本发明涉及无线通信技术领域，具体是涉及一种基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统。
背景技术：
当今生活中，火灾的案例时有发生，而火场环境是多变的，尤其是室内火场可能充斥有毒气体、可燃气体、大量烟雾颗粒和粉尘，造成中毒和爆炸的二次事故，对被困人员和消防员造成巨大的人身伤害。如何实时监测火灾救援现场的环境信息和消防员的位置信息，以便实施火场控制和救援，降低救援风险，保障被困人员和消防员的人身安全是至关重要的问题。火场所在位置具有不确定性，快速地对火灾救援现场进行火场环境的实时监测成为一个难点。
申请号为201610957627.5，公开号为106373318a的《基于lora技术的火灾防控系统》中传感单元采用lora通信方式，需要在火灾现场附近架设lora基站，传感单元需要提前布置在火场中，未布置传感单元的火场不能被监测到，远远无法满足对火灾救援现场环境的实时监测的要求。
nb-iot技术作为一种新兴技术，自2015年提出以来，被应用于智能停车场、智能家居、远程抄表、智慧路灯等领域。申请号为201620658006.2，公开号为206147896u的《一种基于nb-iot蜂窝物联网技术的智能建筑监测报警系统》中采用nb-iot技术，需要提前布置传感单元，对建筑内部环境进行监测，预防火灾等其他灾难的发生，未布置传感单元的火场不能被监测到，监测到的数据量对于火场监测来说参考意义不大，远远无法满足对火灾救援现场环境的实时监测的要求。
技术实现要素：
本发明所要解决的问题是，克服上述背景技术的不足，满足通信距离远、抗干扰能力强、功耗低、成本低、便于携带、时延不敏感和实时监测的要求，提供一种基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统,包括nb-iot传感单元、nb-iot基站、nb-iot核心网、监测服务器和远程监测中心，nb-iot传感单元和nb-iot基站连接，nb-iot基站通过nb-iot核心网和监测服务器连接，监测服务器和远程监测中心连接；所述nb-iot传感单元被消防员携带进火灾救援现场，用于完成火灾救援现场环境和消防员位置的数据信息的采集、缓存、预处理及传输，并将传感信息原始数据打包无线传输至nb-iot基站；所述nb-iot基站接收对应的nb-iot传感单元发送的原始数据包，根据tcp/ip协议将原始数据包打包成符合以太网标准的数据格式，并通过nb-iot核心网与监测服务器连接；所述监测服务器与nb-iot核心网通过以太网连接，接收被传输到nb-iot核心网的tcp/ip数据包，并对数据包进行处理、分析和存储，供远程监测中心访问数据。远程监测中心为一组与服务器相连的计算机，实时通过互联网访问监测服务器中的数据。监测者可以通过远程监测中心获取火灾救援现场环境和消防员位置的实时信息，并将火场环境信息和消防员的位置信息实时反馈给火场中的消防员。
进一步，所述nb-iot传感单元和nb-iot基站之间采用nb-iot无线空口协议栈通过nb-iot无线广域蜂窝物联网的方式无线通讯；所述nb-iot基站和nb-iot核心网通过tcp/ip协议技术无线通讯；所述nb-iot核心网和监测服务器、监测服务器和远程监测中心通过相关计算机网络协议通讯。
进一步，所述nb-iot传感单元包括gps模块、烟雾颗粒度采集器、温湿度传感器、可燃气体传感器、nh3（氨气）传感器、so2（二氧化硫）传感器、co（一氧化碳）传感器、mcu、nb-iot模块和系统电源。gps模块与mcu连接；烟雾颗粒度采集器与mcu连接；温湿度传感器与mcu连接；可燃气体传感器与mcu连接；nh3传感器与mcu连接；so2传感器与mcu连接；co传感器与mcu连接；mcu与nb-iot模块连接。gps模块、烟雾颗粒度采集器、温湿度传感器、可燃气体传感器、nh3传感器、so2传感器、co传感器、mcu以及nb-iot模块均与系统电源连接。
所述gps模块，通过urat串口和mcu进行通信，将测得的消防员位置数据传输给mcu，接收来自mcu的控制命令；
所述烟雾颗粒度采集器，通过urat串口和mcu进行通信，将测得的烟雾颗粒浓度数据传输给mcu，接收来自mcu的控制命令；
所述温湿度传感器，通过iic总线和mcu进行通信，将测得的温度和湿度数据传输给mcu，接收来自mcu的控制命令；
所述可燃气体传感器，用于将ch4等可燃气体浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），模拟信号可便利地被mcu中内嵌的adc模块采集；
所述nh3传感器，用于将nh3浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），模拟信号可便利地被mcu中内嵌的adc模块采集；
所述so2传感器，用于将so2浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），模拟信号可便利地被mcu中内嵌的adc模块采集；
所述co传感器，用于将co浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），模拟信号可便利地被mcu中内嵌的adc模块采集；
所述mcu，为nb-iot传感单元的控制部分，通过urat配置和连接gps模块与烟雾颗粒浓度采集器，并读取gps模块的消防员位置信息和烟雾颗粒度采集器的烟雾颗粒浓度信息；mcu通过iic总线完成温湿度传感器的配置，并读取温湿度传感器的温度、湿度信息；mcu启用内嵌adc模块，完成对可燃气体传感器、nh3传感器、so2传感器、co传感器所转化出的模拟信号的采集；mcu将消防员位置、烟雾颗粒浓度、温度、湿度、可燃气体浓度、nh3浓度、so2浓度、co浓度信息封装成原始传感数据包；mcu通过spi总线和nb-iot模块通讯，用于向nb-iot模块交付原始传感数据包。
所述nb-iot模块，用于接收来自mcu的原始传感数据包，并将数据包调制后传输给nb-iot基站；所述nb-iot模块上行链路使用sc-fdma，考虑到nb-iot终端的低成本需求，在上行要支持单频(singletone)传输，调制方式为bpsk。
所述系统电源，用于给gps模块、烟雾颗粒度采集器、温湿度传感器、可燃气体传感器、nh3传感器、so2传感器、co传感器、mcu和nb-iot模块供电。
使用本发明，解决了目前尚无将nb-iot技术用于可移动的火灾救援现场监控系统的缺陷。正如背景技术中所述基于lora的火灾防控系统以及基于nb-iot的建筑监测报警系统，二者均需要部署固定的传感单元，不具有可移动性，不能用于火场实时监测。本发明将nb-iot技术应用于可移动的火灾救援现场监测系统，克服了火场的不确定性。
本发明之基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统，通信距离远、功耗低、成本低、便于携带，能有效地满足对火灾救援现场实时监测的需求。
附图说明
图1为本发明基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统的总体结构框图；
图2为图1所示基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统的nb-iot传感单元的具体结构框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明之基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统包括nb-iot传感单元u1、nb-iot基站u2、nb-iot核心网u3、监测服务器u4和远程监测中心u5。nb-iot传感单元u1和nb-iot基站u2采用nb-iot无线空口协议栈通过nb-iot无线广域蜂窝物联网的方式无线通讯；nb-iot基站u2和nb-iot核心网u3通过tcp/ip协议技术无线通讯；nb-iot核心网u3和监测服务器u4、监测服务器u4和远程监测中心u5通过相关计算机网络协议通讯。
nb-iot传感单元u1被消防员携带进火灾救援现场，用于完成火灾救援现场环境和消防员位置的数据信息的采集、缓存、预处理及传输，并将传感信息原始数据打包无线传输至nb-iot基站u2；本实施例中共设置有n（n≥1）个nb-iot传感单元。
nb-iot基站u2接收对应的nb-iot传感单元u1发送的原始数据包，根据tcp/ip协议将原始数据包打包成符合以太网标准的数据格式，并通过nb-iot核心网u3与监测服务器u4连接。
监测服务器u4与nb-iot核心网u3通过以太网连接，接收被传输到nb-iot核心网u3的tcp/ip数据包，并对数据包进行处理、分析和存储，供远程监测中心u5访问数据。
远程监测中心u5和监测服务器u4通过以太网相连接。
远程监测中心u5可以实时通过互联网访问监测服务器u4中的数据。监测者可以通过远程监测中心获取火灾救援现场环境和消防员位置的实时信息，并将火场环境信息和消防员的位置信息实时反馈给火场中的消防员，以便实施火场控制和救援，降低救援风险。
参照图2，nb-iot传感单元u1包括gps模块u10、烟雾颗粒度采集器u11、温湿度传感器u12、可燃气体传感器u13、nh3传感器u14、so2传感器u15、co传感器u16、mcuu17、nb-iot模块u18和系统电源u19。gps模块u10与mcuu17连接；烟雾颗粒度采集器u11与mcuu17连接；温湿度传感器u12与mcuu17连接；可燃气体传感器u13与mcuu17连接；nh3传感器u14与mcuu17连接；so2传感器u15与mcuu17连接；co传感器u16与mcuu17连接；mcuu17与nb-iot模块u18连接。系统电源u19分别与gps模块u10、烟雾颗粒度采集器u11、温湿度传感器u12、可燃气体传感器u13、nh3传感器u14、so2传感器u15、co传感器u16、mcuu17、nb-iot模块u18连接。
gps模块u10，通过urat串口和mcuu17进行通信，将测得的消防员位置数据传输给mcuu17，接收来自mcuu17的控制命令；
烟雾颗粒度采集器u11，通过urat串口和mcuu17进行通信，将测得的烟雾颗粒浓度数据传输给mcuu17，接收来自mcuu17的控制命令；
温湿度传感器u12，通过iic总线和mcuu17进行通信，将测得的温度和湿度数据传输给mcuu17，接收来自mcuu17的控制命令；
可燃气体传感器u13，用于将ch4等可燃气体浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），模拟信号可便利地被mcuu17中内嵌的adc模块采集；
nh3传感器u14，用于将nh3浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），模拟信号可便利地被mcuu17中内嵌的adc模块采集；
so2传感器u15，用于将so2浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），模拟信号可便利地被mcuu17中内嵌的adc模块采集；
co传感器u16，用于将co浓度参量转化成模拟信号（电压或电流信号），模拟信号可便利地被mcuu17中内嵌的adc模块采集；
mcuu17，为nb-iot传感单元u1的控制部分，通过urat配置和连接gps模块u10与烟雾颗粒浓度采集器u11，并读取gps模块u10的消防员位置信息和烟雾颗粒度采集器u11的烟雾颗粒浓度信息；mcuu17通过iic总线完成温湿度传感器u12的配置，并读取温湿度传感器u12的温度、湿度信息；mcuu17启用内嵌adc模块，完成对可燃气体传感器u13、nh3传感器u14、so2传感器u15、co传感器u16所转化出的模拟信号的采集；mcuu17将消防员位置、烟雾颗粒浓度、温度、湿度、可燃气体浓度、nh3浓度、so2浓度、co浓度信息封装成原始传感数据包；mcuu17通过spi总线和nb-iot模块u18通讯，用于向nb-iot模块u18交付原始传感数据包。
nb-iot模块u18，用于接收来自mcuu17的原始传感数据包，并将数据包调制后传输给nb-iot基站u2；nb-iot模块u18上行链路使用sc-fdma，考虑到nb-iot终端的低成本需求，在上行要支持单频(singletone)传输，调制方式为bpsk。
系统电源u19，用于给gps模块u10、烟雾颗粒度采集器u11、温湿度传感器u12、可燃气体传感器u13、nh3传感器u14、so2传感器u15、co传感器u16、mcuu17和nb-iot模块u18供电。
本发明之基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统，电路规模小，硬件集成度高，成本低，便于携带，可用于火灾救援现场的实时监测。
本发明之基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统，通信距离远且抗干扰能力强。本发明所述nb-iot模块u18和所述nb-iot基站u2之间采用nb-iot无线空口协议栈通过nb-iot无线广域蜂窝物联网的方式无线通讯。所述nb-iot模块u18的nb-iot芯片采用华为海思的boudica120，为超低功耗soc芯片。
本发明之基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统，所述nb-iot传感单元u1功耗低。本发明中采用的传感器、mcuu17和nb-iot模块u18都是基于低功耗原则来配置的，如mcu可采用stm32l476，工作电流低至100μa/mhz，允许在低功耗模式下与通信接口足够的数据交换。
本发明之基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统，不失一般性的，所述gps模块u10采用ublox_g7020芯片，gps模块u10设有gps天线，gps天线用于接收gps卫星信号。
本发明之基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统，具有成本低、便于携带、时延不敏感和实时监测有效的优点。本发明中nb-iot基站u2是移动通信中组成蜂窝小区的基本单元，广泛分布，深度覆盖。所述nb-iot传感单元u1将原始数据包传输到三大运营商的nb-iot基站，避免外设基站，提高灵活性。
本发明之基于nb-iot技术的火灾救援现场监测系统，适用于其他事故现场，如天然气泄露事故现场的实时监测。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。