公路隧道消防管網(wǎng)水壓遠程監(jiān)控預警系統(tǒng)設計探討

劉良旭 鄭義恒

摘要：文章設計了一種應用于公路隧道消防管網(wǎng)的水壓遠程監(jiān)控預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對隧道消防栓水壓的測量、遠程監(jiān)測及水壓異常預警。系統(tǒng)包括傳感層、傳輸層和應用層，即終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點、傳輸模塊和服務端軟件平臺。實踐表明，該系統(tǒng)測量準確，響應及時，能為隧道消防安全提供技術支撐。

關鍵詞：隧道;消防;水壓檢測;遠程監(jiān)控

中圖分類號：U459.2A331185

0 引言

到2020年，我們國家公路的總長度高達500萬km，其中包含的隧道長度將近2 000 km[1]。為了適應經(jīng)濟社會的發(fā)展，高速公路里程和隧道里程還會呈現(xiàn)逐年增長的情況。由此帶來了一個較大的問題，即發(fā)生在公路隧道內的火災事故也越來越多。根據(jù)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果表明，隧道內火災發(fā)生的次數(shù)與車流量及隧道里程的關系為：10～17次/（億車·km），如此規(guī)模的火災事故帶來了較大規(guī)模的車輛損壞和駕乘人員傷亡事故，從而帶來較大的經(jīng)濟損失[2]。在隧道火災發(fā)生的初期，鋪設在隧道內的消防管道成為火情控制的第一道防線。因此，消防管道的水壓是否達到標準，成為火災發(fā)生時能否在第一時間控制火情的重要條件之一。

鑒于此，本文設計了一套公路隧道消防管網(wǎng)水壓遠程監(jiān)控預警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

本方案總體系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。設計分為四個層級，包括最底層水壓監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)管理服務器后臺和應用層軟件平臺。

感知層水壓監(jiān)測終端由消防管網(wǎng)水壓檢測、傳送智能控制模塊及水壓傳感器組成，傳感器檢測每個節(jié)點水壓是否正常，智能模塊由LORA網(wǎng)絡構成無線傳感器網(wǎng)絡，最終將數(shù)據(jù)匯總于匯聚節(jié)點[3]。

匯聚節(jié)點將測得的水壓數(shù)據(jù)通過4 G網(wǎng)絡或者有線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺服務器。

服務器可部署在道路監(jiān)控部門的機房，也可部署在云端。后臺的數(shù)據(jù)庫存儲各個節(jié)點上傳的基礎數(shù)據(jù)，同時和前端進行數(shù)據(jù)交換。管理人員既能通過登錄網(wǎng)頁進行管理，也可利用APP進行各項操作。

2 智能水壓采集終端設計

智能水壓采集終端組成如圖2所示，包括水壓傳感器、處理電路、單片機、Lora模塊。

2.1 水壓傳感器

按照規(guī)范，隧道消防栓的栓口的壓力必須處于0.4～1.0 MPa之間，經(jīng)過減壓穩(wěn)壓消防栓減弱之后，栓口的壓力下降到0.25～0.3 MPa范圍，相當于25～30 m的水柱壓力[4]。因此，水壓檢測采用SP-350-A型傳感器，外觀如圖3所示。

這種傳感器為工業(yè)級精度，能穩(wěn)定可靠地輸出電流信號。精度等級為0.2%，量程范圍0～2 MPa。傳感器的供電方式為3.3 VDC，采樣輸出信號為0～3 V的電壓，防護等級IP65，工作電流為70 μA。此傳感器輸出的信號最終在單片機內完成模數(shù)轉換變成數(shù)字信號，從而得到準確的水壓值。

2.2 單片機

系統(tǒng)采用低功耗的MSP430F133單片機，該芯片供電電壓為范圍為1.8～3.6 V，最顯著的特點就是它的低功耗性能，備用狀態(tài)下電流可低至1.6 μa，內置12位AD轉換器可實現(xiàn)水壓信號的讀取，包含USART可完成LORA模塊的數(shù)據(jù)通訊。2個16 bit計時器。主頻8 Mhz完全滿足此應用的需求。

2.3 LORA模塊

為了將各個檢測節(jié)點構成無線傳感網(wǎng)，選用LORA模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的組網(wǎng)及傳輸，型號為E22330T30Z。該模塊的核心器件是SEMTECH公司SX1262射頻芯片。其實質是一個無線UART模塊，可設置為多種傳輸方式，采用基于LoRa協(xié)議的擴頻通信技術，工作頻段為220.125～236.125 MHz。該模塊采樣TTL電平輸出，具有較強的適應性，能兼容3.3 V或者5 V單片機的IO電壓。休眠電流為2 μa，發(fā)送數(shù)據(jù)為530 ma。該模塊具有傳輸距離遠、速更快、功耗低、體積小的特點。支持空中喚醒、無線配置、載波監(jiān)聽、自動中繼、通信密鑰等功能，支持分包長度設定，可提供定制開發(fā)服務。

在中繼組網(wǎng)的形式下，可實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。中繼組網(wǎng)如圖4所示。

模塊與單片機的連接如圖5所示。圖中，M1M0為模塊的工作模式選擇端口，兩者的電平組合可以選擇4種不同的工作模式，需要指出的是這兩個引腳不能懸空。RXD、TXD作為TTL串口與單片機交換數(shù)據(jù)。AUX用于指示模塊當前的工作狀態(tài)，在實際應用中當收到數(shù)據(jù)時可以用于觸發(fā)單片機，上電自檢初始化期間輸出低電平。VCC供電范圍為3.3～5.5 V。ANT引腳為天線接口，匹配50歐天線。

所有數(shù)據(jù)采集終端的信號匯聚到主節(jié)點之后再通過4 G模塊將底層數(shù)據(jù)傳回后臺服務器。本設計選用E840-TTL-4G05，它是一款能在多個頻段工作的分集接收模塊。模塊可利用AT指令進行各種參數(shù)設置，即可快速地實現(xiàn)單片機串口與公網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)交互。

2.4 電池選取

為了減少維護的頻率，在電池供電的前提下，本系統(tǒng)的終端節(jié)點穩(wěn)定工作的時間越長越好。要滿足這個要求，就必須采取措施讓它盡可能地在低功耗的模式工作。對本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的功耗分析如下：

數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點每10 min被喚醒一次采集消防栓水壓及電源電壓，如果正常就再次進入休眠狀態(tài)，如果水壓過低或者電源電壓過低就啟動一次LORA傳輸報警數(shù)據(jù)，完成之后返回休眠模式。在此情況下，數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點每10 min的流耗約為：傳感器流耗+MSP430單片機休眠的流耗+LORA休眠流耗。

需要發(fā)送報警數(shù)據(jù)情況下數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點每10 min的流耗為：傳感器流耗+MSP430單片機休眠的流耗+LORA休眠流耗+LORA發(fā)送一次數(shù)據(jù)的流耗。

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊可得：

正常情況下流耗為：70 μA+1.6 μA+2 μA=73.6 μA。

節(jié)點由兩節(jié)號干電池供電，提供的電量大約為1 450 mAh，由此可以計算節(jié)點理論上的工作時間如式（1）：

1 450 mAh/（73.6 μA*6）≈3 284 h≈136 d（1）

如果在需要發(fā)送報警信號的情況下，工作時間會縮短。后臺收到節(jié)點電壓過低數(shù)據(jù)之后會提示工作人員更換電池。

由此可知，數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點在采用兩節(jié)干電池供電時，如果以每10 min喚醒一次采集數(shù)據(jù)之后又快速進入休眠這樣的模式工作，理論上工作時間可長達136 d，這完全能滿足節(jié)點在隧道環(huán)境下連續(xù)長時間不間斷工作的需求。

3 終端節(jié)點軟件設計

本系統(tǒng)通過底層的數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點，定時喚醒公路隧道內消防栓水壓進行采用監(jiān)測，同時也測量給模塊供電的電池電壓。如果測量發(fā)現(xiàn)消防栓水壓過低或者電池電壓低于安全的情況，最終會通過公網(wǎng)將信息發(fā)送至平臺，并向工作人員發(fā)出告警提示，提醒工作人員及時對指定位置的消防栓進行檢查維修。終端節(jié)點主程序及中斷程序流程圖如圖6所示。

設備上電后，單片機首先給存儲器設置初始值，并對AD、串口及中斷系統(tǒng)進行初始化設置，并加載驅動。然后會完成網(wǎng)絡的注冊連接，確保板子已經(jīng)接入4 G網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)傳輸方式為透模式。網(wǎng)絡連接建立成功之后，單片機會定時通過AD接口讀取消防栓水壓數(shù)據(jù)及電池電壓數(shù)據(jù)。當測量的水壓或者系統(tǒng)的供電電壓偏離預置的數(shù)值范圍時會啟動報警流程，將異常情況發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)庫。水壓或電池電壓正常時，出于節(jié)能考慮可不發(fā)送數(shù)據(jù)。設備利用MSP430單片機低功耗特點，通過相應設置可使其在數(shù)據(jù)傳輸完成之后開啟休眠模式，每過一段時間又自我喚醒進行下一次測量。休眠時間的長短可根據(jù)現(xiàn)場的實際情況調整，默認值為10 min[5]。

4 平臺功能介紹

公路隧道消防管網(wǎng)水壓遠程監(jiān)控預警系統(tǒng)后臺的功能包括基本數(shù)據(jù)模塊和監(jiān)測信息模塊兩大部分。其中基礎數(shù)據(jù)模塊包括系統(tǒng)配置、基礎數(shù)據(jù)，其結構如圖7所示。監(jiān)測信息模塊包含終端監(jiān)測、水壓監(jiān)測、報警處理，其構成如圖8所示。各系統(tǒng)模塊功能詳述如下：

（1）系統(tǒng)配置：設置本系統(tǒng)各個模塊的功能。

（2）基礎數(shù)據(jù)：隧道位置、區(qū)域編號、消防栓布置、終端ID等基礎數(shù)據(jù)，完成每天的數(shù)據(jù)存儲以及異常告警提示的基本對象數(shù)據(jù)的管理。

（3）終端監(jiān)測：對指定消防栓ID、當前線上消防栓列表進行實時測量，可同時查看多個通道的實時狀態(tài)。

（4）水壓測量：測量當前在線消防栓的水壓是否正常。

（5）告警處置：包括對終端節(jié)點掉線、消防水壓異常和電路板供電電壓過低的狀況進行報警信息的記錄、反查、響應和數(shù)據(jù)分析等[6]。

通過以上功能的部署，可以實現(xiàn)對指定區(qū)域內的隧道消防栓水壓及終端模塊電池電壓進行實時監(jiān)測的目的，可從隧道延伸至路網(wǎng)，從而實現(xiàn)對道路消防系統(tǒng)的宏觀管理。通過對報警記錄進行查詢與處理，可以了解相關隧道消防栓的報警及其排除情況。同時可對排除故障的進度進行全程跟蹤與監(jiān)管。此外，系統(tǒng)還實時提供報警情況，以便進行快捷處理。最后，系統(tǒng)可以對一段時間內各個隧道消防栓的數(shù)據(jù)進行綜合統(tǒng)計分析，從而為隧道內消防栓的設置、維護管理、運行狀況等提供參考依據(jù)。

5 結語

在我國公路里程不斷增長的情況下，需要管理的隧道也越來越多。隧道的消防安全，也應越來越被重視。本公路隧道消防系統(tǒng)水壓遠程監(jiān)控預計系統(tǒng)，實現(xiàn)了對消防管網(wǎng)水壓的遠程實時監(jiān)測，提早發(fā)現(xiàn)隱患，保證消防管網(wǎng)的正常工作。實踐表明，本系統(tǒng)測量準確，數(shù)據(jù)傳輸安全可靠，對故障點能及時預警。本系統(tǒng)將為隧道消防安全提供強有力的監(jiān)察措施和技術支持。

參考文獻：

[1]蔣樹屏，林 志，王少飛.2018年中國公路隧道發(fā)展[J].隧道建設（中英文），2019，39（7）：1 217-1 220.

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[3]葉方躍，鄭偉南.基于LORA無線通信的數(shù)字開關量數(shù)據(jù)傳輸[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2020（1）：102-105.

[4]蘇洪濤，程 濤，汪 齊.高速公路隧道水消防系統(tǒng)設計探討[J].中國水運（下半月），2016，16（5）：228-229，241.

[5]席小衛(wèi)，徐 京，王雨琦，等.MSP430系列超低功耗單片機及應用探究[J].中國新通信，2020，22（2）：118.

[6]趙 平.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧消防建設[J].智能城市，2019，5（18）：83-84.

收稿日期：2020-04-09