基于物聯網的消防水源管理系統

魏亞鵬

【摘 要】 從消防部隊信息化建設的角度出發，介紹了物聯網技術及其特點，闡述了物聯網技術在滅火救援中的典型應用。說明了物聯網技術在促進部隊建設和消防發展方面的具體應用。筆者介紹了基于物聯網的消防水源管理系統，該系統涵蓋了智能手機、Android 開發、RFID、ZigBee、無線傳感網絡（ WSN）等物聯網核心技術。

【關鍵詞】 物聯網 ?無線 ?消防 ?水源管理 ?滅火救援

隨著我國城市化建設步伐的加快，髙層建筑像雨后春筍般地拔地而起的同時也帶來了一系列的社會問題，如火災隱患多、建筑火勢蔓延快、人員疏散和救援難度大等，一旦發生火災，后果將非常嚴重。然而制約火災及時撲救的因素就是水源。在云南香格里拉火災、廣東深圳農批市場火災中，都是因現場消火栓損壞或現場水壓不足造成水源短缺，貽誤戰機，釀成禍患。因此，及時準確掌握當地各種水源信息和消火栓管徑、水壓、完好情況，對重特大火災的成功撲救將起到決定性作用。在此背景下，研究與設計基于物聯網技術的消防水源管理系統，對于消防事業發展，更好地為城市經濟建設保駕護航具有重要的實際應用價值。由于物聯網相關技術的應用，將特殊傳感器直接安裝于消火栓調節開關附近，將管徑壓力大小、溫度的變化通過3G/4G網絡即時傳回服務器端，以便消防人員即時準確掌握消火栓動態信息。相信在不久的將來，隨著物聯網相關技術的研究及普及應用，信息化條件下的消防水源管理系統將成為消防事業不可或缺的一部分。因此，對基于物聯網的無線消防水源管理系統開展深入的研究，并推動其廣泛應用，具有重大的社會意義和經濟價值。

1 物聯網的定義及關鍵技術

1.1 物聯網的定義

ITU在2005年的信息社會峰會上對物聯網的定義為：物聯網是通過將移動收發器內嵌在各種應用設備中，從而使人與人、物與物、人與物在任何時間、任何地點都能實現交互。其一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡;其二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，也就是物物相息。它是利用局部網絡或互聯網等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯在一起，形成人與物、物與物相聯，實現信息化、遠程管理控制和智能化的網絡。物聯網是互聯網的延伸，包括互聯網及互聯網上所有的資源，兼容互聯網所有的應用，但物聯網中所有的元素（所有的設備、資源及通信等）都是個性化和私有化的。

1.2 物聯網的關鍵技術

（1）信息采集技術。物聯網中的信息采集技術是通過傳感器、電子標簽、智能卡等終端設備來對信息實現采集、識別[1]。傳感器是將存在的各種物理量、化學量等信息轉化為電信號的裝置，這些信號在轉化后可被測量，以提供給系統處理、分析等信息。傳感器大都應用與終端的實時監測，現在正逐步的發展成為智能傳感器。在服務區域內散布的傳感器節點組成了傳感器網絡，可以說傳感器網絡是物聯網的核心，因為它是物聯網進行信息采集及處理的基本技術手段。（2）無線網絡通信技術。目前物聯網在應用中已涉及了交通運輸、電力、快遞物流等領域，這就決定了它將涉及到不同的信息采集終端，不同的傳輸網絡等。無線個人網和無線廣域網是目前無線網絡的主要類型?，F在，通信行業廣為應用的無線通信技術包括Wifi 技術、NFC技術、藍牙技術及ZigBee技術[2]。Wifi技術是目前應用最廣的技術，它通過無線路由便可在其電波覆蓋范圍內進行聯網，目前較多應用于手機及個人電腦等，Wifi技術相比其它技術的優點主要體現在廠商進入門檻低、覆蓋面積更廣、傳輸質量更好及傳輸速度更快等。Wifi技術的主要架構包括關口、擴展服務單元、接入點、服務單元等。NFC是將非接觸卡、非接觸讀卡器及點對點功能進行整合的一種無限近距離通信技術，NFC與傳統的紅外傳輸相比的優勢在于更簡單、傳輸速度更快。（3）智能技術。智能技術在物聯網中應用是指其綜合運用云計算技術、數據庫技術及人工智能技術等，對物聯網系統中的數據進行通用處理，其主要涉及數據挖掘、數據融合、應用集成及平臺服務等。智能技術實現了海量數據的快速處理，提高了物聯網系統數據處理的綜合化水平，為系統的自動化運作提供了可能。

2 物聯網的技術架構

物聯網從技術架構上看，可分為三層，分別是感知層、網絡層和應用層。

2.1 感知層

由各種傳感器及傳感器網關構成，包括壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、二維碼標簽、RFID 標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用相當于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經末梢，它是物聯網獲識別物體，采集信息的來源，其主要功能是識別物體，采集信息。無線傳感器網絡節點的基本特點包括數量大、體積小、布置靈活、不需要專人維護不需單獨供電等，利用無線節點的多樣性及覆蓋廣的特點，可實現對某無人區和無人監管的設備完全感知，利用無線傳感器將某范圍內環境信息、定位信息及時傳輸給監控中心，不僅可以擺脫現有有線網絡線纜的束縛，還可以做到更加隱蔽。消火栓傳感網的設計可依托現有的移動、聯通、電信布置的分支交換機及近年來新建的3G、4G無線基站，利用無線基站實現對消火栓的監控信號覆蓋，利用無線技術實現對消火栓水壓、管徑、位置信息、環境溫度等數據信息的采集。

2.2 網絡層

網絡層主要用來解決感知層數據長距離傳輸的問題。這些數據可以通過以太網、企業內部網、個人局域網和移動通信網進行網絡傳輸。它對于整個物聯網系統的作用，猶如神經系統對人的作用，都具有傳輸和通道的作用。網絡層是應用層到感知層的一個數據通道。物聯網中的網絡層能將感知層采集轉換的物聯網數據通過現有的互聯網網絡進行遠距離傳輸，但是物聯網并不同于現有的互聯網，物聯網涉及到我們生活中的各種物體，具有龐大的數據信息量，它需要一個更為廣泛的網絡來進行數據的融合與傳輸。因此物聯網是對現有互聯網的一種包含和擴展，它以現代互聯網為基礎，充分利用現代互聯網的優勢和特點，在其中不斷加入物聯網所特有的特性，最終構成了物聯網的網絡層，為物聯網的感知層和應用層提供數據通道。

2.3 應用層

應用層實現物聯網與行業專業技術的深度融合，與行業需求結合，實現行業智能化，并且最終提供應用服務。應用層包括中間件層和應用服務層。中間件層主要實現網絡層與應用服務間的接口和能力調用，包括對業務的分析整合、共享、智能處理、管理等，具體實現為一系列業務支撐平臺、管理平臺、信息處理平臺等?；谖锫摼W的無線消防水源管理系統是利用最新的ZigBee技術，在數據傳輸過程中采用無線通信方式把傳感器釆集到的數據發送至數據中心。數據中心的計算機系統對接收的數據進行分析，最后管理人員根據分析結果做出判斷。即：是否存在該區域市政管網水壓不足的情況，并根據具體情況及時通知自來水公司進行加壓，保證災害區域的消防用水充足，最大限度地遏制火災的蔓延和擴大，把火災造成的損失降到最低。因此，物聯網消防水源管理系統應具有以下功能：（1）傳感器終端節點的傳感器采集環境參數，完成數據采集、數據處理、數據傳輸功能;（2）通過路由器節點或直接把傳感器終端節點采集到的數據發送到協調器節點進行匯總。

3 基于物聯網技術的無線消防水源管理系統的設計思路

目前消防水源主要是依靠中隊通訊員對轄區道路、小區、社會單位內部消火栓的定期或不定期實地檢查統計后錄入，對人力投入高，而且不能夠實時掌握各街道、社區內消火栓管網的實際情況，而該區域內湖泊、水鶴、取水碼頭的準確地理位置只能靠平時生活中的記憶來確定。若在物聯網技術環境下，則可通過外接多種無線傳感器，實現對各個消火栓及其相關環境的感知，如消火栓的準確方位、管徑、壓力、是否完好等進行實時統計顯示。在發生火災的情況下，通過執行相關操作，各個傳感器就能將數據無線傳輸到終端機上，而不再需要通過實地查看來確定消火栓的情況。如：當某地區發生較大火災時，轄區中隊首車出動時攜帶安裝有消火栓管理平臺軟件的筆記本電腦，通過執行系統中某項命令，使覆蓋此區域的基站向感知層的各傳感器發出信息更新回傳指令，感知層收到命令后，將該范圍內所有傳感器數據回傳至數據中心，數據中心分析后顯示出各消火栓在地圖上的準確位置及當前消火栓的水壓、管徑等信息，還可顯示當前區域內水鶴、取水碼頭、湖泊、池塘的具體位置。如果火災發生區域的供水管網壓力不足，數據中心立即向自來水公司發送增加市政管網供水壓力的請求指令，自來水公司接到指令后，對該區域市政管網進行加壓處理，保證消防用水充足。日常管理中，數據中心可以每季度對全市消火栓覆蓋區域發送信息回傳指令，對消火栓系統進行檢查，如發現某區域內某個或某段水壓不足，則可及時通知自來水公司進行維修處理。遇到天氣極度寒冷的冬季溫度特別低時，通過數據中心的數據分析結果，自來水公司可對繁華街道、重點區域的消火栓進行保溫處理，保證消火栓系統的完好性和可用性。通過信息化手段來減少人力不足和及時發現問題的能力。為了克服無線傳輸過程中各傳感器用電量損耗過大的不足，本文提出了一種基于物聯網ZigBee技術的無線傳輸系統。它釆用分布式的環境參數測量方式，根據ZigBee協議規定的三種節點類型，總體上可分為用于數據匯總的協調器節點、用于采集數據的傳感器終端節點和用于數據傳輸的路由器節點。協調器節點負責數據的匯總以及數據的上傳，其位置必須在系統監測軟件所在計算機附近;傳感器終端節點分布于建筑物內各環境參數采樣點處，路由器節點則根據傳感器終端節點分布和傳輸距離等其他因素擇優選擇放置點。在實際應用中，可以將路由節點置于現有通信基站上，以解決路由節點電能消耗過快的問題。系統工作時，傳感器終端節點只負責采集環境數據，并將數據直接或間接通過路由器節點發送給協調器節點，最后，協調器節點接收數據并進行匯總，最終將數據上傳至消防監測中心的計算機上，監測中心工作人員根據所測到的環境參數進行數據分析，并結合當地實際情況做出相應的處理操作。

4 ZigBee無線通信技術的性能分析

ZigBee技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信或網絡技術，是一種基于IEEE 802.15.4無線標準而研制幵發的，它是關于網絡安全等多方面的無線通信技術。ZigBee技術還為用戶提供了一種更為靈活方便的組網方式[3]。ZigBee技術彌補了低速率、低功耗和低成本的短距離無線通信市場的空白，其多種優勢特點是該技術取得成功并得到廣泛應用的關鍵原因。其主要技術特點如下：（1）功耗低：對電池供電的簡單器件而言，更換電池的花費往往比器件本身的成本還要高。如：嵌在汽車輪胎中的氣壓傳感器或高密度布設的大規模傳感器網中，更換電池既麻煩又不可行。在IEEE 802.15.4的數據傳輸過程中引入了幾種延長器件電池壽命或節省功率的機制，多數是基于信標使能的方式，主要是限制器件或協調器之收發信機的開通時間或者在無數據傳輸時使它們處于休眠狀態。（2）高可靠：ZigBee采用了CSMA/CA的碰撞避免機制，同時為特殊通信業務保留了專用時隙，避免了數據發送時的沖突和競爭。另外，在MAC層中，網絡傳輸采用了數據確認的機制，即在發送下一個數據之前必須等待上一個數據包的接收反饋信息。（3）時延短：設備搜索的典型時延值為30ms，休眠激活典型時延值為15ms，信道接入典型時延值為15ms，能夠滿足多數應用場合的時延要求，另外還可以達到節省能量消耗的目的。（4）網絡容量大：在一個網絡中，其理論上可容納一個主設備（協調器）和最多65535個從設備（路由器和終端節點）。（5）成本低：低速率、簡單緊湊的協議棧和小容量的存儲空間大大降低了設備的生產成本，并且TI公司免費提供了物聯網聯盟認可推廣的Z-Stack協議。另外，ZigBee可以工作在三個免執照頻段（868MHz、915MHz）。（6）安全高保密性：ZigBee提供了基于循環冗余校驗的數據完整性檢測功能，并采用AES-128通用加密算法，實際應用時可以靈活確保產品的安全性。

5 結語

本文在分析物聯網發展的形勢后，提出將智能手機和移動終端應用到物聯網系統中，并融合了RFID、ZigBee、無線傳感器網絡（WSN）、互聯網等物聯網核心技術，構建一套基于智能移動終端的物聯網應用系統。加入ZigBee技術，可實現設備及不同協議讀寫器之間聯網，同時通過ZigBee實現數據的多點無線采集和傳輸的目的。另外融合了GPS和GPRS技術，不僅可實現貼有電子標簽物品的定位，也使物聯網應用開發系統與用戶的通信更方便，為物聯網技術更好地推廣和使用提供了一種新的途徑。隨著移動互聯網技術不斷的發展，結合RFID及ZigBee技術，它們在物聯網中應用的優勢將更為突出，從而更好地服務于消防事業的發展，更好地改善人們的生活。

參考文獻：

[1]田景熙.物聯網概論[M].東南大學出版社2010.

[2]朱國超.無線局域網的構建及安全防范技術研究[J].計算機安全2010，（4）：66-68.

[3]侯赟慧.岳中剛.我國物聯網產業未來發展路徑探析[J].現代管理科學2010，（2）：39-41.