北斗智能消防栓系統設計

劉西閣

（常州信息職業技術學院網絡空間安全學院，江蘇常州，213164）

消防栓是城市建設的基礎性設施，在控制火災和保障人們生命財產安全方面意義重大。傳統消防栓主要功能是供消防車從市政給水管網或室外消防給水管網取水實施滅火，也可以直接連接水帶、水槍出水滅火。然而在實際的應用中，由于人們的消防安全意識淡薄，消防栓被損壞或者圈占的現象特別嚴重，另外部分消防栓長時間不用，會出現漏水、偷水、違規用水等現象，導致出現火災時供水壓力不足，延誤滅火最佳時間。

針對這些問題，目前國內的研究主要集中在將物聯網技術應用到消防栓上，實現城市智能消防栓的統一監控管理[1~3]，另外對于終端上管理系統的結構、功能和操作也有相關的研究[4~6]。為了進一步優化改進常見的智能消防栓系統，本文設計了一種北斗智能消防栓系統，在應用了物聯網技術的智能消防栓基礎上增加北斗高精度定位模塊，結合消防栓水壓水流數據，能夠使消防員及時跳過異常的消防栓，快速尋找到可用消防栓，節約救援時間，提高救火效率，減小火災給人們帶來的損失。

1 系統組成

基于北斗的智能消防栓系統主要由北斗定位消防栓監控終端、消防員專用APP、消防中心專用監控平臺組成，系統框架如圖1所示。

北斗定位消防栓監控終端是在傳統消防栓上進行智能化改造，增加主控模塊、北斗定位模塊、GPRS模塊和各類狀態采集傳感器，主要負責采集消防栓相關狀態數據并通過Internet互聯網實時上傳到監控平臺，方便管理人員及時做出決策。

消防員專用APP用于幫助消防員快速找到消防栓，并跳過異常不能用的消防栓，提高救援效率。具體功能包括著火區域應急報警，著火區域位置信息，自動匹配并分配距離最近，無損壞的消防栓，消防栓位置信息，消防栓線路導航信息，水壓水流異常自動報警信息等。

消防中心監控平臺實現對消防栓網絡的遠程監控，功能上包含消防栓實時數據監測、數據管理、日常維護管理、位置信息等幾部分。

2 消防栓終端

智能消防栓監控終端分硬件設計和軟件設計兩部分。

2.1 硬件組成

消防栓終端硬件的設計是在不改變消防栓外觀情況下，直接替換原有100mm出水口悶蓋。終端電路組成如圖2所示，主控模塊選用STM32F103芯片，同時擴展北斗高精度定位電路、GPRS通信電路、傳感器采集電路、復位電路和電源電路等。

圖2 消防栓終端電路組成

STM32F103是增強型的32位基于ARM核心的微控制器，該控制器功耗較低，芯片資源豐富，擴展性強。共有112個通用IO口、3個SPI、2個I2C、5個串口等多個通信接口，可以外接擴展設備，符合本設計外接多個模塊的要求。

電源電路采用LM2596芯片,該芯片為德州儀器開發的降壓型穩壓芯片，輸出電壓有3.3V、5V、12V三種類型，LM2596的封裝有5個引腳，使用時需要另外加散熱片[7]。

傳感器是消防栓數據采集的核心，具有水壓、偷水、漏水、被盜、撞倒等異常檢測功能。水壓檢測通過在主控單元上連接水壓傳感器，將被測水壓的壓力直接作用于傳感器的膜片上，使膜片產生與水壓成正比的微位移，使傳感器的電阻值發送變化，利用電子線路轉換輸出標準測量信號，水壓傳感器連接STM32的PA1管腳；偷水、漏水通過檢測閥位的開度大小實現，主控單元外接微動傳感器來檢測閥位開度大小，通過在消防栓轉軸外側每隔90度安裝一個傳感器實現開度大小檢測；防被盜設計采用彈片式振動開關，當消防栓被盜時，給出閉合開關信號，主控單元判斷是否為被盜信號，傳感器連接STM32的PB12管腳；撞倒設計采用滾珠式振動開關傳感器，電路設計采用一階RC濾波電路去除噪聲，連接STM32的PB13管腳，將檢測信號傳給單片機，當被撞倒后，外部中斷觸發，主控單元進行信號識別檢測，數字濾波，繼而判定消防栓被撞倒[1、3]。

GPRS通信模塊采用合宙Air202型號，其為四頻段GSM/GPRS模塊，采用的是RDA8955平臺，內置32Mb NorFlash和32Mb SRAM，有豐富的外圍接口，可支持最多16個GPIO，與微控制器STM32的串口1相連，利用GPRS模塊實現無線數據通信，將消防栓相關監測數據通過互聯網發送到監控平臺。

北斗定位模塊采用ATK1218-BD型號，該模塊采用SkyTra公司的GPS+北斗雙模定位模塊，外接有源天線，30秒內即可定位，同時模塊自帶后備電池，可保存星歷數據，掉電后半小時內重新上電，可在幾秒內定位。模塊支持串口通信方式，所以將該模塊直接和微控制器的串口2相連接，利用串口通信，將定位數據信息及時上傳至監控平臺。

2.2 軟件設計

消防栓軟件設計實現流程圖如圖3所示，先將各模塊初始化，初始化后接收傳感器數據和定位信息，通過GPRS通訊方式發送數據，發送完畢后判斷傳感器數據是否有變化，當傳感器數據幾乎沒有變化時，終端進入休眠狀態，以最大程序的省電，當傳感器數據發生變化時，將接收到的定位信息一起傳送至監控平臺并在平臺上顯示。

圖3 消防栓軟件設計流程

3 監控平臺

監控平臺分消防中心專用監控平臺和消防員專用APP兩部分。專用監控平臺主要是利用先進的計算機技術，在數據庫的基礎上，依照消防栓管理的業務流程和功能進行開發設計，方便工作人員在電腦終端上對消防栓信息進行科學高效直觀的管理。數據庫內容包含消防栓所有信息、自然水源信息、著火區域信息和地圖導航信息，工作人員可以在監控平臺上進行輸入、編輯、查詢、統計、分析等操作。

消防員專用APP是指安裝在消防員手機上的軟件，軟件功能主要分4大塊：消防栓信息、自然水源信息、著火區域信息和報警信息，具體的功能如圖4所示。該軟件為消防員實時查看消防栓信息和高效滅火提供了便利條件。

圖4 消防員專用APP功能

4 系統聯調

在不改變消防栓外觀的情況下，直接替換原有100mm出水口悶蓋，如圖5所示。聯調過程中，設備能正常通過GPRS模塊將傳感器信息和定位數據上傳至監控中心和APP，如圖6所示。

圖5 消防栓報警裝置安裝圖

圖6 消防栓在APP和監控平臺的顯示界面

通過對著火區域設定，可以在消防管理中心快速查看到附近各消防大隊、消防中隊的管轄范圍。在管理平臺中，可以及時的查看到著火區域的著火區域的位置信息、有效消防栓布局、線路導航信息，自動匹配并分配距離最近，無損壞的消防栓等功能。

在消防人員的專用APP端可以快速接收到著火區域的位置信息，查看到附近各消防大隊、消防中隊的管轄范圍，為消防救火聯動起到相應作用。還可以及時查看到消防栓位置信息、傳感器數據信息、地下管網信息、消防栓線路導航等功能，自動匹配并分配距離最近，無損壞的消防栓等功能。

5 總結

本文設計的北斗智能消防栓系統,在智能消防栓基礎上擴展北斗定位模塊，能在滅火的過程中方便消防員更快的找到最近可用的消防栓，并規劃導航路線，實時性良好,實現了消防栓應急管理,滿足消防人員應急救火的需求。