基于物聯(lián)網(wǎng)的消防水源管理系統(tǒng)

魏亞鵬

(銀川市公安消防支隊(duì)司令部,寧夏銀川 750001)

基于物聯(lián)網(wǎng)的消防水源管理系統(tǒng)

魏亞鵬

(銀川市公安消防支隊(duì)司令部,寧夏銀川 750001)

從消防部隊(duì)信息化建設(shè)的角度出發(fā),介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其特點(diǎn),闡述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在滅火救援中的典型應(yīng)用。說明了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在促進(jìn)部隊(duì)建設(shè)和消防發(fā)展方面的具體應(yīng)用。筆者介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的消防水源管理系統(tǒng),該系統(tǒng)涵蓋了智能手機(jī)、Android 開發(fā)、RFID、ZigBee、無線傳感網(wǎng)絡(luò)( WSN)等物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng) 無線 消防 水源管理 滅火救援

隨著我國城市化建設(shè)步伐的加快,髙層建筑像雨后春筍般地拔地而起的同時也帶來了一系列的社會問題,如火災(zāi)隱患多、建筑火勢蔓延快、人員疏散和救援難度大等,一旦發(fā)生火災(zāi),后果將非常嚴(yán)重。然而制約火災(zāi)及時撲救的因素就是水源。在云南香格里拉火災(zāi)、廣東深圳農(nóng)批市場火災(zāi)中,都是因現(xiàn)場消火栓損壞或現(xiàn)場水壓不足造成水源短缺,貽誤戰(zhàn)機(jī),釀成禍患。因此,及時準(zhǔn)確掌握當(dāng)?shù)馗鞣N水源信息和消火栓管徑、水壓、完好情況,對重特大火災(zāi)的成功撲救將起到?jīng)Q定性作用。在此背景下,研究與設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的消防水源管理系統(tǒng),對于消防事業(yè)發(fā)展,更好地為城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)保駕護(hù)航具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值。由于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用,將特殊傳感器直接安裝于消火栓調(diào)節(jié)開關(guān)附近,將管徑壓力大小、溫度的變化通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)即時傳回服務(wù)器端,以便消防人員即時準(zhǔn)確掌握消火栓動態(tài)信息。相信在不久的將來,隨著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究及普及應(yīng)用,信息化條件下的消防水源管理系統(tǒng)將成為消防事業(yè)不可或缺的一部分。因此,對基于物聯(lián)網(wǎng)的無線消防水源管理系統(tǒng)開展深入的研究,并推動其廣泛應(yīng)用,具有重大的社會意義和經(jīng)濟(jì)價值。

1 物聯(lián)網(wǎng)的定義及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義

ITU在2005年的信息社會峰會上對物聯(lián)網(wǎng)的定義為:物聯(lián)網(wǎng)是通過將移動收發(fā)器內(nèi)嵌在各種應(yīng)用設(shè)備中,從而使人與人、物與物、人與物在任何時間、任何地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)交互。其一,物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng),是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò);其二,其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間,進(jìn)行信息交換和通信,也就是物物相息。它是利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起,形成人與物、物與物相聯(lián),實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸,包括互聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)上所有的資源,兼容互聯(lián)網(wǎng)所有的應(yīng)用,但物聯(lián)網(wǎng)中所有的元素(所有的設(shè)備、資源及通信等)都是個性化和私有化的。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

(1)信息采集技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)中的信息采集技術(shù)是通過傳感器、電子標(biāo)簽、智能卡等終端設(shè)備來對信息實(shí)現(xiàn)采集、識別[1]。傳感器是將存在的各種物理量、化學(xué)量等信息轉(zhuǎn)化為電信號的裝置,這些信號在轉(zhuǎn)化后可被測量,以提供給系統(tǒng)處理、分析等信息。傳感器大都應(yīng)用與終端的實(shí)時監(jiān)測,現(xiàn)在正逐步的發(fā)展成為智能傳感器。在服務(wù)區(qū)域內(nèi)散布的傳感器節(jié)點(diǎn)組成了傳感器網(wǎng)絡(luò),可以說傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的核心,因?yàn)樗俏锫?lián)網(wǎng)進(jìn)行信息采集及處理的基本技術(shù)手段。(2)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。目前物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)用中已涉及了交通運(yùn)輸、電力、快遞物流等領(lǐng)域,這就決定了它將涉及到不同的信息采集終端,不同的傳輸網(wǎng)絡(luò)等。無線個人網(wǎng)和無線廣域網(wǎng)是目前無線網(wǎng)絡(luò)的主要類型。現(xiàn)在,通信行業(yè)廣為應(yīng)用的無線通信技術(shù)包括Wifi 技術(shù)、NFC技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)及ZigBee技術(shù)[2]。Wifi技術(shù)是目前應(yīng)用最廣的技術(shù),它通過無線路由便可在其電波覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),目前較多應(yīng)用于手機(jī)及個人電腦等,Wifi技術(shù)相比其它技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在廠商進(jìn)入門檻低、覆蓋面積更廣、傳輸質(zhì)量更好及傳輸速度更快等。Wifi技術(shù)的主要架構(gòu)包括關(guān)口、擴(kuò)展服務(wù)單元、接入點(diǎn)、服務(wù)單元等。NFC是將非接觸卡、非接觸讀卡器及點(diǎn)對點(diǎn)功能進(jìn)行整合的一種無限近距離通信技術(shù),NFC與傳統(tǒng)的紅外傳輸相比的優(yōu)勢在于更簡單、傳輸速度更快。(3)智能技術(shù)。智能技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用是指其綜合運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及人工智能技術(shù)等,對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行通用處理,其主要涉及數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合、應(yīng)用集成及平臺服務(wù)等。智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的快速處理,提高了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的綜合化水平,為系統(tǒng)的自動化運(yùn)作提供了可能。

2 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)架構(gòu)上看,可分為三層,分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

2.1 感知層

由各種傳感器及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成,包括壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID 標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢,它是物聯(lián)網(wǎng)獲識別物體,采集信息的來源,其主要功能是識別物體,采集信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本特點(diǎn)包括數(shù)量大、體積小、布置靈活、不需要專人維護(hù)不需單獨(dú)供電等,利用無線節(jié)點(diǎn)的多樣性及覆蓋廣的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)對某無人區(qū)和無人監(jiān)管的設(shè)備完全感知,利用無線傳感器將某范圍內(nèi)環(huán)境信息、定位信息及時傳輸給監(jiān)控中心,不僅可以擺脫現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)線纜的束縛,還可以做到更加隱蔽。消火栓傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)可依托現(xiàn)有的移動、聯(lián)通、電信布置的分支交換機(jī)及近年來新建的3G、4G無線基站,利用無線基站實(shí)現(xiàn)對消火栓的監(jiān)控信號覆蓋,利用無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對消火栓水壓、管徑、位置信息、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)信息的采集。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要用來解決感知層數(shù)據(jù)長距離傳輸?shù)膯栴}。這些數(shù)據(jù)可以通過以太網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)、個人局域網(wǎng)和移動通信網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。它對于整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的作用,猶如神經(jīng)系統(tǒng)對人的作用,都具有傳輸和通道的作用。網(wǎng)絡(luò)層是應(yīng)用層到感知層的一個數(shù)據(jù)通道。物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)層能將感知層采集轉(zhuǎn)換的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,但是物聯(lián)網(wǎng)并不同于現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng),物聯(lián)網(wǎng)涉及到我們生活中的各種物體,具有龐大的數(shù)據(jù)信息量,它需要一個更為廣泛的網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合與傳輸。因此物聯(lián)網(wǎng)是對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的一種包含和擴(kuò)展,它以現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ),充分利用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢和特點(diǎn),在其中不斷加入物聯(lián)網(wǎng)所特有的特性,最終構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層,為物聯(lián)網(wǎng)的感知層和應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)通道。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)的深度融合,與行業(yè)需求結(jié)合,實(shí)現(xiàn)行業(yè)智能化,并且最終提供應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用層包括中間件層和應(yīng)用服務(wù)層。中間件層主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用服務(wù)間的接口和能力調(diào)用,包括對業(yè)務(wù)的分析整合、共享、智能處理、管理等,具體實(shí)現(xiàn)為一系列業(yè)務(wù)支撐平臺、管理平臺、信息處理平臺等?；谖锫?lián)網(wǎng)的無線消防水源管理系統(tǒng)是利用最新的ZigBee技術(shù),在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用無線通信方式把傳感器 釆集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,最后管理人員根據(jù)分析結(jié)果做出判斷。即:是否存在該區(qū)域市政管網(wǎng)水壓不足的情況,并根據(jù)具體情況及時通知自來水公司進(jìn)行加壓,保證災(zāi)害區(qū)域的消防用水充足,最大限度地遏制火災(zāi)的蔓延和擴(kuò)大,把火災(zāi)造成的損失降到最低。因此,物聯(lián)網(wǎng)消防水源管理系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能:(1)傳感器終端節(jié)點(diǎn)的傳感器采集環(huán)境參數(shù),完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸功能;(2)通過路由器節(jié)點(diǎn)或直接把傳感器終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯總。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線消防水源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

目前消防水源主要是依靠中隊(duì)通訊員對轄區(qū)道路、小區(qū)、社會單位內(nèi)部消火栓的定期或不定期實(shí)地檢查統(tǒng)計(jì)后錄入,對人力投入高,而且不能夠?qū)崟r掌握各街道、社區(qū)內(nèi)消火栓管網(wǎng)的實(shí)際情況,而該區(qū)域內(nèi)湖泊、水鶴、取水碼頭的準(zhǔn)確地理位置只能靠平時生活中的記憶來確定。若在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境下,則可通過外接多種無線傳感器,實(shí)現(xiàn)對各個消火栓及其相關(guān)環(huán)境的感知,如消火栓的準(zhǔn)確方位、管徑、壓力、是否完好等進(jìn)行實(shí)時統(tǒng)計(jì)顯示。在發(fā)生火災(zāi)的情況下,通過執(zhí)行相關(guān)操作,各個傳感器就能將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)浇K端機(jī)上,而不再需要通過實(shí)地查看來確定消火栓的情況。如:當(dāng)某地區(qū)發(fā)生較大火災(zāi)時,轄區(qū)中隊(duì)首車出動時攜帶安裝有消火栓管理平臺軟件的筆記本電腦,通過執(zhí)行系統(tǒng)中某項(xiàng)命令,使覆蓋此區(qū)域的基站向感知層的各傳感器發(fā)出信息更新回傳指令,感知層收到命令后,將該范圍內(nèi)所有傳感器數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心分析后顯示出各消火栓在地圖上的準(zhǔn)確位置及當(dāng)前消火栓的水壓、管徑等信息,還可顯示當(dāng)前區(qū)域內(nèi)水鶴、取水碼頭、湖泊、池塘的具體位置。如果火災(zāi)發(fā)生區(qū)域的供水管網(wǎng)壓力不足,數(shù)據(jù)中心立即向自來水公司發(fā)送增加市政管網(wǎng)供水壓力的請求指令,自來水公司接到指令后,對該區(qū)域市政管網(wǎng)進(jìn)行加壓處理,保證消防用水充足。日常管理中,數(shù)據(jù)中心可以每季度對全市消火栓覆蓋區(qū)域發(fā)送信息回傳指令,對消火栓系統(tǒng)進(jìn)行檢查,如發(fā)現(xiàn)某區(qū)域內(nèi)某個或某段水壓不足,則可及時通知自來水公司進(jìn)行維修處理。遇到天氣極度寒冷的冬季溫度特別低時,通過數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)分析結(jié)果,自來水公司可對繁華街道、重點(diǎn)區(qū)域的消火栓進(jìn)行保溫處理,保證消火栓系統(tǒng)的完好性和可用性。通過信息化手段來減少人力不足和及時發(fā)現(xiàn)問題的能力。為了克服無線傳輸過程中各傳感器用電量損耗過大的不足,本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技 術(shù)的無線傳輸系統(tǒng)。它 釆用分布式的環(huán)境參數(shù)測量方式,根據(jù)ZigBee協(xié)議規(guī)定的三種節(jié)點(diǎn)類型,總體上可分為用于數(shù)據(jù)匯總的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、用于采集數(shù)據(jù)的傳感器終端節(jié)點(diǎn)和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚善鞴?jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總以及數(shù)據(jù)的上傳,其位置必須在系統(tǒng)監(jiān)測軟件所在計(jì)算機(jī)附近;傳感器終端節(jié)點(diǎn)分布于建筑物內(nèi)各環(huán)境參數(shù)采樣點(diǎn)處,路由器節(jié)點(diǎn)則根據(jù)傳感器終端節(jié)點(diǎn)分布和傳輸距離等其他因素?fù)駜?yōu)選擇放置點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中,可以將路由節(jié)點(diǎn)置于現(xiàn)有通信基站上,以解決路由節(jié)點(diǎn)電能消耗過快的問題。系統(tǒng)工作時,傳感器終端節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)直接或間接通過路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),最后,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行匯總,最終將數(shù)據(jù)上傳至消防監(jiān)測中心的計(jì)算機(jī)上,監(jiān)測中心工作人員根據(jù)所測到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況做出相應(yīng)的處理操作。

4 ZigBee無線通信技術(shù)的性能分析

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信或網(wǎng)絡(luò)技術(shù),是一種基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)而研制 幵發(fā)的,它是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全等多方面的無線通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)還為用戶提供了一種更為靈活方便的組網(wǎng)方式[3]。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低速率、低功耗和低成本的短距離無線通信市場的空白,其多種優(yōu)勢特點(diǎn)是該技術(shù)取得成功并得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵原因。其主要技術(shù)特點(diǎn)如下:(1)功耗低:對電池供電的簡單器件而言,更換電池的花費(fèi)往往比器件本身的成本還要高。如:嵌在汽車輪胎中的氣壓傳感器或高密度布設(shè)的大規(guī)模傳感器網(wǎng)中,更換電池既麻煩又不可行。在IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)傳輸過程中引入了幾種延長器件電池壽命或節(jié)省功率的機(jī)制,多數(shù)是基于信標(biāo)使能的方式,主要是限制器件或協(xié)調(diào)器之收發(fā)信機(jī)的開通時間或者在無數(shù)據(jù)傳輸時使它們處于休眠狀態(tài)。(2)高可靠:ZigBee采用了CSMA/CA的碰撞避免機(jī)制,同時為特殊通信業(yè)務(wù)保留了專用時隙,避免了數(shù)據(jù)發(fā)送時的沖突和競爭。另外,在MAC層中,網(wǎng)絡(luò)傳輸采用了數(shù)據(jù)確認(rèn)的機(jī)制,即在發(fā)送下一個數(shù)據(jù)之前必須等待上一個數(shù)據(jù)包的接收反饋信息。(3)時延短:設(shè)備搜索的典型時延值為30ms,休眠激活典型時延值為15ms,信道接入典型時延值為15ms,能夠滿足多數(shù)應(yīng)用場合的時延要求,另外還可以達(dá)到節(jié)省能量消耗的目的。(4)網(wǎng)絡(luò)容量大:在一個網(wǎng)絡(luò)中,其理論上可容納一個主設(shè)備(協(xié)調(diào)器)和最多65535個從設(shè)備(路由器和終端節(jié)點(diǎn))。(5)成本低:低速率、簡單緊湊的協(xié)議棧和小容量的存儲空間大大降低了設(shè)備的生產(chǎn)成本,并且TI公司免費(fèi)提供了物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟認(rèn)可推廣的Z-Stack協(xié)議。另外,ZigBee可以工作在三個免執(zhí)照頻段(868MHz、915MHz)。(6)安全高保密性:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)的數(shù)據(jù)完整性檢測功能,并采用AES-128通用加密算法,實(shí)際應(yīng)用時可以靈活確保產(chǎn)品的安全性。

5 結(jié)語

本文在分析物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的形勢后,提出將智能手機(jī)和移動終端應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,并融合了RFID、ZigBee、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)、互聯(lián)網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù),構(gòu)建一套基于智能移動終端的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。加入ZigBee技術(shù),可實(shí)現(xiàn)設(shè)備及不同協(xié)議讀寫器之間聯(lián)網(wǎng),同時通過ZigBee實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點(diǎn)無線采集和傳輸?shù)哪康?。另外融合了GPS和GPRS技術(shù),不僅可實(shí)現(xiàn)貼有電子標(biāo)簽物品的定位,也使物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)與用戶的通信更方便,為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更好地推廣和使用提供了一種新的途徑。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷的發(fā)展,結(jié)合RFID及ZigBee技術(shù),它們在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的優(yōu)勢將更為突出,從而更好地服務(wù)于消防事業(yè)的發(fā)展,更好地改善人們的生活。

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魏亞鵬(1985—），男，漢族，寧夏銀川市人，2009年7月于寧夏大學(xué)通信工程專業(yè)本科畢業(yè)，現(xiàn)任職于寧夏回族自治區(qū)銀川市公安消防支隊(duì)司令部信息通信科參謀。