和IPv6网络。

数据控制层和平台应用层对采集的数据进行处理，实现智能监控、分类、辨别、定位和管理等应用，构建可视化的智慧消防服务平台。

2 服务平台部件设计

2.1 数据采集层

由于消防服务平台采集的数据种类繁多，所需传感器种类、信号类型等各不相同，因此需对不同消防设备进行分类，使用不同的传感器进行监控，如使用智能水表监控消防喷淋是否有水，及水压状况和消防水泵的开合状态;使用智能标签定位消防水枪、灭火器、消防急救箱的位置;使用温感、烟感设备确保设备楼栋的状态正常等。

针对高校智慧消防服务平台的功能需求，本文设计的数据采集层基于6LoWPAN协议。6LoWPAN协议是一种低功耗、短距离、低硬件需求的无线传感网络协议[7-9]。6LoWPAN协议栈如图2所示。在6LoWPAN协议栈中，物理层与MAC层采用IEEE 802.15.4标准，网络层采用IPv6协议，在MAC层和网络层之间增加一个适配层来实现两个标准的融合，主要功能为压缩、分片与重组、Mesh路由，以实现在IEEE 802.15.4网络、低功耗设备中传输IPv6数据包。6LoWPAN是一种基于IPv6的协议，拥有广阔的地址空间，可以满足大量节点的部署需要，并且方便与其他IP网络互联，构建异构网络，实现互通。

底层数据的上传通过Client/Server方式，数据控制层作为客户端，而数据采集层作为数据服务器端。在需要获取数据时，控制层向采集层发送请求，采集层接收并响应请求后，为控制层提供相应的数据服务。按照实际的数据需求，通过请求数据服务，控制层即可获取采集层的所有数据。因此，采用Client/Server模式上传数据在提高灵活性的同時降低了通信流量。

2.2 数据传输层

数据传输层通过融合网关实现6LoWPAN网络与以太网的融合，利用OpenWrt配置融合网关的系统层，通过在IPv6静态分配基础上使用DHCP动态分配，搭建纯IPv6网络环境。通过6to4隧道技术使IPv6的信息能通过IPv4网络通信，实现IPv4网络与IPv6网络的融合。

融合网关硬件基于MIPS微处理器的智能网关接口类型如下。

（1）局域网内部接口：无线（802.11，如WiFi），有线以太网，USB，6LoWPAN。

（2）局域网外部接口：ADSL，有线以太网。

融合网关硬件结构如图3所示。

网关系统层采用Linux OpenWrt操作系统，OpenWrt是用于路由器和嵌入式设备的GNU/Linux发行版操作系统，也是一种高度模块化、自动化的嵌入式Linux系统[10]，可以直接通过Web界面对网关进行配置。使用Netfilter框架构成内核空间，对数据包进行过滤与处理，实现IPv6数据包的网络地址转换。Netfilter框架通过在网络中设置若干HOOK来实现对数据包的控制。通过在IPv4网络与IPv6网络中设置HOOK，即可在网络层中根据需要来处理IPv4数据包与IPv6数据包。

2.3 数据控制层与平台应用层

数据控制层与平台应用层基于大数据构建消防数据可视化服务平台，通过对大数据的挖掘分析，实现消防隐患早发现、早识别、早处理，提供不同时间段、不同类型火灾发生几率，并制定灭火紧急预案。宏观把握当前消防现状，科学预测火灾形式，提升火灾防控效能。建立可视化界面，将底层数据分析结果以可视化的形式展现，使得用户能够直白地观察消防设备运行状态，若出现火灾险情，平台向用户和消防部门及时报警，尽早发现尽快处理，防患于未然。通过串联高校原有的消防设备和安保设备，建立一个高校大安全服务网络平台，有效保护师生以及高校财产安全。

数据控制层基于Linux下的Java环境搭建Oracle数据库，存储底层数据。基于Spring Boot框架配置服务器，搭建GIS应用服务与Web应用服务，在GIS与Web服务上衍生出报警、视频、运行状态信息等子服务，并将各自服务的接口连接到应用层，以便应用层对其数据进行调用。

应用层通过对底层数据建模，建立可视化界面，使得用户能通过服务平台或手机APP得到各消防设备的运行状态与高校内重点消防安全部位的火灾报警信息，并为高校管理层、各二级学院、维保单位提供详实的高校消防物联网运行数据，基于Hadoop框架建立大数据平台，通过消防大数据研判，统计分析处置信息，实现服务平台的智能化。

数据控制层与平台应用层软件框架如图4所示。

3 系统测试

3.1 测试用例

为验证6LoWPAN网络的性能，测试6组实验，基于占空比分别为0.06、0.12、0.25的ZigBee网络与6LoWPAN网络。通过测试各组端到端时延的累积分布函数（CDF）与数据包投递率来判断其优劣。

ZigBee网络中允许选择性地使用超帧结构，其结构由信标参数BO（Beacon Order）与超帧参数SO（Superframe Order）确定。信标参数BO定义了两个连续信标之间的时间间隔，从而确定了超帧发送周期，该间隔被称为信标间隔BI（Beacon Interval）。超帧参数SO定义了超帧的活跃时间，即超帧持续时间SD（Superframe Duration），超帧结构的工作周期及占空比（DC）的定义见式（1）：

6LoWPAN网络的占空比定义见式（2）：

式中：AI为活动间隔;SI为睡眠间隔;Tpkt为数据包传输时间;Dtx为数据包传输之后的延时，通常设置为20 ms;Tsend为数据包发送周期。

通过以上分析，设置数据包发送周期为20 s，并对比ZigBee网络与6LoWPAN网络之间的端到端时延和数据包投递率。

3.2 测试结果及分析

端到端时延的累积分布函数如图5所示。在相同占空比下，6LoWPAN协议的端到端延时明显小于ZigBee协议。由于在6LoWPAN-1的配置中减小了活动间隔，导致平均时延和标准差增大一个数量级，对网络性能产生了严重的负面影响，故不参与讨论。

ZigBee与6LoWPAN的数据包投递率如图6所示。可以看到，ZigBee网络部分数据包丢失，且由于存在同步故障，当信标参数越低时，丢包率越高。6LoWPAN网络在接收数据包方面性能更优，如上文所述，6LoWPAN-1不参与讨论。

4 结 语

本文从智能设备和智能网关的现状入手，分析了IPv6协议和6LoWPAN协议的优势，提出了基于6LoWPAN的高校智慧消防服务平台的设计和实现方法。通过6LoWPAN无线传感协议实现底层数据采集的低功耗、高覆盖。利用6to4隧道技术设计了高适应性融合网关，确保6LoWPAN协议与IPv4协议的融合。建立可视化服务平台，通过对消防大数据的分析和挖掘，对消防形势进行预测并制定解决方案，提升火灾防控效能。实验结果表明：该方案切实可行、组网方便、易于维护和升级，能够进一步发掘消防隐患，提高消防效率，优化资源配置，更好地保障师生生命财产安全。本文对数据采集能耗的优化以及数据储存的优化未做相关分析和研究，该部分将在后续工作中完成。

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