基于物聯網技術的市政消防栓智能監控管理系統

張 力，羅炬鋒，單聯海,2

（1.上海物聯網有限公司，上海 201899；2.中國科學院 上海微系統與信息技術研究所，上海 200050）

0 引 言

市政消防栓作為重要的城市配套供水設施，是城市公共消防設施的關鍵組成部分，承擔著在消防部門滅火救援中提供水源的重要作用。它的正常功能的發揮直接影響到火災能否及時有效撲救，對于保障人民群眾生命財產安全至關重要。然而在實際應用中，由于安裝地點分散、管理松弛、民眾法律意識淡薄等原因，市政消防栓損毀失修、水壓不足、無水漏水、違規用水等現象屢見不鮮[1-2]，不僅影響市民正常用水，同時也可能影響滅火救援，帶來嚴重的安全隱患。據統計，我國每年因火災所造成的巨大經濟損失和人員傷亡70%以上是由于消防栓管理不善，延誤了滅火救援的最佳時機[2-3]。因此，對市政消防栓的科學有效監管應引起高度重視。

目前自來水公司針對消防栓采用的是傳統的專用閥門控制用水及防撞漏水設計，在盜水與壓力控制上并沒有好的解決方案[1]。在管理上則是采用的網格化模式[4]，主要靠人工巡檢、接受群眾舉報等形式對消防栓的使用情況進行監管[5]，這種方式的人力物力成本較高，且無法對消防栓異常情況做到實時發現和處理。針對上述問題，本文提出一種基于物聯網技術的市政消防栓智能監控管理系統，綜合利用傳感器、射頻識別（RFID）、無線通信、地理信息系統（GIS）等技術，將消防栓終端與監控管理平臺互聯，實現對消防栓使用情況的實時監管，幫助有關部門對異常情況進行快速處置。

1 系統組成

從技術架構上，整個系統從下至上可以分為信息感知層、網絡傳輸層、平臺應用層三個部分，如圖1所示。系統核心部分主要是消防栓智能監控終端和監控管理平臺。其中，消防栓智能監控終端集成了多種傳感器，可對消防栓的用水、撞擊、水壓等日常運行狀態進行實時監測。一旦監測到異常，如違規用水、消防栓被撞倒、漏水導致水壓異常等，將喚醒處理器進行初步數據處理，并觸發低功耗無線通信模塊將異常信息發送至監控管理平臺。系統管理人員查收到平臺發出的報警信息，可及時通知維護人員去現場核實處理。同時，結合GIS技術，利用監控管理平臺可實時掌握平臺監測范圍內消防栓的分布、狀態與數量信息，從而實現對消防栓的集中式、智能化管理。消防栓智能監控終端使用電池供電，由于終端硬件各部分采用了超低功耗設計，因此可在不更換電池的條件下持續工作數年，有效地降低了維護成本。

圖1 系統架構

2 系統硬件設計

系統硬件設計主要針對消防栓智能監控終端內部的核心模塊，包括多維數據監測模塊、主控模塊與多模網關模塊，如圖2所示。

圖2 消防栓智能監控終端硬件框圖

2.1 多維數據監測模塊

多維數據監測模塊是系統的數據采集單元，集成了低功耗傳感器：電極傳感器、加速度傳感器和壓力傳感器，分別為實現消防栓用水、撞擊、水壓異常（漏水）等情況的監控進行相關數據的采集，可對消防栓的狀態進行較全面的監控。

電極傳感器采用的是深圳碧河電氣公司的AT35-7電極式水位傳感器。通過電極線與串聯/并聯電阻組成監控電路監測電壓變化，消防栓腔體內無水和上水時的監測電壓不同，從而確定用水狀態。電極線的探極材質采用SUS304不銹鋼材料，可長期使用，不易銹蝕脫落，且能有效抵抗表面結垢問題，從而避免導電性能的下降或者失效，維護十分方便。

加速度傳感器采用ADI公司的ADXL362，ADXL362是一款超低功耗三軸加速度計，分辨率高（12位），測量范圍高達16g，可采用SPI數字接口訪問。其高分辨率下（1 mg/LSB），能夠測量不到1.0°的傾斜角變化。另外，ADXL362的低功耗模式支持智能電源管理[6]，從而以極低的功耗進行閾值感測和運動加速度測量。利用該傳感器可監測消防栓是否遭受破壞性撞擊。

壓力傳感器采用西安美特傳感器公司的MPT570微功耗壓力變送器，其靜態工作電流小于2 mA，休眠電流小于2 μA，功耗小于4 mW，綜合精度[7]達到0.5%F.S。當消防栓發生漏水情況時，壓力傳感器將會檢測到消防栓腔體內壓力發生的變化，如果變化值不在正常范圍內，主控模塊將判斷為可能發生漏水，則立即啟動異常上報程序。

2.2 主控模塊

主控模塊主要完成對消防栓智能監控終端內傳感器數據采集處理、無線傳輸以及RFID身份認證的控制。微處理器采用微芯公司的PIC18F46J50，這款單片機采用nanoWatt XLP技術，可以實現極低的休眠電流。

為方便維護人員對消防栓進行檢修操作，在主控模塊中還集成了電感耦合式RFID，記錄了消防栓的編號、位置、日常巡檢記錄等信息，維護人員檢修時攜帶相應的身份識別卡，靠近終端時即完成身份認證，對終端的各類操作不會觸發異常報警。在軟件設計上采用二進制搜索算法，以解決RFID多路存取的碰撞問題[8]，從而保證身份識別的準確性。

2.3 多模網關模塊

多模網關模塊集成了GPRS和NB-IoT無線傳輸方案，可根據終端的安裝環境靈活選擇無線傳輸方式。其中，GPRS通信方案采用芯訊通科技有限公司的SIM800C通信模塊。這是一款極小尺寸的四頻GSM/GPRS模塊，LCC封裝，可以極低的功耗實現短消息與數據傳輸。NB-IoT通信方案選用移遠通信的BC95通信模塊，這是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模塊[9]，同樣采用LCC封裝，內嵌豐富的網絡服務協議棧，非常適用于無線抄表、智慧城市、農業和環境監測以及其他諸多行業，以提供完善的短信和數據傳輸服務。

3 系統軟件設計

3.1 監控管理平臺

監控管理平臺采用模塊化設計，基于B/S架構進行構建，主要包含系統管理、數據管理、事件管理、應用服務等功能模塊，實現消防栓狀態實時監控、消防栓位置分布查詢、報警信息發布、歷史數據查詢及統計分析等功能。設計上考慮后期與水務管理、消防局、數字化城市管理中心等部門的數據共享。平臺架構如圖3所示。

圖3 監控管理平臺系統架構

系統管理：包括用戶管理（用戶分類、用戶權限等）、基于信息整合的報表管理、系統服務管理與集成管理等。

數據管理：實現對消防栓智能監控終端信息與實時狀態數據，以及報警記錄數據的存儲、分類、統計、查詢等功能，以便于管理人員實時掌握系統監控區域范圍內消防栓的正常使用與狀態異常情況。

事件管理：實現對報警事件詳情、事件處理狀態及維護保養記錄的管理，同時設置消息提醒功能，以確保異常事件得到及時處理，有效保障消防救援等緊急狀態下的用水需求。

應用服務：提供統一登錄門戶、用戶協作工具、核心數據集中展示與發布等功能，方便不同用戶訪問平臺并使用相關功能，提供開放消息接口以便與其他平臺共享監控數據。

3.2 終端軟件流程

消防栓智能監控終端的軟件處理流程如圖4所示。設備上電后，主控模塊會對多維數據監測模塊和多模網關模塊進行初始化操作。初始化完成后，多維數據監測模塊中的各傳感器開始采集數據。當主控模塊檢測到異常狀態時，將啟動多模網關模塊進行數據上報，同時啟動一個定時器，在設定時間內持續進行數據上報，直到上報成功。上報成功或超時都將關閉多模網關模塊，返回低功耗數據采集狀態。

圖4 監控終端軟件處理流程

3.3 數據傳輸格式

終端監控數據的通信傳輸格式在設計上充分考慮了傳輸的可靠性與高效性，并針對終端采集的實際信息進行了優化。數據幀為十六進制格式，包含幀頭、幀類型、設備編號、設備數據與幀校驗和5個部分，如圖5所示。幀頭采用字符0xEF開頭，幀類型分為心跳報文（采用字符0x01表示）和報警信息報文（采用字符0x02表示），設備編號用4 B數據表示。心跳報文的設備數據為3 B數據，包含電源電壓值和接收信號強度值，心跳報文設置為每8 h上報1次，便于系統掌握監控終端的運行狀態。報警信息報文的設備數據大小為14 B，包含授權認證ID、各類事件報警開關、用水水壓值、撞擊傾斜角度值、電源電壓值、用水水量和累計用水時長，報警信息報文僅在各類事件（用水、撞擊等）發生時才會觸發終端進行上報。幀校驗和使用CRC校驗[10]。

圖5 數據幀格式

4 實驗測試

在水務局和消防部門等單位的大力支持與協助下，對上海市嘉定區的部分消防栓（共計312個）進行了智能化改造，安裝上了消防栓智能監控終端，如圖6所示，并通過監控管理平臺實現了實時監控與管理。

圖6 消防栓智能監控終端與安裝效果

監控管理平臺主界面如圖7所示。在試點運行期間，系統運行情況正常。工作人員隨機選擇了其中部分消防栓進行了模擬正常用水、漏水、碰撞、非授權開啟等測試，平臺對于事件報告結果的準確率達到100%。平臺界面友好，操作簡便，結合GIS地圖的展現方式，可直觀展示監控區域范圍內消防栓的位置分布與狀態，并能通過屏幕點選快速查詢到任一接入平臺的消防栓的實時狀態數據。

圖7 監控管理平臺主界面

實驗證明，該系統可以對大范圍區域內消防栓實現快速有效的統一化、智能化監控管理，有效地提升了相關部門的維護效率，減少了維護成本。

5 結 語

市政消防栓作為城市重要基礎設施，是預防火災蔓延、保護市民生命財產安全的重要防線。實現市政消防栓的智能化管理，對于城市基礎設施的智慧化升級、消除城市消防安全隱患具有重要意義。本文提出的基于物聯網技術的城市消防栓智能監控管理系統，充分利用了物聯網全面感知、可靠傳遞與智能處理等技術特征，可通過其實時掌握市政消火栓的分布、狀態和數量信息，輔助滅火救援力量的調度，降低因消防栓遭受外界非法使用和損壞后造成的水資源浪費，并減少了巡檢維護成本。同時，通過該系統可為市政管理提供基礎信息數據支撐，并在消防單位和市政管理單位之間共享市政消防設施監控信息，提高聯動工作保障能力。該系統可廣泛應用在城市道路、機場、大型石化項目和國際會議中心等消防重地，具有廣闊的市場前景和良好的社會經濟效益。