多場景智能消防栓系統(tǒng)設計

許 彬，吳有龍，牛 帥，方詠綺

（1.金陵科技學院，電子信息工程學院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學院，智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展與城市化建設的不斷推進，提升消防安全的需求變得愈加迫切。消防栓在消防安全中具有極其重要的作用，主要功能：為供消防人員取水實施滅火以及控制可燃物，隔絕助燃物等。目前消防栓的檢測依舊依靠消防檢測人員實地檢測并進行逐一記錄。由于城市發(fā)展，消防范圍擴大，管理人員有限，消防栓的管理變得愈加困難。發(fā)生火災時，一旦出現(xiàn)消防栓不能正常使用的情況，將導致消防工作無法順利開展，從而使得消防員以及人民群眾的人身財產(chǎn)安全受到威脅。隨著“智慧城市”概念的提出[1]，讓消防栓的管理有了更多可能，將其智能化、自動化、信息化，對消防栓進行實時監(jiān)測并反饋信息，不僅提高了消防栓的管理效率，更使得消防工作更加可靠。

近幾年，國內(nèi)許多研究人員將消防栓與多種新興技術相結合，設計了諸多監(jiān)測系統(tǒng)。張力等學者通過與物聯(lián)網(wǎng)技術相結合設計了市政消防栓智能監(jiān)控系統(tǒng)[2]；曾晨軍等學者發(fā)明了一種消防栓漏水監(jiān)測裝置[3]；錢承山等學者基于NB-IoT設計了一款智能消防栓監(jiān)測系統(tǒng)[4]；Wu Jinjin 等學者通過檢測法實現(xiàn)了對消防系統(tǒng)的監(jiān)測與預測，以此提高滅火效率[5]。但在這些設計中依舊存在對消防栓監(jiān)測不全面以及僅針對一個場景的消防栓進行監(jiān)測等問題。

針對以上問題，文中設計了一款多場景智能消防栓監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構搭建[6]，利用4G 數(shù)據(jù)通信，采用北斗定位與MQTT 協(xié)議[7-10]，加入多種傳感器進行監(jiān)測，最終通過可視化大屏展示給管理人員，進一步提高了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，通用性，便于管理人員快速做出反應，確保消防系統(tǒng)的正常運行，進一步保障人民群眾的人身財產(chǎn)安全。

1 總體設計

本文設計了一套可適用于多場景的智能消防栓監(jiān)測系統(tǒng)。通過對水壓、水位、溫濕度、經(jīng)緯度、傾斜度等參數(shù)的實時測量，將數(shù)據(jù)同步傳回服務器端，根據(jù)傳輸協(xié)議與規(guī)則對數(shù)據(jù)進行篩選和判別，實現(xiàn)對消防栓的實時監(jiān)測。管理人員可通過后臺管理頁面快速查詢每個消防栓當前設備的位置信息、狀態(tài)信息，并對異常情況做出決斷。同時會記錄設備每次更新修改的操作日志，并上傳至云端數(shù)據(jù)庫，方便日后可能的故障排查與復檢。此舉實現(xiàn)了消防栓的信息采集與高感度監(jiān)控預警，同時提升了人員應急救援決策能力與設備的智能一體化程度。

系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構進行設計，主要由感知層、網(wǎng)絡層和應用層組成。系統(tǒng)整體架構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構

1.1 感知層

感知層在整個物聯(lián)網(wǎng)架構中承擔著數(shù)據(jù)采集的任務，其一般由各類傳感器、RFID 或二維條碼組成。系統(tǒng)感知層由水壓傳感器、慣性傳感器、超聲波測距模塊、溫濕度傳感器、北斗定位模塊、RFID 識別模塊等硬件構成。通過多個終端完成對所需信息的采集工作。

1.2 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層在物聯(lián)網(wǎng)架構中主要起著傳遞信息的作用。對比多種長距離無線通信技術，4G 通信可滿足系統(tǒng)要求，結合具有低帶寬、可拓展、易實現(xiàn)等特性的MQTT 協(xié)議構成系統(tǒng)的信息傳輸模式，成本低，功耗低。

1.3 應用層

應用層主要完成數(shù)據(jù)處理工作。后臺管理頁面由SSM框架集與前端Vue 框架搭建而成，設計了包括數(shù)據(jù)顯示、北斗定位圖像、設備情況管理、操作日志記錄、數(shù)據(jù)大屏顯示等功能，較好實現(xiàn)了消防栓監(jiān)測系統(tǒng)的實時預警功能。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術

2.1 STM32 及硬件

多場景智能消防栓系統(tǒng)的硬件核心控制由基于STM32F407VET6 芯片的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板組成，其處理速度快，具有USART、ADC、I2C 等外設。部署了EC20 北斗/4G 模塊、MPU6050 慣性傳感器、水壓傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、RFID 讀寫卡模塊等，能夠實時監(jiān)測消防栓的安全狀況，及時預警異常信息。硬件連接如圖2 所示。

圖2 硬件連接圖

2.2 4G 數(shù)據(jù)通信

4G 技術可用寬頻信號高速傳輸圖像、語音等信息，相對于2G、3G 技術，4G 擁有更好的兼容性、更低的費用和更快的傳輸速度。系統(tǒng)采用EC20 4G 通信模塊實現(xiàn)硬件開發(fā)板和騰訊云服務器之間的數(shù)據(jù)交互，EC20 模塊支持全網(wǎng)通，插入手機卡即可接入網(wǎng)絡，支持下行速率100 Mb/s 和上行速率50 Mb/s，將采集的數(shù)據(jù)以透傳模式發(fā)送到服務器，并在前端頁面顯示。

2.3 北斗設備定位

為實現(xiàn)消防栓設備的統(tǒng)一管控和事件及時處理，需要獲取設備的位置信息。采用的EC20 4G 模塊內(nèi)置多星座高精度定位接收器，連接ipex 天線可滿足不同環(huán)境下對快速、精準定位的需求。STM32 控制器與EC20 模塊使用AT 指令獲取北斗定位信息，指令流程如圖3 所示。

圖3 指令流程

2.4 IoT Explorer

IoT Explorer 是騰訊云針對物聯(lián)網(wǎng)場景打造的開發(fā)平臺，可以為用戶提供多語言SDK 與通信模組接入能力，提升設備上云效率。同時支持設備數(shù)據(jù)多級規(guī)則過濾與解析，可根據(jù)場景需求靈活定義設備告警規(guī)則，能夠提供高可靠的，大量實時消息處理能力，滿足對多個設備實時監(jiān)測的需求。

2.5 MQTT 協(xié)議

MQTT 協(xié)議全稱為Message Queuing Telemetry Transport，譯為消息隊列傳輸探測，是在ISO 標準下的一種基于發(fā)布-訂閱模式的消息協(xié)議，由TCP/IP 協(xié)議發(fā)展演變得來，其工作原理如圖4 所示。MQTT 協(xié)議是一種輕量級二進制協(xié)議，相較于HTTP 協(xié)議具有低開銷、易實現(xiàn)等優(yōu)勢。同時，本身具備低帶寬、可拓展、消息過濾等優(yōu)點，在物聯(lián)網(wǎng)領域具有廣泛應用。

圖4 MQTT 工作原理

2.6 SSM+Vue

系統(tǒng)后臺管理采用Web 開發(fā)中的SSM 框架集與Vue框架進行網(wǎng)頁搭建。其中，SSM 框架集主要由Spring、MyBatis 兩個開源框架整合而成，通過Spring 實現(xiàn)業(yè)務邏輯，借助SpringMVC 完成控制調(diào)用，利用MyBatis 完成對數(shù)據(jù)庫的操作，結合具備低耦合與重用性特點的前端Vue 框架，將由終端設備傳回的數(shù)據(jù)進行處理與頁面顯示。

3 應用平臺

3.1 數(shù)據(jù)測試

設備采集了經(jīng)緯度、水壓、傾斜角度、水位高度和溫濕度信息，根據(jù)騰訊云服務器端制定的數(shù)據(jù)上傳規(guī)則，通過EC20 模塊連接服務器后傳輸數(shù)據(jù)至云端。數(shù)據(jù)及其格式使用串口打印，數(shù)據(jù)測試結果如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)測試

3.2 應用平臺展示

通過服務器接收終端設備傳回的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行一定的判斷與處理，最終呈現(xiàn)在管理平臺的頁面上，如圖6 所示。圖中顯示為終端傳回參數(shù)壓強的數(shù)值后，系統(tǒng)會根據(jù)不同的壓強值判斷并顯示不同設備的狀態(tài)。壓強值處于0.15 ～0.2 MPa，則顯示設備狀態(tài)正常；如果上下浮動0.03 MPa，則進行橙色顯示并預警；如果超出該范圍則進行警報（紅色）。其他管理頁面結構與該頁面相似。工作人員可以根據(jù)設備狀態(tài)快速篩查出需要維護、更新的消防栓。

圖6 后臺管理頁面

3.3 Web 可視化數(shù)據(jù)大屏

圖7 所示的Web 可視化數(shù)據(jù)大屏可以根據(jù)終端設備傳回的實時信息，對消防栓的各項參數(shù)，如壓強、傾斜度等進行動態(tài)化分析與展示，實現(xiàn)了對于消防栓實時監(jiān)管的目的。

圖7 可視化數(shù)據(jù)大屏

4 結 語

本文提出了一種多場景智能消防栓監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，詳細介紹了各項軟件以及硬件功能的實現(xiàn)。該系統(tǒng)具有消防栓定位，開蓋、撞到報警，水壓和水位監(jiān)測等功能，并帶有設備維修記錄與日志，便于相關人員查詢。將所有模塊與STM32 相結合，大大提升了方案的可行性，并且極大降低了成本，具有一定的市場前景。同時，數(shù)據(jù)大屏的實時動態(tài)更新功能，極大提高了管理人員的工作效率，更好地保障了消防安全，有著重大的現(xiàn)實意義和社會價值。

注：本文通訊作者為吳有龍。