基于5G 通信技術的智能消防栓系統(tǒng)設計

王杰，劉俊杰，呂品，徐力

（寧波工程學院，浙江寧波，315211）

0 引言

我國城市化發(fā)展的快速階段，大量的農(nóng)業(yè)人口由農(nóng)村轉移到城市，參與到城市發(fā)展的建設當中，期間我國城市數(shù)量不斷增加，城市規(guī)模不斷擴大[1]，同時城市的建筑變得更加密集，結構也更為復雜。在一定程度上加大了火災發(fā)生的破壞性和突發(fā)性，也對消防設備有了更高的考驗?；馂膸淼膿p失是無法估量的，而如何預防火災，減少火災造成的危害變得非常重要。消防栓作為一個固定的基礎性消防設備，其主要功能就是用于消防車在市政給水管網(wǎng)及戶外的消防供應管線中取水滅火，也可以直接與消防用水帶和水槍相連。但在實際滅火救援，出現(xiàn)了消防栓內水壓不足、水量不夠、栓體破損等情況，從而導致滅火救援工作無法進行，直接影響了消防滅火的效果[2]。本文針對消防栓水壓監(jiān)測不到位、設備維護不及時、監(jiān)管困難等情況，構建完善的智能消防栓系統(tǒng)，為城市的消防建設提供新思路。

本次設計綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信、云計算、人工智能等新興技術，研發(fā)了一款智能消防栓系統(tǒng)。通過在消防設備終端運用水壓監(jiān)測、防傾倒監(jiān)測、煙霧濃度監(jiān)測等多種傳感器與5G 通信模塊相結合，實現(xiàn)對消防栓相關數(shù)據(jù)的實時采集。數(shù)據(jù)信息通過5G 通信傳輸?shù)街悄芟浪ㄏ到y(tǒng)的云平臺上進行處理分析，當監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)時，及時提醒管理人員進行相應處理，實現(xiàn)對消防設備的實時監(jiān)管，為消防救援提供強力的保障支持，提高智慧城市的消防滅火水平，具有良好的應用前景。

1 系統(tǒng)總體架構

智能消防栓系統(tǒng)總體采用分層架構設計，大致可分為感知層、傳輸層、服務層和應用層，具體結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構

感知層是系統(tǒng)采集信息的關鍵部分，傳感器又作為系統(tǒng)中獲得信息的主要設備，通過在消防栓的重要節(jié)點安裝對應監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)對消防栓內水壓變化、栓體的傾角變化、環(huán)境煙霧濃度等信息的實時監(jiān)測和采集，然后通過通信設備進行傳輸[3]。

傳輸層主要完成數(shù)據(jù)的處理和傳輸，5G 通信因為高帶寬、低時延、覆蓋廣等特性，很好地應用于消防設備終端與云服務器之間的傳輸，加快了信息向上傳輸和向下回傳的速度[4]。高可靠的傳輸特性極大地加快了數(shù)據(jù)向云平臺的傳輸，同時也方便管理員更快更穩(wěn)地下達控制指令。

服務層作為數(shù)據(jù)分析和管理的服務中心，主要完成對通信設備的數(shù)據(jù)收發(fā)，并將接收到的消防栓設備信息進行存儲、整理、分析，對數(shù)據(jù)信息進行深入挖掘與融合，預知消防栓狀態(tài)信息的變化，同時向用戶進行可視化展示。

應用層主要面向業(yè)主用戶、維保單位和相關消防人員，針對使用對象的不同進行不同的權限分層推送，通過獲取云平臺傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，在Web 端和移動端APP 上進行顯示。用戶可以很便捷地登錄到移動端APP 對消防設備數(shù)據(jù)進行查看和管理并進行一些決策，提高系統(tǒng)處理異常事件的效率。

2 系統(tǒng)軟硬件設計

智能消防栓監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成包括監(jiān)測模塊，電源模塊，主控模塊以及通信模塊。監(jiān)測模塊主要由水壓監(jiān)測，防傾角監(jiān)測，煙霧感知等模塊組成，通信模塊使用的是5G通信模塊，各模塊之間通過主控模塊進行連接交互。如圖2所示。

主控模塊使用的是STM32L051，是一款低功耗單片機，通過UART、I2C、SPI、RS485 等通訊協(xié)議與各監(jiān)測模塊和5G 通信模塊進行通信；監(jiān)測模塊中各傳感器感知消防栓節(jié)點的狀態(tài)變化，對消防栓水壓、水量、傾角等狀態(tài)信息實時監(jiān)測；5G 通信模塊采用MQTT 協(xié)議連接至云服務器，充分傳輸消防栓設備數(shù)據(jù)信息；電源模塊為整個硬件電路工作進行供電。

■2.1 電源模塊

系統(tǒng)采用兩節(jié)額定電壓為3.7V 的鋰電池進行供電，整個硬件電路中各模塊的供電電壓有所不同，有3.3V 和5V兩種。 使用TPS5430 芯片設計電源降壓電路，如圖3 所示。TPS5430 支持5.5V~36V 的輸入電壓，轉換效率最高可達到95%，輸出電壓精度為1.5% ，查看數(shù)據(jù)手冊可知，在TPS5430 正常工作時，引腳VSNS 的電壓為1.221V，通過改變外部電阻值使電路輸出+5V 電壓為對應模塊供電，同時另一路經(jīng)過ASM1117 穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出3.3V 為主控模塊供電。如圖4 所示。

圖4 ASM1117 電源模塊電路

■2.2 5G 通信模塊

5G 通信模塊使用的是移遠RG200U-CN 模塊，是一款專門為Iot/eMBB 應用而設計的5G 模塊，同時支持NSA 和SA 兩種5G 組網(wǎng)方式。采用的是Mini PCIe 接口封裝，內置豐富的網(wǎng)絡協(xié)議和外設接口，支持多種驅動和軟件功能。系統(tǒng)設計穩(wěn)定可靠，適用于數(shù)據(jù)的高速傳輸。

■2.3 水壓監(jiān)測模塊

水壓監(jiān)測部分采用的是SEN0257 水壓傳感器，標準的5V 供電，0.5V~4.5V 線性電壓輸出。傳感器內部含有硅單晶材料，硅單晶材料在受到外力作用產(chǎn)生極微小應變時，其內部原子結構的電子能級狀態(tài)會發(fā)生變化，從而導致其電阻率劇烈變化。利用這種原理在消防栓供水管網(wǎng)上、出水口處等位置安裝好壓力傳感器，被測水壓的壓力轉換成模擬信號，模擬信號經(jīng)過單片機片內模數(shù)轉換后將信息進行存儲[5]。借助5G 通信模塊對信息進行傳輸，同時設置合適的水壓閥位，當水壓偏離設定值時，管理人員能夠在第一時間對消防栓異常信息進行相應處理維護。

■2.4 防傾角模塊

本文設計中使用的傾角傳感器是MPU6050，本質上是一種應用慣性力基本原理的加速度傳感器。MPU6050內 部 自 帶 有7 路16bit 的ADC 轉換電路，其中3 路為陀螺儀、3 路為加速度計、1路為內部溫度傳感器，模塊原理圖如圖5 所示。ADC 轉換后的數(shù)據(jù)通過DMP 處理后，存儲在FIFO 里。單片機通過對芯片內部寄存器進行讀寫操作，完成對MPU6050 的控制。利用I2C 協(xié)議讀出三軸陀螺儀和三軸加速度的值后進行數(shù)據(jù)融合就能得到真實的傾角，同時可采用一階濾波算法使數(shù)據(jù)更準確，實現(xiàn)對消防栓傾角的實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)消防設備傾斜情況。

圖5 MPU6050 模塊電路

■2.5 煙霧報警模塊

發(fā)生火災時主要產(chǎn)生甲烷、丙烷、丁烷等可燃性氣體，空氣中可燃性氣體濃度會隨之增高。本文設計中使用MQ-5型傳感器用于采集煙霧的濃度信息，如圖6 所示。MQ-5 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫，當空氣中可燃氣體濃度增加時，傳感器的電導率增大導致電阻值發(fā)生改變，使得輸出的模擬信號發(fā)生變化。傳感器的模擬接口A0 接入單片機，將數(shù)據(jù)進行處理轉化，當超過設定的閾值時進行上報處理[6]。

圖6 MQ-5 煙霧檢測電路

■2.6 軟件設計

系統(tǒng)下位機軟件設計流程圖如圖7 所示，當設備上電后，對單片機的時鐘、串口、I2C 等進行基礎初始化，同時對傳感器模塊、5G 通信模塊進行初始化，初始化成功后，建立5G通信模塊與云平臺之間的連接，各傳感器開始采集數(shù)據(jù)，單片機讀取數(shù)據(jù)后將其轉換成相應數(shù)字量進行判斷，超出設定的值便發(fā)出報警信號并將數(shù)據(jù)進行打包通過串口通信發(fā)送到通信模塊，同時通過AT 指令控制將數(shù)據(jù)上傳，結束后進入低功耗模式等待下一輪數(shù)據(jù)采集[7]。

圖7 下位機軟件設計流程圖

3 系統(tǒng)平臺搭建

■3.1 云平臺系統(tǒng)設計

云平臺作為智能消防栓系統(tǒng)的重要組成部分，主要負責對傳輸層的數(shù)據(jù)進行處理和分析，同時為用戶提供為可視化的操作界面，當硬件設備接入到云服務器后，實時采集消防栓的工作信息，展示消防栓設備的工作狀態(tài)。本文智能消防栓系統(tǒng)采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，阿里云平臺提供MQTT、CoAP 等多種協(xié)議的設備SDK，既能滿足用戶長時間連接的實時性需求，也能滿足短連接的低功耗需求；同時作為云端服務器的中間層 (PaaS 層)，為基礎設備和軟件服務提供了產(chǎn)品快速部署、快捷接入設備、計算與儲存等功能，極大加快了開發(fā)的速度；設備連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺后，可以直接接收到設備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。云平臺的數(shù)據(jù)可以通過HTTP/2通道流轉至用戶的服務器上，用戶服務器通過接入HTTP/2 SDK 可以接收消防栓設備數(shù)據(jù)信息[8]。同時可以利用規(guī)則引擎進行云產(chǎn)品流轉，將云平臺的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機端的微信小程序上。微信小程序開發(fā)簡單，操作方便，提供多個管理消防設備的功能界面，用戶可以參與到消防設備的管理當中，充分發(fā)揮系統(tǒng)的處理能力。

■3.2 功能實現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)分析

從系統(tǒng)服務器中提取各傳感器采集到的信息資源和異常報警情況，對數(shù)據(jù)信息進行關聯(lián)規(guī)則挖掘和大數(shù)據(jù)分析，對消防設備故障進行準確判斷，及時消除消防栓存在的隱患。

（2）實時監(jiān)控

可實時對消防栓的水壓、環(huán)境煙霧濃度、栓體傾角等一系列信息進行采集監(jiān)控，并且允許用戶根據(jù)實際需要，設置消防栓定時上報的時間間隔以及上報次數(shù)。發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)信息及時上報，提醒管理員第一時間進行處理。實時監(jiān)控功能如圖8 所示。

圖8 APP 實時監(jiān)控功能

（3）報警受理

當傳感器設備監(jiān)測的信息偏離正常設置的閾值時，云平臺第一時間收到異常數(shù)據(jù)報警信息，通過手機APP 或者短信的方式通知到相關負責人。同時設置事件的緊急程度，及時告知負責人采取相應措施進行解決。報警受理功能如圖9所示。

圖9 APP 報警受理功能

4 結語

本文設計了一種基于5G 通信技術的智能消防栓系統(tǒng)，可對消防栓設備的狀態(tài)信息和環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。系統(tǒng)使用多種傳感器對消防栓重要數(shù)據(jù)進行感知，利用5G 通信模塊高速率、低延時、廣覆蓋的優(yōu)點進行數(shù)據(jù)傳輸；通過對數(shù)據(jù)進行處理分析，有效解決了消防栓監(jiān)管不足、設備維護不及時等問題，極大地提高了消防栓日常監(jiān)管維護的效率，同時減少火災發(fā)生的概率和危害，對智慧城市的消防建設具有重要意義。