公路隧道消防管網水壓遠程監控預警系統設計探討

劉良旭 鄭義恒

摘要：文章設計了一種應用于公路隧道消防管網的水壓遠程監控預警系統，實現對隧道消防栓水壓的測量、遠程監測及水壓異常預警。系統包括傳感層、傳輸層和應用層，即終端數據采集節點、傳輸模塊和服務端軟件平臺。實踐表明，該系統測量準確，響應及時，能為隧道消防安全提供技術支撐。

關鍵詞：隧道;消防;水壓檢測;遠程監控

中圖分類號：U459.2A331185

0 引言

到2020年，我們國家公路的總長度高達500萬km，其中包含的隧道長度將近2 000 km[1]。為了適應經濟社會的發展，高速公路里程和隧道里程還會呈現逐年增長的情況。由此帶來了一個較大的問題，即發生在公路隧道內的火災事故也越來越多。根據大數據的統計結果表明，隧道內火災發生的次數與車流量及隧道里程的關系為：10～17次/（億車·km），如此規模的火災事故帶來了較大規模的車輛損壞和駕乘人員傷亡事故，從而帶來較大的經濟損失[2]。在隧道火災發生的初期，鋪設在隧道內的消防管道成為火情控制的第一道防線。因此，消防管道的水壓是否達到標準，成為火災發生時能否在第一時間控制火情的重要條件之一。

鑒于此，本文設計了一套公路隧道消防管網水壓遠程監控預警系統。

1 系統方案

本方案總體系統組成框圖如圖1所示。設計分為四個層級，包括最底層水壓監測、數據傳輸網絡、數據管理服務器后臺和應用層軟件平臺。

感知層水壓監測終端由消防管網水壓檢測、傳送智能控制模塊及水壓傳感器組成，傳感器檢測每個節點水壓是否正常，智能模塊由LORA網絡構成無線傳感器網絡，最終將數據匯總于匯聚節點[3]。

匯聚節點將測得的水壓數據通過4 G網絡或者有線網絡將數據發送給后臺服務器。

服務器可部署在道路監控部門的機房，也可部署在云端。后臺的數據庫存儲各個節點上傳的基礎數據，同時和前端進行數據交換。管理人員既能通過登錄網頁進行管理，也可利用APP進行各項操作。

2 智能水壓采集終端設計

智能水壓采集終端組成如圖2所示，包括水壓傳感器、處理電路、單片機、Lora模塊。

2.1 水壓傳感器

按照規范，隧道消防栓的栓口的壓力必須處于0.4～1.0 MPa之間，經過減壓穩壓消防栓減弱之后，栓口的壓力下降到0.25～0.3 MPa范圍，相當于25～30 m的水柱壓力[4]。因此，水壓檢測采用SP-350-A型傳感器，外觀如圖3所示。

這種傳感器為工業級精度，能穩定可靠地輸出電流信號。精度等級為0.2%，量程范圍0～2 MPa。傳感器的供電方式為3.3 VDC，采樣輸出信號為0～3 V的電壓，防護等級IP65，工作電流為70 μA。此傳感器輸出的信號最終在單片機內完成模數轉換變成數字信號，從而得到準確的水壓值。

2.2 單片機

系統采用低功耗的MSP430F133單片機，該芯片供電電壓為范圍為1.8～3.6 V，最顯著的特點就是它的低功耗性能，備用狀態下電流可低至1.6 μa，內置12位AD轉換器可實現水壓信號的讀取，包含USART可完成LORA模塊的數據通訊。2個16 bit計時器。主頻8 Mhz完全滿足此應用的需求。

2.3 LORA模塊

為了將各個檢測節點構成無線傳感網，選用LORA模塊來實現數據的組網及傳輸，型號為E22330T30Z。該模塊的核心器件是SEMTECH公司SX1262射頻芯片。其實質是一個無線UART模塊，可設置為多種傳輸方式，采用基于LoRa協議的擴頻通信技術，工作頻段為220.125～236.125 MHz。該模塊采樣TTL電平輸出，具有較強的適應性，能兼容3.3 V或者5 V單片機的IO電壓。休眠電流為2 μa，發送數據為530 ma。該模塊具有傳輸距離遠、速更快、功耗低、體積小的特點。支持空中喚醒、無線配置、載波監聽、自動中繼、通信密鑰等功能，支持分包長度設定，可提供定制開發服務。

在中繼組網的形式下，可實現遠距離的數據傳輸。中繼組網如圖4所示。

模塊與單片機的連接如圖5所示。圖中，M1M0為模塊的工作模式選擇端口，兩者的電平組合可以選擇4種不同的工作模式，需要指出的是這兩個引腳不能懸空。RXD、TXD作為TTL串口與單片機交換數據。AUX用于指示模塊當前的工作狀態，在實際應用中當收到數據時可以用于觸發單片機，上電自檢初始化期間輸出低電平。VCC供電范圍為3.3～5.5 V。ANT引腳為天線接口，匹配50歐天線。

所有數據采集終端的信號匯聚到主節點之后再通過4 G模塊將底層數據傳回后臺服務器。本設計選用E840-TTL-4G05，它是一款能在多個頻段工作的分集接收模塊。模塊可利用AT指令進行各種參數設置，即可快速地實現單片機串口與公網的雙向數據交互。

2.4 電池選取

為了減少維護的頻率，在電池供電的前提下，本系統的終端節點穩定工作的時間越長越好。要滿足這個要求，就必須采取措施讓它盡可能地在低功耗的模式工作。對本系統中數據采集終端節點的功耗分析如下：

數據采集終端節點每10 min被喚醒一次采集消防栓水壓及電源電壓，如果正常就再次進入休眠狀態，如果水壓過低或者電源電壓過低就啟動一次LORA傳輸報警數據，完成之后返回休眠模式。在此情況下，數據采集終端節點每10 min的流耗約為：傳感器流耗+MSP430單片機休眠的流耗+LORA休眠流耗。

需要發送報警數據情況下數據采集終端節點每10 min的流耗為：傳感器流耗+MSP430單片機休眠的流耗+LORA休眠流耗+LORA發送一次數據的流耗。

根據數據手冊可得：

正常情況下流耗為：70 μA+1.6 μA+2 μA=73.6 μA。

節點由兩節號干電池供電，提供的電量大約為1 450 mAh，由此可以計算節點理論上的工作時間如式（1）：

1 450 mAh/（73.6 μA*6）≈3 284 h≈136 d（1）

如果在需要發送報警信號的情況下，工作時間會縮短。后臺收到節點電壓過低數據之后會提示工作人員更換電池。

由此可知，數據采集終端節點在采用兩節干電池供電時，如果以每10 min喚醒一次采集數據之后又快速進入休眠這樣的模式工作，理論上工作時間可長達136 d，這完全能滿足節點在隧道環境下連續長時間不間斷工作的需求。

3 終端節點軟件設計

本系統通過底層的數據采集終端節點，定時喚醒公路隧道內消防栓水壓進行采用監測，同時也測量給模塊供電的電池電壓。如果測量發現消防栓水壓過低或者電池電壓低于安全的情況，最終會通過公網將信息發送至平臺，并向工作人員發出告警提示，提醒工作人員及時對指定位置的消防栓進行檢查維修。終端節點主程序及中斷程序流程圖如圖6所示。

設備上電后，單片機首先給存儲器設置初始值，并對AD、串口及中斷系統進行初始化設置，并加載驅動。然后會完成網絡的注冊連接，確保板子已經接入4 G網絡，數據傳輸方式為透模式。網絡連接建立成功之后，單片機會定時通過AD接口讀取消防栓水壓數據及電池電壓數據。當測量的水壓或者系統的供電電壓偏離預置的數值范圍時會啟動報警流程，將異常情況發送至后臺數據庫。水壓或電池電壓正常時，出于節能考慮可不發送數據。設備利用MSP430單片機低功耗特點，通過相應設置可使其在數據傳輸完成之后開啟休眠模式，每過一段時間又自我喚醒進行下一次測量。休眠時間的長短可根據現場的實際情況調整，默認值為10 min[5]。

4 平臺功能介紹

公路隧道消防管網水壓遠程監控預警系統后臺的功能包括基本數據模塊和監測信息模塊兩大部分。其中基礎數據模塊包括系統配置、基礎數據，其結構如圖7所示。監測信息模塊包含終端監測、水壓監測、報警處理，其構成如圖8所示。各系統模塊功能詳述如下：

（1）系統配置：設置本系統各個模塊的功能。

（2）基礎數據：隧道位置、區域編號、消防栓布置、終端ID等基礎數據，完成每天的數據存儲以及異常告警提示的基本對象數據的管理。

（3）終端監測：對指定消防栓ID、當前線上消防栓列表進行實時測量，可同時查看多個通道的實時狀態。

（4）水壓測量：測量當前在線消防栓的水壓是否正常。

（5）告警處置：包括對終端節點掉線、消防水壓異常和電路板供電電壓過低的狀況進行報警信息的記錄、反查、響應和數據分析等[6]。

通過以上功能的部署，可以實現對指定區域內的隧道消防栓水壓及終端模塊電池電壓進行實時監測的目的，可從隧道延伸至路網，從而實現對道路消防系統的宏觀管理。通過對報警記錄進行查詢與處理，可以了解相關隧道消防栓的報警及其排除情況。同時可對排除故障的進度進行全程跟蹤與監管。此外，系統還實時提供報警情況，以便進行快捷處理。最后，系統可以對一段時間內各個隧道消防栓的數據進行綜合統計分析，從而為隧道內消防栓的設置、維護管理、運行狀況等提供參考依據。

5 結語

在我國公路里程不斷增長的情況下，需要管理的隧道也越來越多。隧道的消防安全，也應越來越被重視。本公路隧道消防系統水壓遠程監控預計系統，實現了對消防管網水壓的遠程實時監測，提早發現隱患，保證消防管網的正常工作。實踐表明，本系統測量準確，數據傳輸安全可靠，對故障點能及時預警。本系統將為隧道消防安全提供強有力的監察措施和技術支持。

參考文獻：

[1]蔣樹屏，林 志，王少飛.2018年中國公路隧道發展[J].隧道建設（中英文），2019，39（7）：1 217-1 220.

[2]DB43729-2012，公路隧道消防技術規程[S].

[3]葉方躍，鄭偉南.基于LORA無線通信的數字開關量數據傳輸[J].工業儀表與自動化裝置，2020（1）：102-105.

[4]蘇洪濤，程 濤，汪 齊.高速公路隧道水消防系統設計探討[J].中國水運（下半月），2016，16（5）：228-229，241.

[5]席小衛，徐 京，王雨琦，等.MSP430系列超低功耗單片機及應用探究[J].中國新通信，2020，22（2）：118.

[6]趙 平.基于物聯網技術的智慧消防建設[J].智能城市，2019，5（18）：83-84.

收稿日期：2020-04-09