基于NB-IoT的室外消火栓監(jiān)測終端

侯其立 倪衛(wèi) 葉凱音 汪洋

摘 要：針對當前室外消火栓疏于監(jiān)測、管理的問題，以STM8L152芯片為核心，研制了消火栓監(jiān)測終端，結合壓力開關、壓力傳感器、水流開關、流量計、溫度傳感器實現(xiàn)對室外消火栓的全方位監(jiān)測。針對系統(tǒng)實現(xiàn)時的低功耗需求，基于NB-IoT技術采取優(yōu)化的功耗管理、數(shù)據(jù)采集與傳輸模式，最大限度降低系統(tǒng)功耗。

關鍵詞：室外消火栓;消火栓監(jiān)測;NB-IoT;STM8L152;低功耗;傳感器

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-000-03

0 引 言

室外消火栓處于供水管網(wǎng)的末端，在火災發(fā)生時，可以為消防救援提供取水滅火[1-2]。室外消火栓存在復雜的管理歸屬問題[1，3]，消火栓損壞或無水狀態(tài)常常無人知曉，一旦附近有火情發(fā)生，將嚴重阻礙消防救援[4]。為降低室外消火栓的管理成本，亟需研制消火栓監(jiān)測終端，對室外消火栓進行自動化監(jiān)測。

功耗問題是研制消火栓監(jiān)測終端的一大難點。室外分散安裝的方式使得終端系統(tǒng)只能選擇電池供電;為滿足室外消火栓數(shù)據(jù)的采集、傳輸需求，需盡可能降低系統(tǒng)功耗，延長電池使用壽命。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）為物聯(lián)網(wǎng)領域的新興技術，其憑借低功耗、廣覆蓋等優(yōu)點，已被廣泛應用于各行各業(yè)[5-9]，這為研制超低功耗消火栓監(jiān)測終端提供了有利條件。文獻[10]基于NB-IoT技術研制了消火栓檢測及管理系統(tǒng)，但具體細節(jié)并未披露。

針對上述問題，本文基于NB-IoT技術，以STM8L152芯片為核心，研制消火栓監(jiān)測終端系統(tǒng)，實現(xiàn)對室外消火栓的狀態(tài)監(jiān)控。

1 硬件系統(tǒng)結構

以STM8L152為核心的消火栓監(jiān)測終端硬件結構如圖1所示。

系統(tǒng)硬件主要包括采集模塊、聯(lián)網(wǎng)模塊、功耗管理模塊、調(diào)式模塊以及存儲模塊。

1.1 采集模塊

采集模塊包含了對管網(wǎng)壓力、環(huán)境溫度、電池電壓及水流的測量采集。

（1）壓力開關

通過壓力開關傳感器可以實時監(jiān)測消火栓管網(wǎng)的水壓是否低于或達到正常值。當消火栓管網(wǎng)壓力低于正常值或管網(wǎng)壓力恢復時，壓力開關均會動作，輸出欠壓或壓力恢復信號，即時將CPU從休眠狀態(tài)喚醒。

（2）壓力傳感

高精度壓力傳感器輸出4～20 mA電流信號，供ADC模塊采樣轉(zhuǎn)換，得到精確水壓值，實現(xiàn)對消火栓管網(wǎng)壓力的精確測量。

（3）溫度傳感

由于一年四季溫度變化較大，而消火栓監(jiān)測終端用于室外，因此設計了溫度采集模塊，采用溫度傳感器監(jiān)測設備所處的環(huán)境溫度。

（4）電池電壓

通過對電池當前電壓的采集，間接反映電池的剩余電量，給用戶以提示。

（5）水流開關

水流開關用于監(jiān)測當前是否有水流動（用水）。在開始用水和停止用水時，水流開關均會產(chǎn)生觸發(fā)信號通知CPU，將CPU從休眠模式喚醒。此外，水流開關也可接入脈沖輸出式流量計，通過對脈沖的累計，結合流量計的脈沖系數(shù)，即可得到流量值。

（6）流量計

系統(tǒng)設計了USART通信的流量采集接口，通過向配接的流量計發(fā)送讀取指令，直接獲取精確流量值。

上述各項采集功能均可在系統(tǒng)參數(shù)里獨立的使能、配置或禁止。另外，考慮到設備安裝完畢后，基本不會移動，所以設備不采集位置信息，位置信息由安裝人員在實際安裝時通過錄入軟件錄入到數(shù)據(jù)庫中。

1.2 聯(lián)網(wǎng)模塊

NB-IoT模組選擇移遠通信的BC26芯片，該芯片具有尺寸小、靈敏度高、功耗低等優(yōu)點，同時支持移動、電信、聯(lián)通運營商網(wǎng)絡，便于產(chǎn)品的推廣應用。

1.3 功耗管理

系統(tǒng)采用2節(jié)3.6 V鋰離子電池供電，為保證電池的使用壽命，必須嚴格控制系統(tǒng)功耗。

（1）合理供電

在休眠狀態(tài)下，系統(tǒng)對非必要運行的外圍模塊停止供電，包括通信模塊、壓力傳感采集模塊、溫度傳感采集模塊、E2PROM模塊等，可最大化降低系統(tǒng)功耗。

（2）合理配置GPIO狀態(tài)

對于使用的GPIO，根據(jù)實際電路連接狀態(tài)，合理配置為輸出高電平或輸出低電平模式;對于懸空未用到的GPIO，統(tǒng)一配置為輸出低電平模式。

（3）分時用電

系統(tǒng)對耗電量較大的采集模塊和聯(lián)網(wǎng)模塊采取分時供電方案。數(shù)據(jù)采集時，先開啟壓力傳感器供電電源（24 V），待壓力傳感器輸出電流信號穩(wěn)定后，完成傳感器信號的采樣，然后立即關閉電源;接著完成對其他傳感信號的采集，并關閉所有采集模塊電源;最后開啟聯(lián)網(wǎng)模塊電源進行數(shù)據(jù)傳輸，避免不必要的電源損耗。

（4）觸發(fā)性與周期性數(shù)據(jù)采集機制

為盡可能降低功耗，系統(tǒng)大多時間處于休眠模式，無法主動監(jiān)測消火栓的運行狀態(tài)。為實時響應消火栓運行狀態(tài)的突變，系統(tǒng)增加開關量監(jiān)測方式，通過GPIO中斷將CPU喚醒進行數(shù)據(jù)采集，喚醒源包括壓力開關、水流開關、觸發(fā)開關。同時，考慮到輸入開關量只適合監(jiān)測參數(shù)突變，不適合監(jiān)測緩慢變化的特性，系統(tǒng)支持RTC時鐘定時喚醒進行周期性數(shù)據(jù)采集。觸發(fā)性與周期性相結合的數(shù)據(jù)采集機制在兼顧系統(tǒng)功耗的同時，也可保證消火栓運行狀態(tài)變化的實時感知。

（5）觸發(fā)性與周期性數(shù)據(jù)上報機制

與數(shù)據(jù)采集機制類似，數(shù)據(jù)上報也包含觸發(fā)性與周期性兩種。在傳感數(shù)據(jù)采集完畢后，若判斷傳感數(shù)據(jù)變化超出預設范圍，則立即觸發(fā)數(shù)據(jù)上報，否則不上報，以降低系統(tǒng)功耗;同時，若當前時間距上次數(shù)據(jù)上報的時間間隔超過預設的上報周期，也會進行周期性數(shù)據(jù)上報。

1.4 調(diào)試模塊

系統(tǒng)調(diào)試模塊包括調(diào)試串口（上位機）、觸發(fā)開關和蜂鳴器。調(diào)試串口通過電平轉(zhuǎn)換可接入PC機或手機，以便對設備進行出廠測試、參數(shù)設置;觸發(fā)開關為一干簧管，設備組裝完畢后，緊貼于外殼上壁（外殼相應位置做圖案標記），當設備在現(xiàn)場安裝完畢后，安裝人員常常需要即刻觸發(fā)設備，進行一次數(shù)據(jù)采集上報，這時可將一磁鐵貼在正對干簧管的殼壁處，將設備從休眠模式中喚醒;蜂鳴器則是給安裝人員以聲音提示，當設備從休眠模式中喚醒，進行數(shù)據(jù)采集、傳輸后進入休眠時，均會發(fā)出不同的提示音，方便現(xiàn)場安裝人員調(diào)試。

1.5 存儲模塊

系統(tǒng)外擴一片E2PROM存儲器，用于存儲需頻繁保存的運行參數(shù)，例如累計水流量、累計運行時間、最近一次傳感數(shù)據(jù)等。

2 軟件系統(tǒng)結構

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計方案，包括數(shù)據(jù)交互、調(diào)試測試、系統(tǒng)管理、中斷管理等模塊，這些模塊由主監(jiān)控程序統(tǒng)一調(diào)用。系統(tǒng)軟件框架如圖2所示。

軟件運行模式包括調(diào)試模式及監(jiān)測模式，其流程如圖3所示。

系統(tǒng)上電后，若在3 s內(nèi)從調(diào)試串口接收到調(diào)試指令，則會進入調(diào)試模式。調(diào)試模式主要用于系統(tǒng)參數(shù)的配置，例如設備編號、功能模式選擇、數(shù)據(jù)采集周期、數(shù)據(jù)上報周期、數(shù)據(jù)變化閾值、流量系數(shù)等參數(shù);調(diào)試模式還可用于系統(tǒng)各模塊的自測試，測試數(shù)據(jù)可通過調(diào)試串口上傳至上位機，方便對設備進行出廠測試。

在監(jiān)測模式中，系統(tǒng)大多時間處于休眠模式，并可由RTC定時器或外部觸發(fā)中斷將CPU喚醒;CPU喚醒后，根據(jù)傳感數(shù)據(jù)變化以及當前時間推算是否需要進行數(shù)據(jù)采集或傳輸。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)研制完畢后，選擇2套電路板進行三防漆噴涂、組裝、功能測試，以考核系統(tǒng)指標。

3.1 溫濕度試驗

消火栓監(jiān)測終端實際安裝于室外、埋于地下使用，四季溫差較大，且溫度的變化容易造成設備艙內(nèi)濕度發(fā)生改變，所以須對系統(tǒng)進行溫濕度試驗。低溫試驗條件為-20 ℃、試驗48 h;高溫與濕度試驗同步進行，條件為溫度60 ℃、濕度95 %RH，無凝露，試驗48 h。試驗過程中，每10 min進行一次數(shù)據(jù)采集、傳輸，通過查看后臺服務數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)在設定條件下是否工作正常。試驗數(shù)據(jù)表明，試驗過程中，設備無數(shù)據(jù)丟失情況，且各項傳感數(shù)據(jù)采集結果與實際相符。

3.2 功耗測試

消火栓監(jiān)測終端多數(shù)情況下處于休眠模式，所以需要關注系統(tǒng)在休眠模式下的電流。使用電流表串入系統(tǒng)供電回路，待系統(tǒng)休眠后，測試休眠電流。試驗數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)休眠電流小于5 μA。

3.3 防護等級測試

消火栓監(jiān)測終端實際埋于地下約15～20 cm處（實際室外消火栓所處位置存在差異），需考核設備的防浸水性能。將設備浸于75 cm水深的水桶內(nèi)，連續(xù)運行4天，此間查看設備數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)那闆r。數(shù)據(jù)表明，設備無數(shù)據(jù)丟失情況下，各項傳感數(shù)據(jù)采集結果均與實際相符。試驗完畢后，將設備從水桶中取出、開艙，發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)無進水。

4 結 語

本文以STM8L152為核心研制了消火栓監(jiān)測終端，針對所關注的水壓、用水量參數(shù)，外接壓力傳感器、流量計等設備，實現(xiàn)對室外消火栓的狀態(tài)監(jiān)測。選用的NB-IoT通信模組為聯(lián)網(wǎng)設備，同時結合功耗管理、數(shù)據(jù)采集傳輸管理等模塊，可最大限度降低系統(tǒng)功耗，延長電池使用壽命。對研制的監(jiān)測終端進行溫濕度測試、功耗測試以及防護等級測試，數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)達到了設計要求，可用于室外消火栓的監(jiān)測。目前監(jiān)測終端已于安徽、四川、海南等地投入使用。本文設計的消火栓監(jiān)測終端在-20 ℃時可正常運行，適用于南方地區(qū)，對于冬季室外氣溫低于-20 ℃的北方地區(qū)暫不適用，而這也是本文下一步的研究方向。

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