消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研究綜述

張子蘊(yùn)， 周夢飛， 盛 平， 楊家富*

(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.泰州玉林動力機(jī)械有限公司，江蘇 泰州 210000)

隨著科技的進(jìn)步，消防水泵的用途越來越廣泛，消防水泵已經(jīng)成為消防給水系統(tǒng)的重要組成部分。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防水泵能否實(shí)時(shí)啟動并供水決定了消防給水的可靠性。傳統(tǒng)的消防水泵運(yùn)行監(jiān)測主要是通過消防水泵控制柜交流接觸器吸合，火災(zāi)報(bào)警控制器收到水泵啟動與交流接觸器上的無緣觸點(diǎn)閉合的信號，監(jiān)控人員通過火災(zāi)報(bào)警控制器來掌握消防水泵的運(yùn)行情況。然而該監(jiān)測方法存在隱患，不能準(zhǔn)確的反映消防水泵是否真正啟動并供水。近年來，針對傳統(tǒng)監(jiān)測方法的弊端，市場中研制出了能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄消防水泵運(yùn)行狀態(tài)的裝置，該裝置將監(jiān)測與遠(yuǎn)程功能結(jié)合起來，可以為用戶提供更加方便、安全的生活保障。

1 國內(nèi)外消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研究現(xiàn)狀

消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)是伴隨著泵業(yè)的進(jìn)步，根據(jù)泵業(yè)的應(yīng)用而逐漸發(fā)展起來的產(chǎn)物。縱觀國外消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，美國、英國、加拿大、德國等國家在此方面的研究和技術(shù)規(guī)模領(lǐng)先我國。國外將計(jì)算機(jī)、控制、通信技術(shù)進(jìn)行融合并對嵌入式和無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)深入研究，以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)串行口與PC機(jī)相連接構(gòu)成的多微機(jī)系統(tǒng)早已廣泛應(yīng)用于消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控等工業(yè)控制領(lǐng)域，監(jiān)控模塊多采用GPRS與Internet相連接，監(jiān)控中心連接Internet接受數(shù)據(jù)，發(fā)出的數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)的形式傳輸。國內(nèi)傳統(tǒng)的消防水泵運(yùn)行監(jiān)測主要是通過消防水泵控制柜，張國平[1]指出傳統(tǒng)水泵控制模式的弊端并提出改進(jìn)方案，在消防水泵控制柜上加設(shè)消防水泵遠(yuǎn)程手動控制盤和遠(yuǎn)程合分閘控制。到21世紀(jì)初期，在參考美國、澳大利亞等國家的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)后，吸取他們成功的經(jīng)驗(yàn)，我國的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采取網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用現(xiàn)代通信技術(shù)、綜合信息處理顯示技術(shù)、計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)集合而成。馬圣波[2]提出利用消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將火災(zāi)探測報(bào)警和消防管理、通信指揮、滅火救援等功能有機(jī)結(jié)合起來，可以最大限度地減少火災(zāi)造成的人民生命財(cái)產(chǎn)損失。

2 消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的研究

2.1 消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的主要功能

為了保證消防系統(tǒng)能夠在火災(zāi)來臨時(shí)正常運(yùn)行，滿足消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范要求，目前，我國各地正在積極開展消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)。消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是以消防設(shè)施中的消防水泵為監(jiān)控對象，它的設(shè)計(jì)理念是實(shí)時(shí)監(jiān)測消防設(shè)備的工作狀況，同時(shí)能夠針對設(shè)備長期的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；其中包括設(shè)備的故障分析與處理，確認(rèn)故障類型和狀態(tài)，設(shè)備啟動停止管理等。系統(tǒng)結(jié)合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，自動控制技術(shù)對消防水泵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、采集、處理、傳輸、顯示、存儲。消防水泵運(yùn)行時(shí)，主要測量參數(shù)有流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、壓力等。控制模塊主要負(fù)責(zé)控制消防水泵的啟動和停止。由于水泵在運(yùn)行過程中要保持恒定水壓，翟娟[3]提出采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)水泵恒壓出水，結(jié)合近似的數(shù)學(xué)模型，并在Matlab平臺上進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明模糊控制算法可以有效的使消防水泵恒壓出水。目前，消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)主要應(yīng)用于我國主流建筑，然而面對地域廣泛，環(huán)境惡劣，信號較差的地區(qū)，例如森林、高原等地，周夢飛[4]提出在原有的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加了GPS定位功能，能夠及時(shí)獲取消防水泵的位置以及環(huán)境信息，便于后期對消防水泵的日常維護(hù)保養(yǎng)。

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)控是伴隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信等現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來的新興技術(shù)。具體而言，利用傳感器檢測所需信息，再利用手機(jī)、電腦終端等方式實(shí)現(xiàn)被控對象的遠(yuǎn)程控制。被控對象的運(yùn)行情況、地理位置等信息會實(shí)時(shí)反饋到用戶手中。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)分析處理模塊組成。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框架圖

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊

消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的前端由數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器[5-7]、A/D轉(zhuǎn)換器。傳感器負(fù)責(zé)采集消防水泵的運(yùn)行參數(shù)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再交由控制模塊進(jìn)行計(jì)算處理。

控制模塊中主控制器在整個(gè)系統(tǒng)中承擔(dān)著最核心的任務(wù)，它負(fù)責(zé)整套監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部所有數(shù)據(jù)的收集與執(zhí)行，起到承上啟下的作用，需要實(shí)現(xiàn)與移動終端的交互。因此，選擇合適的主控制器可以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠?，F(xiàn)階段，用于控制模塊的主控制器大體分為三類：單片機(jī)、工控機(jī)、PLC。

單片機(jī)系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)開放的主要組成部分，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：控制功能強(qiáng)，任何現(xiàn)場控制基本都能完成；體積小，易于嵌入；實(shí)時(shí)性好，運(yùn)行速度快，廣泛采用匯編語言或C語言。傅良康[8]等開發(fā)了一套基于STM32單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，STM32單片機(jī)是一種嵌入式微控制器集成電路，具有低功耗、低價(jià)格、高性能等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)由傳感器模塊檢測的數(shù)據(jù)傳輸至STM32進(jìn)行處理，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至用戶。

工控機(jī)系統(tǒng)以微機(jī)為主要載體，CPU控制板或基礎(chǔ)功能模塊實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，以此來實(shí)現(xiàn)控制功能的目的。工控技術(shù)是一種基于網(wǎng)絡(luò)通信模塊搭建的控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)控制指令與執(zhí)行系統(tǒng)之間的通信和控制。通過上位機(jī)工業(yè)計(jì)算機(jī)終端控制器與末端計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行相互通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)具有以下幾方面特點(diǎn)：可以設(shè)計(jì)多種可視化界面，且界面內(nèi)容豐富，便于操作；可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、組態(tài)以及遠(yuǎn)程控制和訪問；編譯環(huán)境可選性強(qiáng)。

PLC是一種應(yīng)用于大型工業(yè)生產(chǎn)的智能控制器，具有控制功能強(qiáng)、體積小、能耗小以及無觸點(diǎn)開關(guān)等優(yōu)勢。其主要特點(diǎn)有：故障率低，抗干擾性高，堅(jiān)固耐用；有強(qiáng)大的功能接口；開發(fā)周期短，通用性好。用戶可以根據(jù)對象的控制要求來進(jìn)行控制程序的編寫，然后將程序下載到PLC的寄存器中，PLC的控制功能就是通過運(yùn)行用戶存儲器中編好的程序來實(shí)現(xiàn)的。侯鈺[9]設(shè)計(jì)的消防水泵智能巡檢控制系統(tǒng)以PLC作為主控制器，以顯示器清晰易懂、功能多樣和PLC有很好兼容性的MCGS觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備。該系統(tǒng)的主要功能為通過觸摸屏發(fā)出控制命令，PLC將命令數(shù)據(jù)傳輸給變頻器然后控制各個(gè)水泵的運(yùn)行狀況并采集水泵的運(yùn)行參數(shù)，再通過PLC將數(shù)據(jù)輸送到觸摸屏和上位機(jī)實(shí)時(shí)更新顯示出來，實(shí)現(xiàn)對消防水泵的控制和狀態(tài)檢測，及時(shí)了解消防設(shè)備的工作狀況，消除消防水泵潛在的安全隱患。PLC可以通過自身擴(kuò)展的接口與計(jì)算機(jī)或者上位機(jī)進(jìn)行通信，并采用循環(huán)掃描的方式來進(jìn)行工作，將其接通電源后，PLC會按照系統(tǒng)主控程序的命令來循環(huán)執(zhí)行任務(wù)，其工作過程如圖2所示。

圖2 PLC工作過程

PLC輸入端口可以檢測消防水泵的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，包括消防信號、電源工作狀態(tài)、消防水泵工作模式，輸出端直接控制驅(qū)動中間繼電器來間接控制消防水泵。

目前，在遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域中，PLC、工控機(jī)和單片機(jī)三種控制器在功能上相互交叉，需根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場合與控制要求進(jìn)行選擇。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊處于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心位置，消防水泵與控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸采用在控制器上外接一個(gè)總線模塊，將傳感器采集到的信息傳送到控制器進(jìn)行處理，處理后的控制信號也通過總線模塊發(fā)送給消防水泵。用戶與消防水泵之間進(jìn)行信息交流主要通過人機(jī)接口，人機(jī)接口將用戶的指令發(fā)送給消防水泵，同時(shí)將消防水泵的反饋和狀態(tài)信息告知用戶。

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要的網(wǎng)絡(luò)通訊方式有：局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)等。以單片機(jī)為主控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)多采用無線網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)，主要有以下三種：窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT、Zigbee、LoRa。窄帶物聯(lián)網(wǎng)是5G時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)核心，未來有非常可觀的發(fā)展前景。孫潔[10]設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就是在NB-IoT的通信手段的支持下，將采集到的數(shù)據(jù)通過基站傳輸?shù)皆品?wù)器進(jìn)行存儲，以完成每個(gè)地區(qū)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控。Zigbee主要用于短距離數(shù)據(jù)傳輸，要想在超長距離進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸必須與其他無線組網(wǎng)進(jìn)行結(jié)合使用，目前與Zigbee相結(jié)合最多的無線組網(wǎng)是GPRS。韓團(tuán)軍[11]提出了一種基于GPRS和Zigbee的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)，Zigbee模塊接收到的終端數(shù)據(jù)通過串口的方式將其發(fā)送至主控單片機(jī)，主控芯片再啟動GPRS 模塊將數(shù)據(jù)包上傳服務(wù)器上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解壓、分析、實(shí)時(shí)顯示、保存，整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠。LoRa通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中常用的無線通信技術(shù)，能夠滿足超長距離的網(wǎng)絡(luò)通信，并具有低功率、大鏈接、低成本等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)部署。田旭飛[10]等設(shè)計(jì)出基于LoRa無線傳輸機(jī)制的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用LoRa級聯(lián)組網(wǎng)方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)，LoRa組網(wǎng)級聯(lián)時(shí)，每一臺設(shè)備相當(dāng)于一個(gè)中繼器，從而將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去，這樣可實(shí)現(xiàn)超長距離通信，數(shù)據(jù)匯聚到這一片區(qū)內(nèi)的LoRa模塊，最后通過4G通信模塊將片區(qū)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺服務(wù)器。3種網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)對比見表1。

表1 NB-IoT，Zigbee，LoRa 參數(shù)對比表

消防水泵的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信需對比三種無線組網(wǎng)，再結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場合與控制要求進(jìn)行選擇。

為給互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供通信支持，需根據(jù)操作系統(tǒng)和硬件體系結(jié)構(gòu)選擇合適的通訊協(xié)議，然而設(shè)備的通訊協(xié)議復(fù)雜多樣，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)很難統(tǒng)一，針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通訊協(xié)議的多樣性這一問題，殳雪城[13]等設(shè)計(jì)了一種基于邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的監(jiān)控系統(tǒng)，采用EdgeX Foundry 邊緣計(jì)算框架，為設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與設(shè)備的控制提供了新的思路。

鮑軍民[14]設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)基于阿里云平臺采用MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，按照MQTT協(xié)議將狀態(tài)信息發(fā)送至云平臺。在一般物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層MQTT、CoAP、Http等協(xié)議中，MQTT協(xié)議以其簡約、輕易、易于使用等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)應(yīng)用于各物聯(lián)網(wǎng)平臺。該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP之上，實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)布、訂閱模式，特別適用于資源有限的嵌入式設(shè)備和低帶寬、高延遲或不可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。MQTT工作流程如圖3所示，通過客戶端將采集到的數(shù)據(jù)以MQTT的形式實(shí)時(shí)地傳輸?shù)皆贫?，位于云端的MQTT服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，做出處理，發(fā)布該主題，同時(shí)位于WEB端的MQTT客戶端訂閱該主題，獲取數(shù)據(jù)。

圖3 MQTT工作流程

2.2.3 數(shù)據(jù)分析處理模塊

數(shù)據(jù)分析處理模塊由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)終端和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組成，對接收到的信號進(jìn)行分析處理，從而達(dá)到對消防水泵的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

數(shù)據(jù)庫具有對消防水泵的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和存儲，系統(tǒng)登陸信息的檢索和讀取等功能。根據(jù)消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。翟娟[15]設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺是基于Linux平臺搭建Web服務(wù)器，設(shè)計(jì)SQLite數(shù)據(jù)庫，SQLite數(shù)據(jù)庫是一種嵌入式數(shù)據(jù)庫，是由D.Richard開放出來的，代碼簡單，無需配置，放棄了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜特性，直接運(yùn)行程序，占用的內(nèi)存小而少，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的一些必備的基本功能。用戶在查詢消防水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)，首先選擇要查詢的條件，然后通過應(yīng)用程序讀取串口數(shù)據(jù)，向data表寫入數(shù)據(jù)；最后通過函數(shù)讀取data表數(shù)據(jù)，發(fā)送到瀏覽器上顯示。

但是SQLite適用于較小的數(shù)據(jù)庫，隨著數(shù)據(jù)庫的增長，使用SQLite時(shí)內(nèi)存需求也會變大，性能優(yōu)化則更加困難，并且SQLite沒有內(nèi)置的身份驗(yàn)證機(jī)制，任何人都可以訪問數(shù)據(jù)庫文件。相比較SQLite數(shù)據(jù)庫，MySQL數(shù)據(jù)庫帶有許多的內(nèi)置安全功能，包括使用用戶名，密碼和SSH進(jìn)行身份驗(yàn)證，并且MySQL易于擴(kuò)展，可以輕松處理更大的數(shù)據(jù)庫。徐建明[16]設(shè)計(jì)了一種通過MQTT與位于阿里云的 MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的存儲模塊通過C語言進(jìn)行搭建，并嵌入到本地客戶端，數(shù)據(jù)庫表格采用樹狀關(guān)系圖的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用多表關(guān)聯(lián)方式建立對象表、設(shè)備表、采集點(diǎn)數(shù)據(jù)表，該設(shè)計(jì)方法優(yōu)勢在于擴(kuò)展性高，無需頻繁修改數(shù)據(jù)庫。在功能上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)儲存，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)存儲模塊功能圖

3 總結(jié)與展望

綜上所述，消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控某區(qū)域范圍內(nèi)消防水泵的運(yùn)行情況，可查詢消防水泵的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制消防水泵啟動和停止等功能，滿足《城市消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求，對設(shè)備長期的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)。由于人民對生活質(zhì)量要求的不斷提高和現(xiàn)代技術(shù)飛速的發(fā)展，消防水泵作為使用率最高的滅火設(shè)備之一，消防水泵的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展也處于上升趨勢。

目前，消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)仍需進(jìn)一步完善，在后續(xù)的工作中需要完善的地方主要包括：引入機(jī)器視覺技術(shù)，監(jiān)控人員能更加直觀的了解水泵的運(yùn)行情況；開發(fā)模糊PID恒壓控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID恒壓控制系統(tǒng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供功能擴(kuò)展口，供用戶按照自身特殊要求進(jìn)行二次開發(fā)，完善遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能；隨著監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)會不斷的增多，會形成大量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)優(yōu)化，配置數(shù)據(jù)庫同步備份，保證數(shù)據(jù)的安全性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，方便人們對水泵運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，并為水泵的使用、維護(hù)、安全檢驗(yàn)等工作提供基于數(shù)據(jù)的理論支持；消防水泵遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)向智能化方向發(fā)展，與機(jī)器視覺技術(shù)[17]、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等領(lǐng)域的內(nèi)容相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)更加完善。