基于5G 通信技術(shù)的智能消防栓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王杰，劉俊杰，呂品，徐力

（寧波工程學(xué)院，浙江寧波，315211）

0 引言

我國(guó)城市化發(fā)展的快速階段，大量的農(nóng)業(yè)人口由農(nóng)村轉(zhuǎn)移到城市，參與到城市發(fā)展的建設(shè)當(dāng)中，期間我國(guó)城市數(shù)量不斷增加，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大[1]，同時(shí)城市的建筑變得更加密集，結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。在一定程度上加大了火災(zāi)發(fā)生的破壞性和突發(fā)性，也對(duì)消防設(shè)備有了更高的考驗(yàn)。火災(zāi)帶來(lái)的損失是無(wú)法估量的，而如何預(yù)防火災(zāi)，減少火災(zāi)造成的危害變得非常重要。消防栓作為一個(gè)固定的基礎(chǔ)性消防設(shè)備，其主要功能就是用于消防車(chē)在市政給水管網(wǎng)及戶外的消防供應(yīng)管線中取水滅火，也可以直接與消防用水帶和水槍相連。但在實(shí)際滅火救援，出現(xiàn)了消防栓內(nèi)水壓不足、水量不夠、栓體破損等情況，從而導(dǎo)致滅火救援工作無(wú)法進(jìn)行，直接影響了消防滅火的效果[2]。本文針對(duì)消防栓水壓監(jiān)測(cè)不到位、設(shè)備維護(hù)不及時(shí)、監(jiān)管困難等情況，構(gòu)建完善的智能消防栓系統(tǒng)，為城市的消防建設(shè)提供新思路。

本次設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信、云計(jì)算、人工智能等新興技術(shù)，研發(fā)了一款智能消防栓系統(tǒng)。通過(guò)在消防設(shè)備終端運(yùn)用水壓監(jiān)測(cè)、防傾倒監(jiān)測(cè)、煙霧濃度監(jiān)測(cè)等多種傳感器與5G 通信模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)消防栓相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。數(shù)據(jù)信息通過(guò)5G 通信傳輸?shù)街悄芟浪ㄏ到y(tǒng)的云平臺(tái)上進(jìn)行處理分析，當(dāng)監(jiān)測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí)，及時(shí)提醒管理人員進(jìn)行相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)消防設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)管，為消防救援提供強(qiáng)力的保障支持，提高智慧城市的消防滅火水平，具有良好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能消防栓系統(tǒng)總體采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，大致可分為感知層、傳輸層、服務(wù)層和應(yīng)用層，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

感知層是系統(tǒng)采集信息的關(guān)鍵部分，傳感器又作為系統(tǒng)中獲得信息的主要設(shè)備，通過(guò)在消防栓的重要節(jié)點(diǎn)安裝對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)消防栓內(nèi)水壓變化、栓體的傾角變化、環(huán)境煙霧濃度等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，然后通過(guò)通信設(shè)備進(jìn)行傳輸[3]。

傳輸層主要完成數(shù)據(jù)的處理和傳輸，5G 通信因?yàn)楦邘挕⒌蜁r(shí)延、覆蓋廣等特性，很好地應(yīng)用于消防設(shè)備終端與云服務(wù)器之間的傳輸，加快了信息向上傳輸和向下回傳的速度[4]。高可靠的傳輸特性極大地加快了數(shù)據(jù)向云平臺(tái)的傳輸，同時(shí)也方便管理員更快更穩(wěn)地下達(dá)控制指令。

服務(wù)層作為數(shù)據(jù)分析和管理的服務(wù)中心，主要完成對(duì)通信設(shè)備的數(shù)據(jù)收發(fā)，并將接收到的消防栓設(shè)備信息進(jìn)行存儲(chǔ)、整理、分析，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深入挖掘與融合，預(yù)知消防栓狀態(tài)信息的變化，同時(shí)向用戶進(jìn)行可視化展示。

應(yīng)用層主要面向業(yè)主用戶、維保單位和相關(guān)消防人員，針對(duì)使用對(duì)象的不同進(jìn)行不同的權(quán)限分層推送，通過(guò)獲取云平臺(tái)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，在Web 端和移動(dòng)端APP 上進(jìn)行顯示。用戶可以很便捷地登錄到移動(dòng)端APP 對(duì)消防設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和管理并進(jìn)行一些決策，提高系統(tǒng)處理異常事件的效率。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

智能消防栓監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成包括監(jiān)測(cè)模塊，電源模塊，主控模塊以及通信模塊。監(jiān)測(cè)模塊主要由水壓監(jiān)測(cè)，防傾角監(jiān)測(cè)，煙霧感知等模塊組成，通信模塊使用的是5G通信模塊，各模塊之間通過(guò)主控模塊進(jìn)行連接交互。如圖2所示。

主控模塊使用的是STM32L051，是一款低功耗單片機(jī)，通過(guò)UART、I2C、SPI、RS485 等通訊協(xié)議與各監(jiān)測(cè)模塊和5G 通信模塊進(jìn)行通信；監(jiān)測(cè)模塊中各傳感器感知消防栓節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化，對(duì)消防栓水壓、水量、傾角等狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；5G 通信模塊采用MQTT 協(xié)議連接至云服務(wù)器，充分傳輸消防栓設(shè)備數(shù)據(jù)信息；電源模塊為整個(gè)硬件電路工作進(jìn)行供電。

■2.1 電源模塊

系統(tǒng)采用兩節(jié)額定電壓為3.7V 的鋰電池進(jìn)行供電，整個(gè)硬件電路中各模塊的供電電壓有所不同，有3.3V 和5V兩種。 使用TPS5430 芯片設(shè)計(jì)電源降壓電路，如圖3 所示。TPS5430 支持5.5V~36V 的輸入電壓，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)到95%，輸出電壓精度為1.5% ，查看數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，在TPS5430 正常工作時(shí)，引腳VSNS 的電壓為1.221V，通過(guò)改變外部電阻值使電路輸出+5V 電壓為對(duì)應(yīng)模塊供電，同時(shí)另一路經(jīng)過(guò)ASM1117 穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出3.3V 為主控模塊供電。如圖4 所示。

圖4 ASM1117 電源模塊電路

■2.2 5G 通信模塊

5G 通信模塊使用的是移遠(yuǎn)RG200U-CN 模塊，是一款專門(mén)為Iot/eMBB 應(yīng)用而設(shè)計(jì)的5G 模塊，同時(shí)支持NSA 和SA 兩種5G 組網(wǎng)方式。采用的是Mini PCIe 接口封裝，內(nèi)置豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和外設(shè)接口，支持多種驅(qū)動(dòng)和軟件功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，適用于數(shù)據(jù)的高速傳輸。

■2.3 水壓監(jiān)測(cè)模塊

水壓監(jiān)測(cè)部分采用的是SEN0257 水壓傳感器，標(biāo)準(zhǔn)的5V 供電，0.5V~4.5V 線性電壓輸出。傳感器內(nèi)部含有硅單晶材料，硅單晶材料在受到外力作用產(chǎn)生極微小應(yīng)變時(shí)，其內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)的電子能級(jí)狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻率劇烈變化。利用這種原理在消防栓供水管網(wǎng)上、出水口處等位置安裝好壓力傳感器，被測(cè)水壓的壓力轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換后將信息進(jìn)行存儲(chǔ)[5]。借助5G 通信模塊對(duì)信息進(jìn)行傳輸，同時(shí)設(shè)置合適的水壓閥位，當(dāng)水壓偏離設(shè)定值時(shí)，管理人員能夠在第一時(shí)間對(duì)消防栓異常信息進(jìn)行相應(yīng)處理維護(hù)。

■2.4 防傾角模塊

本文設(shè)計(jì)中使用的傾角傳感器是MPU6050，本質(zhì)上是一種應(yīng)用慣性力基本原理的加速度傳感器。MPU6050內(nèi) 部 自 帶 有7 路16bit 的ADC 轉(zhuǎn)換電路，其中3 路為陀螺儀、3 路為加速度計(jì)、1路為內(nèi)部溫度傳感器，模塊原理圖如圖5 所示。ADC 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)DMP 處理后，存儲(chǔ)在FIFO 里。單片機(jī)通過(guò)對(duì)芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，完成對(duì)MPU6050 的控制。利用I2C 協(xié)議讀出三軸陀螺儀和三軸加速度的值后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合就能得到真實(shí)的傾角，同時(shí)可采用一階濾波算法使數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)對(duì)消防栓傾角的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)消防設(shè)備傾斜情況。

圖5 MPU6050 模塊電路

■2.5 煙霧報(bào)警模塊

發(fā)生火災(zāi)時(shí)主要產(chǎn)生甲烷、丙烷、丁烷等可燃性氣體，空氣中可燃性氣體濃度會(huì)隨之增高。本文設(shè)計(jì)中使用MQ-5型傳感器用于采集煙霧的濃度信息，如圖6 所示。MQ-5 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫，當(dāng)空氣中可燃?xì)怏w濃度增加時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率增大導(dǎo)致電阻值發(fā)生改變，使得輸出的模擬信號(hào)發(fā)生變化。傳感器的模擬接口A0 接入單片機(jī)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)進(jìn)行上報(bào)處理[6]。

圖6 MQ-5 煙霧檢測(cè)電路

■2.6 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7 所示，當(dāng)設(shè)備上電后，對(duì)單片機(jī)的時(shí)鐘、串口、I2C 等進(jìn)行基礎(chǔ)初始化，同時(shí)對(duì)傳感器模塊、5G 通信模塊進(jìn)行初始化，初始化成功后，建立5G通信模塊與云平臺(tái)之間的連接，各傳感器開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字量進(jìn)行判斷，超出設(shè)定的值便發(fā)出報(bào)警信號(hào)并將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包通過(guò)串口通信發(fā)送到通信模塊，同時(shí)通過(guò)AT 指令控制將數(shù)據(jù)上傳，結(jié)束后進(jìn)入低功耗模式等待下一輪數(shù)據(jù)采集[7]。

圖7 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 系統(tǒng)平臺(tái)搭建

■3.1 云平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云平臺(tái)作為智能消防栓系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)傳輸層的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，同時(shí)為用戶提供為可視化的操作界面，當(dāng)硬件設(shè)備接入到云服務(wù)器后，實(shí)時(shí)采集消防栓的工作信息，展示消防栓設(shè)備的工作狀態(tài)。本文智能消防栓系統(tǒng)采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，阿里云平臺(tái)提供MQTT、CoAP 等多種協(xié)議的設(shè)備SDK，既能滿足用戶長(zhǎng)時(shí)間連接的實(shí)時(shí)性需求，也能滿足短連接的低功耗需求；同時(shí)作為云端服務(wù)器的中間層 (PaaS 層)，為基礎(chǔ)設(shè)備和軟件服務(wù)提供了產(chǎn)品快速部署、快捷接入設(shè)備、計(jì)算與儲(chǔ)存等功能，極大加快了開(kāi)發(fā)的速度；設(shè)備連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)后，可以直接接收到設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。云平臺(tái)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)HTTP/2通道流轉(zhuǎn)至用戶的服務(wù)器上，用戶服務(wù)器通過(guò)接入HTTP/2 SDK 可以接收消防栓設(shè)備數(shù)據(jù)信息[8]。同時(shí)可以利用規(guī)則引擎進(jìn)行云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)，將云平臺(tái)的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端的微信小程序上。微信小程序開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，操作方便，提供多個(gè)管理消防設(shè)備的功能界面，用戶可以參與到消防設(shè)備的管理當(dāng)中，充分發(fā)揮系統(tǒng)的處理能力。

■3.2 功能實(shí)現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)分析

從系統(tǒng)服務(wù)器中提取各傳感器采集到的信息資源和異常報(bào)警情況，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘和大數(shù)據(jù)分析，對(duì)消防設(shè)備故障進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，及時(shí)消除消防栓存在的隱患。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控

可實(shí)時(shí)對(duì)消防栓的水壓、環(huán)境煙霧濃度、栓體傾角等一系列信息進(jìn)行采集監(jiān)控，并且允許用戶根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置消防栓定時(shí)上報(bào)的時(shí)間間隔以及上報(bào)次數(shù)。發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)信息及時(shí)上報(bào)，提醒管理員第一時(shí)間進(jìn)行處理。實(shí)時(shí)監(jiān)控功能如圖8 所示。

圖8 APP 實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

（3）報(bào)警受理

當(dāng)傳感器設(shè)備監(jiān)測(cè)的信息偏離正常設(shè)置的閾值時(shí)，云平臺(tái)第一時(shí)間收到異常數(shù)據(jù)報(bào)警信息，通過(guò)手機(jī)APP 或者短信的方式通知到相關(guān)負(fù)責(zé)人。同時(shí)設(shè)置事件的緊急程度，及時(shí)告知負(fù)責(zé)人采取相應(yīng)措施進(jìn)行解決。報(bào)警受理功能如圖9所示。

圖9 APP 報(bào)警受理功能

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于5G 通信技術(shù)的智能消防栓系統(tǒng)，可對(duì)消防栓設(shè)備的狀態(tài)信息和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)使用多種傳感器對(duì)消防栓重要數(shù)據(jù)進(jìn)行感知，利用5G 通信模塊高速率、低延時(shí)、廣覆蓋的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，有效解決了消防栓監(jiān)管不足、設(shè)備維護(hù)不及時(shí)等問(wèn)題，極大地提高了消防栓日常監(jiān)管維護(hù)的效率，同時(shí)減少火災(zāi)發(fā)生的概率和危害，對(duì)智慧城市的消防建設(shè)具有重要意義。