摘要：窄带物联网（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT）是物联网领域的一项新技术，它覆盖面广，连接大，功耗低，成本低。利用该技术研制的独立烟雾探测器，实现了烟雾浓度智能报警，并实时上报云处理平台，平台通过MQTT即时通讯协议将报警消息推送到用户手机APP或者终端监控软件上。该报警系统为老旧小区、九小场所及古建筑等布线困难的场所提供了简单方便的智慧消防解决方案，为挽救生命财产提供有效可靠的技术保障。
关键词：NB-IoT；MQTT协议；消防；智慧
1介绍
1.1窄带物联网简介
窄带物联网已经成为通过3GPP的低功耗和广域标准。目前，全国已经实现NB-IoT的覆盖及商用，该技术也被全球接受。它具有以下特点：
广覆盖：NB-IoT具有很强的室内覆盖能力，比传统基站提升了20dB增益，这相当于覆盖能力增加了100倍[1-2]。不仅可以满足农村这样的偏远区域，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。
大连接：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构[3]。
低功耗： NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年[4-5]。
低成本：低速率、低功耗、低带宽给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势，国内模块价格已经降至5美元之内[6]。
1.2MQTT协议简介
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，它是由IBM在1999年基于TCP/IP协议实现的[7]。MQTT最大优点是可以以极少的代码和有限的带宽，为远程设备连接提供实时可靠的消息服务。做为一种开销低、带宽占用低的即时通讯协议，它在物联网、小型设备、移动应用等方面都有较广泛的应用。
1.2.1 MQTT协议的消息格式
MQTT消息由固定头、可变头以和有效载荷三部分组成，固定头是每一个消息都必须要包含的部分，固定头部分的长度为2字节。消息格式如表1所示。
表1 MQTT协议的报文格式
控制报文的固定头有2个字节长，具体格式如表2所示。
表2 固定报头
固定报头的高四位是消息的类型，现在，MQTT协议已定义了14种消息类型。剩余长度是指当前消息剩余部分的字节数，包括可变报头和负载的数据。剩余长度不包括用于编码剩余长度字段本身的字节数，最多支持扩展4字节，因此一条MQTT最高可携带的消息是256MB。
1.2.1 MQTT协议的特点
MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：
①使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多消息分发，以实现与应用程序的解耦；
②小型传输，开销很小（固定长度的头部是 2 字节），协议交换最小化，以降低网络流量；
③有三种消息发布服务质量：
●“最多一次”，消息发布完全依赖底层 TCP/IP 网络，会发生消息丢失或重复。
●“最少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
●“只有一次”，确保消息到达一次。
④使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。
2系统设计与实现
2.1网络部署架构层次
本系统的网络架构由感知层、传输层、服务层和应用层四部分构成。感知层通过感知识别技术自动采集无线烟感的报警、故障、欠压等各类数据信息；传输层将感知层获取到的信息通过NB-IoT基站传递到服务层；服务层处理传输层传递的数据信息，并对外部用户提供应用服务，服务层在结合云计算的技术后为用户提供更加高效便捷的服务，最终通过MQTT协议将处理过的数据推送到用户终端上；应用层作为物联网技术与消防报警行业专业技术的深度融合，实现了无线烟感报警的智能化，并通利用分析处理后的数据为用户提供丰富的特定服务。
系统框架如图1所示。
图1 系统框架
在本系统中，无线烟感通过NB-IoT基站接入运营商网络并和云平台建立数据交换通道，融合现有的互联网技术完成数据的传输及处理，利用轻量级的MQTT传输协议实现了对无线烟感的实时监控。
2.2 MQTT架构解析
MQTT中的核心组件是MQTT代理（Broker），其主要任务是将消息派发给订阅者[8]。这里的订阅者（Subscribe）指的是智能手机和PC端等终端设备，消息的发布者（Publisher）指的是云平台，它将处理后的数据发布给相应的订阅者。转发消息时，MQTT代理通过话题（Topic）来过滤客户端，话题就像一个通道，用于连接发布者与订阅者，话题本身由MQTT代理管理。本系统的MQTT协议实现采用的是基于C的Mosquitto，它基本上实现了MQTT协议中要求的各项基本功能，并且具有较强的跨平台能力，所有的MQTT报文均由Mosquitto管理和转发。
MQTT架构如图2所示。
图 2 MQTT架构
3 客户端测试
“依爱智慧家庭”是本项目组开发的一款集火灾报警设备添加、监控和分享于一体的手机APP，同时支持Android和IOS系统，下面我们以该APP为终端进行功能测试。
我们以Android为例，用户需下载登录本软件，用户将NB-IoT烟感添加好后，后台会将设备与用户进行绑定。如图3所示，图中H14N型感烟探测器就是NB-IoT无线烟感。然后对无线烟感进行吹烟模拟火警，可以看到手机端和web端同时收到报警推送信息，达到了预期的效果。
图3手机端测试界面
图4 PC端测试界面
4结束语
事实证明，基于NB-IoT的无线烟感搭配基于MQTT协议实现的推送后台，解决了报警信息实时推送到用户的问题，极大的提高了人民的生命财产安全。可以在火灾初期检测到火情并实时告知相关人员采取安全措施，具有重要意义。
参考文件
[1]彭雄根，李新，陈旭奇. N B -IoT技术的发展及网策略研究[J].邮计技术，2017(3):58-61.
[2]黄文超.NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及发展趋势[J].电子测试，2017(6)：58,29.
[3]张旭，邓菲菲，何天爱.NB-IoT的技术背景及面临的挑战[J].电脑知识与技术，2017,13(6)：89-90.
[4]李玮. NB-IoT技术及建设策略分析研究[J].中国新通信，2017(7):71.
[5]严益强. N B -IoT技术简介及其在智慧城市中应用研究[J].广东通信技术，2016,36(11):6-8.
[6]袁圣勇，张晓钧. NB-IoT在铁路行业的应用研究[J ].铁道通信信号，2016,52(12):63-65.
[7]Banks A, Gupta R.OASIS Standard MQTT Version 3.1.1.http://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/mqtt-v3.1.1.htm1.2014—10—29]
作者简介
王立龙，1988年3月27日出生，男，汉族，安徽省怀远县，硕士研究生，蚌埠依爱消防电子有限责任公司。
论文作者:王立龙
论文发表刊物:《电力设备》2018年第7期
论文发表时间:2018/7/2
标签：消息论文; 协议论文; 技术论文; 窄带论文; 字节论文; 数据论文; 所示论文; 《电力设备》2018年第7期论文;