基于多種傳感器的隧道消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘罡龍

摘要 針對(duì)公路隧道內(nèi)消防器材數(shù)量較大，設(shè)施維護(hù)成本高和消防環(huán)境監(jiān)測(cè)依賴人工等具體消防需求，文章設(shè)計(jì)使用多種傳感器組成的硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)消防設(shè)備和消防環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及可靠的通訊協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸，并分層、分模塊地設(shè)計(jì)了軟件的功能和結(jié)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化的隧道消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，能夠有效提高隧道消防能力。

關(guān)鍵詞 射頻識(shí)別；傳感器；Modbus；消防系統(tǒng)

中圖分類號(hào) U458文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）07-0005-03

0 引言

隨著近年來(lái)我國(guó)交通的跨越式發(fā)展，公路、鐵路的隧道里程和隧道交通量有明顯增長(zhǎng)。特別是公路隧道，由于其半封閉、多種車輛混行等特點(diǎn)[1]，成為交通事故的高發(fā)路段。部分研究顯示公路隧道消防內(nèi)存在以下問(wèn)題：①消防器材丟失、損壞現(xiàn)象普遍。②消防通道設(shè)備損壞、故障現(xiàn)象普遍。③隧道消防設(shè)施的維護(hù)管理缺失[2-3]。

針對(duì)公路隧道消防設(shè)施中目前存在的這些隱患，已經(jīng)有部分研究嘗試設(shè)計(jì)數(shù)字化、智能化的消防系統(tǒng)，用以滿足隧道消防中的部分需求。馮啟忠等分析了我國(guó)高速公路隧道消防設(shè)施健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)了一套針對(duì)高速公路隧道部分消防設(shè)施健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)[4]。蔡小平提出了將建筑信息模型和地理信息系統(tǒng)與高速公路隧道監(jiān)控平臺(tái)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出智能化的隧道監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速公路隧道的數(shù)字化、立體化監(jiān)控[5]。李苗華等在分析當(dāng)前隧道信息化建設(shè)及管理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了智慧隧道一體化管控平臺(tái)，提高了快捷控制、異常預(yù)警、事件處置等業(yè)務(wù)能力[6]。

該文設(shè)計(jì)了一種基于多種傳感器的隧道消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)隧道內(nèi)消防設(shè)施布置情況部署多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器連接多種傳感器并獲得多模態(tài)隧道消防數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)將不同來(lái)源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后通過(guò)可靠的物理信道和通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至隧道內(nèi)本地服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，本地服務(wù)器將處理后的數(shù)據(jù)上傳至云端平臺(tái)，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)匯總和整合，形成多隧道數(shù)據(jù)管理中心，針對(duì)全部隧道消防數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，形成相關(guān)消防決策。每個(gè)隧道的本地服務(wù)器作為自動(dòng)化管理的中間層，具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)消防狀況和及時(shí)提供消防警報(bào)的能力。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于多種傳感器的隧道消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自底向上大體分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、本地服務(wù)器和云端服務(wù)器。整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是獲取隧道內(nèi)多源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)硬件節(jié)點(diǎn)，按照接入數(shù)據(jù)總線的設(shè)備不同可分為兩類：一是由多種傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成的節(jié)點(diǎn)，用來(lái)獲得隧道內(nèi)溫度、消防水池的深度、消防水管壓力、消防水管是否漏水、消防器材箱體是否打開(kāi)等數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)分為模擬量數(shù)據(jù)和開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集器中轉(zhuǎn)化為可讀取的數(shù)字量。二是由消防器材上的RFID標(biāo)簽和RFID讀寫(xiě)器組成的消防器材監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，用以確認(rèn)消防器材放置情況，防止出現(xiàn)器材丟失、缺損。

（2）本地服務(wù)器完成了消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大部分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)讀取連接在總線上的多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，本地服務(wù)器將不同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為管理人員可以直接觀察的物理量或狀態(tài)表示數(shù)據(jù)，并根據(jù)所有收集的數(shù)據(jù)對(duì)隧道內(nèi)的設(shè)備、節(jié)點(diǎn)、消防狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)確認(rèn)，隨后將處理后的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器。在讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程中，本地服務(wù)器同時(shí)確認(rèn)數(shù)據(jù)是否正常，對(duì)數(shù)據(jù)異常、設(shè)備故障、意外報(bào)警等特殊狀況實(shí)時(shí)確認(rèn)并發(fā)送報(bào)警信息。

（3）云端服務(wù)器具備較大存儲(chǔ)空間和運(yùn)算能力，對(duì)應(yīng)它的兩個(gè)主要功能：一是匯總各個(gè)隧道數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析計(jì)算，提供最優(yōu)的消防策略，輔助管理人員對(duì)隧道消防設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。二是面向管理人員的消防監(jiān)督系統(tǒng)，前后端程序運(yùn)行在云端服務(wù)器，管理人員可以通過(guò)多種接入設(shè)備直接訪問(wèn)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 多種傳感器和數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

多種傳感器和數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)的作用是采集隧道各類消防相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際需求部署多種傳感器和兩類數(shù)據(jù)采集器。主要的傳感器有如下幾類：

（1）溫度傳感器：系統(tǒng)采用PT100鉑熱電阻探頭配合溫度變送器作為溫度傳感器，精度比較高、穩(wěn)定性比較好[7]。測(cè)量溫度范圍為?50～200 ℃，通過(guò)4～20 mA模擬量進(jìn)行輸出。

（2）水浸傳感器：水浸傳感器基于液體導(dǎo)電原理，用電極探測(cè)是否有水存在，正常狀態(tài)為斷開(kāi)無(wú)電信號(hào)，當(dāng)有液體時(shí)電路連通，此時(shí)輸出電壓信號(hào)。通過(guò)在消防管道多個(gè)位置布設(shè)水浸傳感器，可以有效感知消防管道漏水情況。

（3）液位傳感器：系統(tǒng)所采用的液位傳感器測(cè)量深度為0～20 m通過(guò)4～20 mA模擬量進(jìn)行輸出。液位傳感器所采集水深數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中用以判斷消防用水儲(chǔ)存狀態(tài)，當(dāng)水位低于警戒最低水位或高出警戒最高水位時(shí)，報(bào)警提示消防用水儲(chǔ)量異常。

（4）壓力傳感器和門磁傳感器：分別用來(lái)檢測(cè)消防管道水壓和消防器材箱是否打開(kāi)。其原理分別與液位傳感器和水浸傳感器基本相同，其中壓力傳感器輸出模擬量，門磁傳感器輸出開(kāi)關(guān)量。

傳感器的輸出類型分為模擬量和開(kāi)關(guān)量?jī)深?，相?yīng)地，數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)中選取了模擬量輸入模塊和數(shù)字量I/O模塊。數(shù)據(jù)采集器將各類傳感器的數(shù)據(jù)讀入轉(zhuǎn)為數(shù)字量便于讀寫(xiě)，數(shù)據(jù)采集器直接連接RS485總線，通過(guò)ModBus/RTU協(xié)議進(jìn)行通信。

2.2 RFID節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中使用RFID對(duì)消防器材進(jìn)行監(jiān)控，將RFID天線置于消防柜頂部，可以穩(wěn)定接收整個(gè)消防柜中射頻標(biāo)簽數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)遺漏。為柜中各消防器材貼上RFID標(biāo)簽，通過(guò)實(shí)時(shí)讀取RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)得到與之關(guān)聯(lián)的器材信息，確認(rèn)器材處于正確位置，判斷器材是否缺少或丟失。

RFID標(biāo)簽貼在消防器材之前，需要根據(jù)對(duì)應(yīng)器材對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行寫(xiě)入數(shù)據(jù)，由于只有水槍、水帶、滅火器三種器材，器材類型較少，設(shè)計(jì)12位16進(jìn)制數(shù)作為寫(xiě)入數(shù)據(jù)。第一位為器材種類，第二到四位為器材序號(hào)，第五到十二位為設(shè)備投入使用日期。以2022年10月10日投入使用的2號(hào)滅火器為例，其寫(xiě)入數(shù)據(jù)為100220221010。

2.3 數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集為分布式，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器和RFID讀寫(xiě)器均采用Modbus/RTU協(xié)議進(jìn)行通信讀取其數(shù)據(jù)，通過(guò)相同協(xié)議在RS485總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最大限度利用了信道并避免了數(shù)據(jù)沖突。

根據(jù)不同設(shè)備和輸入數(shù)據(jù)類型，Modbus/RTU具有不同的報(bào)文格式，以讀取水浸傳感器數(shù)據(jù)舉例，水浸傳感器屬于離散輸入，主機(jī)查詢報(bào)文，如表1所示。從機(jī)應(yīng)答報(bào)文，如表2所示。

其他數(shù)據(jù)的查詢報(bào)文功能上基本一致，如溫度傳感器的數(shù)據(jù)被保存在輸入寄存器中，報(bào)文中的功能碼應(yīng)為0x04，RFID的中間件將實(shí)時(shí)讀到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)存在多個(gè)保持寄存器中，查詢消防器材狀態(tài)報(bào)文中的功能碼應(yīng)為0x03。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊軟件對(duì)于數(shù)據(jù)的讀取和處理基本流程如圖2所示，本地服務(wù)器對(duì)隧道內(nèi)設(shè)備輪流發(fā)出查詢報(bào)文，如果在超時(shí)前沒(méi)有收到數(shù)據(jù)就發(fā)出報(bào)警，提示設(shè)備通訊連接存在問(wèn)題。在超時(shí)前收到數(shù)據(jù)，則經(jīng)過(guò)處理后根據(jù)數(shù)據(jù)是否異常判斷隧道內(nèi)消防情況，如果可能存在異常情況直接報(bào)警。除此之外如果是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)也可能是信道通信時(shí)存在錯(cuò)誤，系統(tǒng)通過(guò)日志記錄這一異常，為管理人員檢查設(shè)備提供報(bào)告。

3.2 消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

消防系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如下：硬件層將多種設(shè)備連接后由RS485總線與本地服務(wù)器連接，本地服務(wù)器通過(guò)Modbus協(xié)議讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，將處理后數(shù)據(jù)上傳云端服務(wù)器。云端服務(wù)器的應(yīng)用層持續(xù)工作，在應(yīng)用層通過(guò)Django框架完成消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本功能和數(shù)據(jù)處理，并將完成的功能程序在uWSGI服務(wù)器上運(yùn)行，應(yīng)用層通過(guò)RESTful API與展示層進(jìn)行通信。展示層中通過(guò)Vue框架完成各個(gè)頁(yè)面的顯示和功能，將頁(yè)面放在Nginx前端服務(wù)器中，用戶可以通過(guò)多種設(shè)備直接訪問(wèn)頁(yè)面使用系統(tǒng)功能。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試的環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，模擬隧道環(huán)境和設(shè)施進(jìn)行測(cè)試。將各個(gè)設(shè)備模塊調(diào)試無(wú)誤后，運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。如圖3所示為系統(tǒng)界面。

實(shí)測(cè)表明，系統(tǒng)可以與多個(gè)數(shù)據(jù)采集器和RFID設(shè)備進(jìn)行通信，持續(xù)讀取溫度、水浸、液位、消防器材等消防數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)值與實(shí)際誤差較小，滿足系統(tǒng)準(zhǔn)確性要求，系統(tǒng)可以維持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)測(cè)試異常數(shù)據(jù)，如出現(xiàn)高溫、漏水、器材丟失等情況時(shí)，系統(tǒng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)多項(xiàng)設(shè)施環(huán)境數(shù)據(jù)的同時(shí)可以立刻發(fā)出警報(bào)，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。

5 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)了一種基于多種傳感器的隧道消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在滿足公路隧道消防具體需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，部署多種傳感器設(shè)備，設(shè)計(jì)可靠的數(shù)據(jù)通信方案，有效實(shí)現(xiàn)了隧道環(huán)境內(nèi)的消防數(shù)據(jù)采集和傳輸。該系統(tǒng)很好地解決了消防器材難以監(jiān)控，易丟失損壞的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)行隧道消防狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性較高，適合隧道環(huán)境，減少了人工維護(hù)隧道消防環(huán)境的工作量，提升了隧道消防效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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