基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的市政消防栓智能監(jiān)控管理系統(tǒng)

張 力，羅炬鋒，單聯(lián)海,2

（1.上海物聯(lián)網(wǎng)有限公司，上海 201899；2.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050）

0 引 言

市政消防栓作為重要的城市配套供水設(shè)施，是城市公共消防設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)著在消防部門滅火救援中提供水源的重要作用。它的正常功能的發(fā)揮直接影響到火災(zāi)能否及時(shí)有效撲救，對于保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于安裝地點(diǎn)分散、管理松弛、民眾法律意識淡薄等原因，市政消防栓損毀失修、水壓不足、無水漏水、違規(guī)用水等現(xiàn)象屢見不鮮[1-2]，不僅影響市民正常用水，同時(shí)也可能影響滅火救援，帶來嚴(yán)重的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年因火災(zāi)所造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡70%以上是由于消防栓管理不善，延誤了滅火救援的最佳時(shí)機(jī)[2-3]。因此，對市政消防栓的科學(xué)有效監(jiān)管應(yīng)引起高度重視。

目前自來水公司針對消防栓采用的是傳統(tǒng)的專用閥門控制用水及防撞漏水設(shè)計(jì)，在盜水與壓力控制上并沒有好的解決方案[1]。在管理上則是采用的網(wǎng)格化模式[4]，主要靠人工巡檢、接受群眾舉報(bào)等形式對消防栓的使用情況進(jìn)行監(jiān)管[5]，這種方式的人力物力成本較高，且無法對消防栓異常情況做到實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。針對上述問題，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的市政消防栓智能監(jiān)控管理系統(tǒng)，綜合利用傳感器、射頻識別（RFID）、無線通信、地理信息系統(tǒng)（GIS）等技術(shù)，將消防栓終端與監(jiān)控管理平臺互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對消防栓使用情況的實(shí)時(shí)監(jiān)管，幫助有關(guān)部門對異常情況進(jìn)行快速處置。

1 系統(tǒng)組成

從技術(shù)架構(gòu)上，整個(gè)系統(tǒng)從下至上可以分為信息感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、平臺應(yīng)用層三個(gè)部分，如圖1所示。系統(tǒng)核心部分主要是消防栓智能監(jiān)控終端和監(jiān)控管理平臺。其中，消防栓智能監(jiān)控終端集成了多種傳感器，可對消防栓的用水、撞擊、水壓等日常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。一旦監(jiān)測到異常，如違規(guī)用水、消防栓被撞倒、漏水導(dǎo)致水壓異常等，將喚醒處理器進(jìn)行初步數(shù)據(jù)處理，并觸發(fā)低功耗無線通信模塊將異常信息發(fā)送至監(jiān)控管理平臺。系統(tǒng)管理人員查收到平臺發(fā)出的報(bào)警信息，可及時(shí)通知維護(hù)人員去現(xiàn)場核實(shí)處理。同時(shí)，結(jié)合GIS技術(shù)，利用監(jiān)控管理平臺可實(shí)時(shí)掌握平臺監(jiān)測范圍內(nèi)消防栓的分布、狀態(tài)與數(shù)量信息，從而實(shí)現(xiàn)對消防栓的集中式、智能化管理。消防栓智能監(jiān)控終端使用電池供電，由于終端硬件各部分采用了超低功耗設(shè)計(jì)，因此可在不更換電池的條件下持續(xù)工作數(shù)年，有效地降低了維護(hù)成本。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要針對消防栓智能監(jiān)控終端內(nèi)部的核心模塊，包括多維數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、主控模塊與多模網(wǎng)關(guān)模塊，如圖2所示。

圖2 消防栓智能監(jiān)控終端硬件框圖

2.1 多維數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊

多維數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元，集成了低功耗傳感器：電極傳感器、加速度傳感器和壓力傳感器，分別為實(shí)現(xiàn)消防栓用水、撞擊、水壓異常（漏水）等情況的監(jiān)控進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，可對消防栓的狀態(tài)進(jìn)行較全面的監(jiān)控。

電極傳感器采用的是深圳碧河電氣公司的AT35-7電極式水位傳感器。通過電極線與串聯(lián)/并聯(lián)電阻組成監(jiān)控電路監(jiān)測電壓變化，消防栓腔體內(nèi)無水和上水時(shí)的監(jiān)測電壓不同，從而確定用水狀態(tài)。電極線的探極材質(zhì)采用SUS304不銹鋼材料，可長期使用，不易銹蝕脫落，且能有效抵抗表面結(jié)垢問題，從而避免導(dǎo)電性能的下降或者失效，維護(hù)十分方便。

加速度傳感器采用ADI公司的ADXL362，ADXL362是一款超低功耗三軸加速度計(jì)，分辨率高（12位），測量范圍高達(dá)16g，可采用SPI數(shù)字接口訪問。其高分辨率下（1 mg/LSB），能夠測量不到1.0°的傾斜角變化。另外，ADXL362的低功耗模式支持智能電源管理[6]，從而以極低的功耗進(jìn)行閾值感測和運(yùn)動(dòng)加速度測量。利用該傳感器可監(jiān)測消防栓是否遭受破壞性撞擊。

壓力傳感器采用西安美特傳感器公司的MPT570微功耗壓力變送器，其靜態(tài)工作電流小于2 mA，休眠電流小于2 μA，功耗小于4 mW，綜合精度[7]達(dá)到0.5%F.S。當(dāng)消防栓發(fā)生漏水情況時(shí)，壓力傳感器將會(huì)檢測到消防栓腔體內(nèi)壓力發(fā)生的變化，如果變化值不在正常范圍內(nèi)，主控模塊將判斷為可能發(fā)生漏水，則立即啟動(dòng)異常上報(bào)程序。

2.2 主控模塊

主控模塊主要完成對消防栓智能監(jiān)控終端內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)采集處理、無線傳輸以及RFID身份認(rèn)證的控制。微處理器采用微芯公司的PIC18F46J50，這款單片機(jī)采用nanoWatt XLP技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)極低的休眠電流。

為方便維護(hù)人員對消防栓進(jìn)行檢修操作，在主控模塊中還集成了電感耦合式RFID，記錄了消防栓的編號、位置、日常巡檢記錄等信息，維護(hù)人員檢修時(shí)攜帶相應(yīng)的身份識別卡，靠近終端時(shí)即完成身份認(rèn)證，對終端的各類操作不會(huì)觸發(fā)異常報(bào)警。在軟件設(shè)計(jì)上采用二進(jìn)制搜索算法，以解決RFID多路存取的碰撞問題[8]，從而保證身份識別的準(zhǔn)確性。

2.3 多模網(wǎng)關(guān)模塊

多模網(wǎng)關(guān)模塊集成了GPRS和NB-IoT無線傳輸方案，可根據(jù)終端的安裝環(huán)境靈活選擇無線傳輸方式。其中，GPRS通信方案采用芯訊通科技有限公司的SIM800C通信模塊。這是一款極小尺寸的四頻GSM/GPRS模塊，LCC封裝，可以極低的功耗實(shí)現(xiàn)短消息與數(shù)據(jù)傳輸。NB-IoT通信方案選用移遠(yuǎn)通信的BC95通信模塊，這是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模塊[9]，同樣采用LCC封裝，內(nèi)嵌豐富的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧，非常適用于無線抄表、智慧城市、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測以及其他諸多行業(yè)，以提供完善的短信和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控管理平臺

監(jiān)控管理平臺采用模塊化設(shè)計(jì)，基于B/S架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，主要包含系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、事件管理、應(yīng)用服務(wù)等功能模塊，實(shí)現(xiàn)消防栓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、消防栓位置分布查詢、報(bào)警信息發(fā)布、歷史數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計(jì)分析等功能。設(shè)計(jì)上考慮后期與水務(wù)管理、消防局、數(shù)字化城市管理中心等部門的數(shù)據(jù)共享。平臺架構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)控管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)管理：包括用戶管理（用戶分類、用戶權(quán)限等）、基于信息整合的報(bào)表管理、系統(tǒng)服務(wù)管理與集成管理等。

數(shù)據(jù)管理：實(shí)現(xiàn)對消防栓智能監(jiān)控終端信息與實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及報(bào)警記錄數(shù)據(jù)的存儲、分類、統(tǒng)計(jì)、查詢等功能，以便于管理人員實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域范圍內(nèi)消防栓的正常使用與狀態(tài)異常情況。

事件管理：實(shí)現(xiàn)對報(bào)警事件詳情、事件處理狀態(tài)及維護(hù)保養(yǎng)記錄的管理，同時(shí)設(shè)置消息提醒功能，以確保異常事件得到及時(shí)處理，有效保障消防救援等緊急狀態(tài)下的用水需求。

應(yīng)用服務(wù)：提供統(tǒng)一登錄門戶、用戶協(xié)作工具、核心數(shù)據(jù)集中展示與發(fā)布等功能，方便不同用戶訪問平臺并使用相關(guān)功能，提供開放消息接口以便與其他平臺共享監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

3.2 終端軟件流程

消防栓智能監(jiān)控終端的軟件處理流程如圖4所示。設(shè)備上電后，主控模塊會(huì)對多維數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊和多模網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行初始化操作。初始化完成后，多維數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊中的各傳感器開始采集數(shù)據(jù)。當(dāng)主控模塊檢測到異常狀態(tài)時(shí)，將啟動(dòng)多模網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)，直到上報(bào)成功。上報(bào)成功或超時(shí)都將關(guān)閉多模網(wǎng)關(guān)模塊，返回低功耗數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。

圖4 監(jiān)控終端軟件處理流程

3.3 數(shù)據(jù)傳輸格式

終端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的通信傳輸格式在設(shè)計(jì)上充分考慮了傳輸?shù)目煽啃耘c高效性，并針對終端采集的實(shí)際信息進(jìn)行了優(yōu)化。數(shù)據(jù)幀為十六進(jìn)制格式，包含幀頭、幀類型、設(shè)備編號、設(shè)備數(shù)據(jù)與幀校驗(yàn)和5個(gè)部分，如圖5所示。幀頭采用字符0xEF開頭，幀類型分為心跳報(bào)文（采用字符0x01表示）和報(bào)警信息報(bào)文（采用字符0x02表示），設(shè)備編號用4 B數(shù)據(jù)表示。心跳報(bào)文的設(shè)備數(shù)據(jù)為3 B數(shù)據(jù)，包含電源電壓值和接收信號強(qiáng)度值，心跳報(bào)文設(shè)置為每8 h上報(bào)1次，便于系統(tǒng)掌握監(jiān)控終端的運(yùn)行狀態(tài)。報(bào)警信息報(bào)文的設(shè)備數(shù)據(jù)大小為14 B，包含授權(quán)認(rèn)證ID、各類事件報(bào)警開關(guān)、用水水壓值、撞擊傾斜角度值、電源電壓值、用水水量和累計(jì)用水時(shí)長，報(bào)警信息報(bào)文僅在各類事件（用水、撞擊等）發(fā)生時(shí)才會(huì)觸發(fā)終端進(jìn)行上報(bào)。幀校驗(yàn)和使用CRC校驗(yàn)[10]。

圖5 數(shù)據(jù)幀格式

4 實(shí)驗(yàn)測試

在水務(wù)局和消防部門等單位的大力支持與協(xié)助下，對上海市嘉定區(qū)的部分消防栓（共計(jì)312個(gè)）進(jìn)行了智能化改造，安裝上了消防栓智能監(jiān)控終端，如圖6所示，并通過監(jiān)控管理平臺實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理。

圖6 消防栓智能監(jiān)控終端與安裝效果

監(jiān)控管理平臺主界面如圖7所示。在試點(diǎn)運(yùn)行期間，系統(tǒng)運(yùn)行情況正常。工作人員隨機(jī)選擇了其中部分消防栓進(jìn)行了模擬正常用水、漏水、碰撞、非授權(quán)開啟等測試，平臺對于事件報(bào)告結(jié)果的準(zhǔn)確率達(dá)到100%。平臺界面友好，操作簡便，結(jié)合GIS地圖的展現(xiàn)方式，可直觀展示監(jiān)控區(qū)域范圍內(nèi)消防栓的位置分布與狀態(tài)，并能通過屏幕點(diǎn)選快速查詢到任一接入平臺的消防栓的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖7 監(jiān)控管理平臺主界面

實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可以對大范圍區(qū)域內(nèi)消防栓實(shí)現(xiàn)快速有效的統(tǒng)一化、智能化監(jiān)控管理，有效地提升了相關(guān)部門的維護(hù)效率，減少了維護(hù)成本。

5 結(jié) 語

市政消防栓作為城市重要基礎(chǔ)設(shè)施，是預(yù)防火災(zāi)蔓延、保護(hù)市民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要防線。實(shí)現(xiàn)市政消防栓的智能化管理，對于城市基礎(chǔ)設(shè)施的智慧化升級、消除城市消防安全隱患具有重要意義。本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市消防栓智能監(jiān)控管理系統(tǒng)，充分利用了物聯(lián)網(wǎng)全面感知、可靠傳遞與智能處理等技術(shù)特征，可通過其實(shí)時(shí)掌握市政消火栓的分布、狀態(tài)和數(shù)量信息，輔助滅火救援力量的調(diào)度，降低因消防栓遭受外界非法使用和損壞后造成的水資源浪費(fèi)，并減少了巡檢維護(hù)成本。同時(shí)，通過該系統(tǒng)可為市政管理提供基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)支撐，并在消防單位和市政管理單位之間共享市政消防設(shè)施監(jiān)控信息，提高聯(lián)動(dòng)工作保障能力。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用在城市道路、機(jī)場、大型石化項(xiàng)目和國際會(huì)議中心等消防重地，具有廣闊的市場前景和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。