基于物聯(lián)網(wǎng)的城市智能消防栓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

背景

城市的智能消防栓系統(tǒng)對(duì)于城市的基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)，提高消防栓管理及維護(hù)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，現(xiàn)有的消防栓主要供消防車(chē)從市政給水管網(wǎng)或室外消防給水管網(wǎng)取水實(shí)施滅火，也可以直接連接水帶、水槍出水滅火。在消防隊(duì)裝備的消防車(chē)中，因自身運(yùn)載水量有限，在滅火時(shí)往往需要尋找水源。這時(shí)，消防栓就發(fā)揮出巨大的供水功能。然而現(xiàn)實(shí)生活中，由于一些單位和個(gè)人消防安全意識(shí)淡薄，消防栓被損壞的情況非常普遍。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2010年金華市消防支隊(duì)對(duì)金華市區(qū)的708只市政消防栓進(jìn)行檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：199只消防栓完好可使用，占總數(shù)的28.2％；173只消防栓存在故障(尚可用)，占24.5％；333只消防栓不能使用，占47.2％。一旦發(fā)生火災(zāi)，這些消防栓將無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的作用。對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，消防栓的安裝范圍也在不斷擴(kuò)展，對(duì)于消防單位而言，對(duì)消防栓進(jìn)行全面的，實(shí)時(shí)的監(jiān)控管理成為一種迫切的要求。本文提出一種新的基于物聯(lián)網(wǎng)的消防栓管理技術(shù)，該系統(tǒng)將消防栓采集系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸系統(tǒng)融合起來(lái)，形成一個(gè)實(shí)用化的專(zhuān)門(mén)的消防栓物聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了消防栓狀態(tài)的實(shí)時(shí)全面的監(jiān)控管理。

城市智能消防栓系統(tǒng)概況

系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)采用服務(wù)器一終端模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體由信息管理模塊，通信處理模塊、信息采集模塊，控制模塊四部分組成。信息管理模塊屬于服務(wù)器，通信處理模塊、信息采集模塊、控制模塊屬于終端。

系統(tǒng)的組成如圖1所示，信息管理模塊位于整個(gè)系統(tǒng)的最上層，主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中收集到的各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通信處理模塊，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中采集到數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。將數(shù)據(jù)壓縮打包后，利用無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，通用互聯(lián)網(wǎng)等途徑完成數(shù)據(jù)在終端與服務(wù)器之間的傳遞。信息采集模塊，負(fù)責(zé)對(duì)消防栓的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行采集，它主要由各種狀態(tài)傳感器與采集電略組成。控制模塊則對(duì)采集模塊與通信處理模塊進(jìn)行總控與管理。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要集中于智能消防栓終端上的硬件設(shè)計(jì)。包括通信模塊，采集模塊與控制模塊。

基于無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的通信處理模塊的實(shí)現(xiàn)

通信處理模塊采用GPRS模塊作為具體的實(shí)現(xiàn)方案。GPRS模塊可以通用無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成移動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)。利用該模塊的無(wú)線功能，可以不必再另行鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)，直接將數(shù)據(jù)終端與互聯(lián)網(wǎng)融合起來(lái)。

GPRS模塊使用了華為公司的EM310 GPRS通訊模塊。主控單片機(jī)通過(guò)串口與GPRS模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。電路如圖2-2所示，采用DTU(數(shù)據(jù)傳輸單元)方式的與互聯(lián)網(wǎng)鏈接，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器平臺(tái)。

消防栓信息采集模塊的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于消防栓而言，其閥門(mén)的開(kāi)度狀態(tài)關(guān)系到出水量的大小，是最核心的數(shù)據(jù)之一，另外為了防止外界物體強(qiáng)力碰撞，甚至撞倒消防栓，還必須有防碰撞，防撞倒的傳感器。將各種傳感器的輸出信息通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，成為數(shù)字量，傳輸?shù)椒?wù)器。從而實(shí)現(xiàn)消防栓實(shí)時(shí)信息的采集。

消防栓閥門(mén)開(kāi)度狀態(tài)，本模塊采用行程開(kāi)關(guān)傳感器，安裝位置如圖2所示，正轉(zhuǎn)至全開(kāi)為5圈，反轉(zhuǎn)一樣，分別由正反轉(zhuǎn)行程開(kāi)關(guān)的上跳變信號(hào)檢測(cè)，通過(guò)控制器進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)記錄消除栓的開(kāi)度。新安裝時(shí)，為確認(rèn)處于全關(guān)位，當(dāng)檢測(cè)到全關(guān)狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)，即開(kāi)關(guān)計(jì)數(shù)由1變?yōu)?時(shí)，通過(guò)蜂鳴器鳴叫告知安裝人員。

防撞倒設(shè)計(jì)采用滾珠式振動(dòng)開(kāi)關(guān)傳感器，傳感器通過(guò)一階RC濾波電路后，將檢測(cè)信號(hào)傳遞給單片機(jī)，由于滾珠式開(kāi)關(guān)金色電極向上為常開(kāi)，滾珠式開(kāi)關(guān)用來(lái)測(cè)量消防栓被撞倒時(shí)給出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，當(dāng)被撞倒后，進(jìn)行外部中斷觸發(fā)，然后單片機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)行信號(hào)識(shí)別檢測(cè)，數(shù)字濾波，判斷是否為撞倒信號(hào)，再向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

振動(dòng)檢測(cè)模塊(防碰撞防盜)采用彈簧式振動(dòng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)RC一階濾波后，傳遞給單片機(jī)，正常情況，不產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，用重物敲打或者車(chē)輛碰撞消防栓時(shí)感應(yīng)振動(dòng)時(shí)，會(huì)給出閉合開(kāi)關(guān)信號(hào)，然后單片機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)行信號(hào)識(shí)別檢測(cè)，數(shù)字濾波，判斷是否為撞倒信號(hào)，再向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

控制模塊的實(shí)現(xiàn)

控制模塊完成對(duì)終端系統(tǒng)中各項(xiàng)的采集通訊的控制。控制模塊使用一塊單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)采用微芯公司的PIC16F723。

控制模塊將包含消防栓閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、防撞倒?jié)L珠式振動(dòng)狀態(tài)、防碰撞彈簧式振動(dòng)狀態(tài)、預(yù)留二路開(kāi)關(guān)量等數(shù)據(jù)的進(jìn)行采集、運(yùn)算、判斷和控制，然后再通過(guò)串口控制通信模塊(GPRS模塊)傳送信號(hào)至監(jiān)控中心。

智能消防栓終端的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能消防栓終端必須在原有標(biāo)準(zhǔn)消防栓的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之可以完全匹配原有的消防栓，并且由于增加了電子元器件，必須在外形結(jié)構(gòu)上作到防水，堅(jiān)固。同時(shí)還要兼顧無(wú)線信號(hào)的傳輸效果，將通信模塊的天線進(jìn)行優(yōu)化布置。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的消防栓如圖3所示，套筒設(shè)計(jì)下面為外螺紋，與原來(lái)消防栓本體相連接，上面設(shè)計(jì)為內(nèi)螺紋與原來(lái)頂蓋相連接，安裝GPRS后效果圖如下：

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器監(jiān)控平臺(tái)程序

服務(wù)器監(jiān)控平臺(tái)程序用于管理由全部智能消防栓終端組成的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)整體初始化后，進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)服務(wù)器激活下位機(jī)的工作狀態(tài)后，程序進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，將當(dāng)前的所有的狀態(tài)全部反饋給服務(wù)器，服務(wù)器收到信息后，會(huì)反饋給下位機(jī)一個(gè)時(shí)間信號(hào)，作為下一次反饋給服務(wù)器基準(zhǔn)時(shí)間，期間外部設(shè)備關(guān)閉，單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)喚醒并及時(shí)向服務(wù)器發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)。軟件流程如圖4所示。

通信傳輸數(shù)據(jù)格式

通信數(shù)據(jù)考慮到可靠性與高效性，結(jié)合智能消防終端的實(shí)際采集信息進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)幀包含幀首、幀尾、身份識(shí)別、地址、數(shù)據(jù)及校驗(yàn)部分，數(shù)據(jù)幀的格式如圖S所示。幀首采用字符“S”，幀尾使用字符0D0A結(jié)束：地址是用單字節(jié)地址，共64字節(jié)，地址分配上，各個(gè)采集模塊地址不相連，使其保持一定的容錯(cuò)性；數(shù)據(jù)部分為一個(gè)字節(jié)；地址部分和數(shù)據(jù)部分使用16進(jìn)制ASCII送；幀的校驗(yàn)部分使用CRC校驗(yàn)。

系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

在臺(tái)州市椒江區(qū)消防大隊(duì)的協(xié)助下，在臺(tái)州市椒江區(qū)域內(nèi)改造安裝了50個(gè)智能消防栓終端。并使用信息管理系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的監(jiān)控與管理。其監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)界面如圖6所示。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，單個(gè)消防栓信息刷新時(shí)間為s秒對(duì)某個(gè)消防栓進(jìn)行了閥門(mén)開(kāi)關(guān)，碰撞，碰倒實(shí)驗(yàn)。其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)到了100％。

實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)可以快速有效的對(duì)大范圍內(nèi)的消防栓進(jìn)行監(jiān)控與管理，對(duì)于消除火災(zāi)隱患具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

結(jié)論

采用該系統(tǒng)后，在相當(dāng)大的區(qū)域范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對(duì)全區(qū)域消防栓的在線監(jiān)控，簡(jiǎn)化了監(jiān)控流程，提高了檢查效率。提高了檢查的準(zhǔn)確性。對(duì)于消除火災(zāi)隱患，保護(hù)人民群眾的切身利益都具有巨大的社會(huì)價(jià)值。

物聯(lián)網(wǎng)使現(xiàn)實(shí)世界中的所有物品與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了全面的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市智能消防栓管理系統(tǒng)，充分利用了這些特點(diǎn)。對(duì)傳統(tǒng)消防栓進(jìn)行升級(jí)改造，使之具備了實(shí)時(shí)探測(cè)，實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)判斷，實(shí)時(shí)傳送的智能化特點(diǎn)，利用無(wú)線通訊模塊將終端信息與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行靈活快速的對(duì)接。從而完成了一個(gè)具有典型意義的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的探索與實(shí)現(xiàn)。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在民生方面的其他應(yīng)用研究具有重要的借鑒意義。