基于NB-IOT的智能消火栓檢測(cè)及管理系統(tǒng)

姜福浩 單超穎 劉野 薛斌 馬詩(shī)語(yǔ)

（沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院信息與控制工程系 遼寧省沈陽(yáng)市 110167）

1 引言

針對(duì)當(dāng)前消防作戰(zhàn)與普查中消防設(shè)備管理不當(dāng)導(dǎo)致作戰(zhàn)效率極低和僅憑借人為普查出現(xiàn)設(shè)備疏漏，人力資源耗費(fèi)等諸多問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了一套集消防作戰(zhàn)和消防普查于一體的系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中充分利用物聯(lián)網(wǎng)及NB-IoT 通訊技術(shù)，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的微型低功耗監(jiān)控傳輸裝置，在火情發(fā)生時(shí)可通過(guò)GPS 快速定位正常工作狀態(tài)的消火栓，并且在到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后可通過(guò)掃碼實(shí)現(xiàn)設(shè)備占用。這樣不僅可以使消防人員快速找到正常工作的消防設(shè)備還可以避免多組人員在滅火時(shí)出現(xiàn)消防設(shè)備使用沖突問(wèn)題。在定期普查維護(hù)時(shí)，工作人員可以通過(guò)本系統(tǒng)終端顯示設(shè)備對(duì)某一區(qū)域內(nèi)的消防設(shè)備進(jìn)行普查記錄及損壞標(biāo)記。此系統(tǒng)將所有的消防設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，讓分布廣的消火栓變成可以再手掌上輕松查看。從而有效的解決了消防設(shè)備尋找困難、管理監(jiān)控復(fù)雜等問(wèn)題，同時(shí)也提升滅火和綜合應(yīng)急救援能力，對(duì)于保障城市消防安全具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)前我國(guó)消防管理仍處于較低的水平，其中尤以消防設(shè)施管理水平令人堪憂。為緊跟智慧城市的發(fā)展進(jìn)程，力促社會(huì)單位單位建筑消防設(shè)施管理工作實(shí)現(xiàn)智能化，目前，國(guó)內(nèi)也有部分大學(xué)及機(jī)構(gòu)開(kāi)展無(wú)線消防管理系統(tǒng)研究，其中主要以GSM 和GPRS 等通信標(biāo)準(zhǔn)為主。2015年陜西省消防總隊(duì)通過(guò)消火栓水壓傳感器等一系列傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)后數(shù)據(jù)通過(guò)采集模塊，由通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)(GPRS)發(fā)送至消防監(jiān)測(cè)中心水壓監(jiān)測(cè)服務(wù)器。通過(guò)安全的邊界接入平臺(tái)將互聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入消防指揮專網(wǎng)，消防指揮專網(wǎng)的數(shù)據(jù)可以供消防以及公安其他警種共享。但是此系統(tǒng)僅僅做到了一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、而且功耗大的問(wèn)題一直沒(méi)做出相應(yīng)地優(yōu)化，最終因功耗問(wèn)題及實(shí)用性不強(qiáng)而沒(méi)有得到大面積推廣。近年來(lái)也有部分基于NB-IoT 的消火栓出現(xiàn)，博大光通物聯(lián)科技有限公司作為極早一批意識(shí)到NB-IoT 商用價(jià)值及藍(lán)海市場(chǎng)的企業(yè)在2017年秋季推出了基于NB-IOT 技術(shù)的智慧消防解決方案，但是目前還沒(méi)有投入到實(shí)際當(dāng)中。相比之前，不但解決了功耗過(guò)高的問(wèn)題，而且數(shù)據(jù)傳輸速度也有了較大的提升。但是在功能方面還是只能簡(jiǎn)單的采集一些數(shù)據(jù)，并不能有效的解決上文提出的致命問(wèn)題。因此，智能消防建設(shè)這條路還很有很長(zhǎng)需要我們?nèi)ヌ剿骱脱芯俊?/p>

傳統(tǒng)的消防檢測(cè)、管理模式是通過(guò)大量的人力到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、傳遞重要信息，由于不了解火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)前水源壓力情況，不清楚消防設(shè)備具體的位置與占用情況。消防方案的初步制定也必須在到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后制定，這樣在造成人力資源浪費(fèi)的同時(shí)也極大的耽誤了救援時(shí)間，火場(chǎng)如戰(zhàn)場(chǎng)，每一秒都可能造成無(wú)法彌補(bǔ)的損失。而且消防設(shè)施的非法占用以及每段時(shí)間的維護(hù)與檢修也存在著很多問(wèn)題。本作品利用液體壓力變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消防管道的水壓，利用GPS 模塊消防設(shè)備進(jìn)行了精準(zhǔn)定位，利用自己搭建的數(shù)據(jù)庫(kù)和后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的儲(chǔ)存和整合，有效的解決了上述的問(wèn)題。讓消防隊(duì)員在接到報(bào)警的電話的時(shí)候就可以提前了解火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。做到有備無(wú)患。除了解情況以外，消防隊(duì)員可以在到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后通過(guò)對(duì)設(shè)備唯一的二維碼進(jìn)行掃描，從而將占用設(shè)備的信息傳輸?shù)矫恳晃粎⑴c此次作戰(zhàn)的消防員手中這樣便可對(duì)作戰(zhàn)地點(diǎn)的消防設(shè)施進(jìn)行合理的分配和占用，可以大大節(jié)省作戰(zhàn)時(shí)間，消除混亂的作戰(zhàn)場(chǎng)面。本作品在日常消防設(shè)備的維護(hù)和檢修中也可通過(guò)此套管理系統(tǒng)中的消防設(shè)備地圖對(duì)需檢修設(shè)備以及未檢修設(shè)備進(jìn)行標(biāo)記，以便做到設(shè)備狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)性和漏檢的問(wèn)題。監(jiān)控消防水源的損壞和盜用是通過(guò)利用水流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道流動(dòng)情況而完成的，若水流變化異常，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。終上所述，本作品可以有效的解決當(dāng)前消防作戰(zhàn)管理出現(xiàn)的一切問(wèn)題，把火災(zāi)中的損失降到最低。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的基于NB-IOT 智能消火栓檢測(cè)及管理系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為智能終端，其中用到了水壓傳感器、水流量傳感器、GPS 模塊、藍(lán)牙模塊。這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU 上進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。本設(shè)備的工作電壓不超過(guò)10v，且屬于低功耗類型，又能夠通過(guò)后臺(tái)對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，所以無(wú)需市電供電，一節(jié)電池就能夠使用1-2年?？傮w結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

2.1 水壓檢測(cè)裝置

XGZP6161 型泵用壓力變送器與MCU 連接圖，采用平膜結(jié)構(gòu)傳感器芯體和專門定制的放大電路。供電電源：3.3-5.5VDC；量程：0-1Mpa；輸出電壓：0.5-4.5V；上電以后輸出模擬量給MCU的PA1 引腳，然后經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換以及公式的計(jì)算以后變成壓力值（單位Kpa）。此變送器經(jīng)過(guò)線性修正和溫度補(bǔ)償，能有效抵制水錘效應(yīng)，解決瞬間過(guò)壓等問(wèn)題。XGZP6161 型壓力變送器還具有多樣的輸出形式和壓力接口，在本系統(tǒng)中用來(lái)測(cè)量消火供水管道中的壓力值，基于串口通信傳輸協(xié)議輸給M5310，再由M5310 通過(guò)NB-IoT無(wú)線通信協(xié)議傳輸給數(shù)據(jù)處理終端。

2.2 水流量檢測(cè)裝置

YF-S20B 流量傳感器，最低額定工作電壓：5-24V，輸出脈沖信號(hào)，精度（流量--脈沖輸出）：1 ～30 L/min±5%以內(nèi)。上電以后輸出NPN 脈沖給MCU 的PA0 引腳，然后經(jīng)過(guò)定時(shí)器的脈沖輸入捕獲以及公式的計(jì)算以后得到水流量值（單位：L/Min）主要由塑料閥體、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成。在本系統(tǒng)中用于檢測(cè)消防管道的進(jìn)水流量，當(dāng)水通過(guò)水流轉(zhuǎn)子組件時(shí)， 磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號(hào)，反饋給主控制器。

2.3 GPS定位裝置

圖1：總體結(jié)構(gòu)圖

圖2：微信小程序客戶端圖

圖3：電腦端后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)

GPS 模塊NEEO-7N UBLOX 原理圖如圖1 所示，模塊采用U-BLOX NEO-6M 模組，體積小巧，性能優(yōu)異。除此之外，模塊還增加了放大電路，有利于無(wú)源陶瓷天線快速搜星，模塊兼容3.3V/5V電平，方便連接各種單片機(jī)系統(tǒng)（本系統(tǒng)使用STM32）。在本系統(tǒng)中通過(guò)NMEA-0183 協(xié)議采用ASCII 碼來(lái)傳遞GPS 定位信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

（1）本系統(tǒng)采用I2C 總線協(xié)議，將采集到的水壓值、水流量、光照等重要農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送到主MCU，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

（2）通過(guò)NB-IOT 將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器，由服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎eb 服務(wù)器，通過(guò)Web 服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的交互以及使用智能算法將數(shù)據(jù)返回到后臺(tái)服務(wù)器，最終發(fā)送到手機(jī)小程序客戶端。

（3）本系統(tǒng)使用雙平臺(tái)消防系統(tǒng)來(lái)保障系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性。手機(jī)端采用微信小程序開(kāi)發(fā)，同時(shí)配有電腦端后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)保障了系統(tǒng)的完整運(yùn)行。微信小程序的“輕量級(jí)開(kāi)發(fā)模式”，使用戶在體驗(yàn)同等功能的基礎(chǔ)上，消耗最小的手機(jī)資源，并且微信小程序不需要安裝，實(shí)現(xiàn)了“用完即走”的創(chuàng)新理念。

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)主要由系統(tǒng)的硬件主控通過(guò)傳感器采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)MCU 的Usart 3 與M5310 NB-IoT 進(jìn)行通信，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向OneNET 的上發(fā)。

系統(tǒng)中通過(guò)錄入消防人員信息設(shè)置消防員權(quán)限每個(gè)得到身份認(rèn)證的消防員都可以登錄小程序完成消防作戰(zhàn)任務(wù)，用完直接關(guān)掉小程序即可，不會(huì)占手機(jī)太大內(nèi)存，真正做到高效快捷。由于消防設(shè)備數(shù)量多、分布廣，極其不利于消防人員對(duì)其進(jìn)行管理。為了解決這個(gè)問(wèn)題并且提高消防管理工作的效率，因此本系統(tǒng)添加了消防指揮中心后臺(tái)管理功能。這其中包括設(shè)備非法使用的監(jiān)測(cè)及預(yù)警、數(shù)據(jù)處理及可視化、添加消防設(shè)備、消防設(shè)備的管理、消防人員的管理等功能頁(yè)面。微信小程序客戶端圖和電腦端后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)如圖2、圖3 所示。

4 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)當(dāng)前落后的消火栓檢測(cè)及管理模式的研究，了解到了當(dāng)今消火栓記錄數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確、運(yùn)用大量人力資源進(jìn)行作業(yè)、無(wú)精準(zhǔn)定位等，本設(shè)計(jì)針對(duì)這些問(wèn)題提出了一款基于NB-IOT 的智能消火栓檢測(cè)及管理系統(tǒng)。NB-IOT 具有設(shè)備多連入、低功耗、高覆蓋的特點(diǎn)對(duì)本設(shè)計(jì)有著非常重要的作用，是本系統(tǒng)的技術(shù)中心。OneNet 云平臺(tái)作為數(shù)據(jù)的傳輸中轉(zhuǎn)站，穩(wěn)定性高，具有很高的安全性，保障了設(shè)備的信息儲(chǔ)存。微信小程序，作為當(dāng)今熱門的技術(shù)，使用微信小程序簡(jiǎn)單方便。GPS 定位，這一技術(shù)解決了消防作戰(zhàn)中，消防設(shè)備被遮擋影響救援的隱患。藍(lán)牙技術(shù)，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)燒錄大多都是有線的，當(dāng)設(shè)備深埋地下時(shí)，數(shù)據(jù)的調(diào)試會(huì)受到很大限制，使用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)了無(wú)線數(shù)據(jù)燒錄，減小了損失，提高了效率。