多場景智能消防栓系統設計

許 彬，吳有龍，牛 帥，方詠綺

（1.金陵科技學院，電子信息工程學院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學院，智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展與城市化建設的不斷推進，提升消防安全的需求變得愈加迫切。消防栓在消防安全中具有極其重要的作用，主要功能：為供消防人員取水實施滅火以及控制可燃物，隔絕助燃物等。目前消防栓的檢測依舊依靠消防檢測人員實地檢測并進行逐一記錄。由于城市發展，消防范圍擴大，管理人員有限，消防栓的管理變得愈加困難。發生火災時，一旦出現消防栓不能正常使用的情況，將導致消防工作無法順利開展，從而使得消防員以及人民群眾的人身財產安全受到威脅。隨著“智慧城市”概念的提出[1]，讓消防栓的管理有了更多可能，將其智能化、自動化、信息化，對消防栓進行實時監測并反饋信息，不僅提高了消防栓的管理效率，更使得消防工作更加可靠。

近幾年，國內許多研究人員將消防栓與多種新興技術相結合，設計了諸多監測系統。張力等學者通過與物聯網技術相結合設計了市政消防栓智能監控系統[2]；曾晨軍等學者發明了一種消防栓漏水監測裝置[3]；錢承山等學者基于NB-IoT設計了一款智能消防栓監測系統[4]；Wu Jinjin 等學者通過檢測法實現了對消防系統的監測與預測，以此提高滅火效率[5]。但在這些設計中依舊存在對消防栓監測不全面以及僅針對一個場景的消防栓進行監測等問題。

針對以上問題，文中設計了一款多場景智能消防栓監測系統，該系統基于物聯網架構搭建[6]，利用4G 數據通信，采用北斗定位與MQTT 協議[7-10]，加入多種傳感器進行監測，最終通過可視化大屏展示給管理人員，進一步提高了監測系統的可靠性，通用性，便于管理人員快速做出反應，確保消防系統的正常運行，進一步保障人民群眾的人身財產安全。

1 總體設計

本文設計了一套可適用于多場景的智能消防栓監測系統。通過對水壓、水位、溫濕度、經緯度、傾斜度等參數的實時測量，將數據同步傳回服務器端，根據傳輸協議與規則對數據進行篩選和判別，實現對消防栓的實時監測。管理人員可通過后臺管理頁面快速查詢每個消防栓當前設備的位置信息、狀態信息，并對異常情況做出決斷。同時會記錄設備每次更新修改的操作日志，并上傳至云端數據庫，方便日后可能的故障排查與復檢。此舉實現了消防栓的信息采集與高感度監控預警，同時提升了人員應急救援決策能力與設備的智能一體化程度。

系統基于傳統的物聯網架構進行設計，主要由感知層、網絡層和應用層組成。系統整體架構如圖1 所示。

圖1 系統整體架構

1.1 感知層

感知層在整個物聯網架構中承擔著數據采集的任務，其一般由各類傳感器、RFID 或二維條碼組成。系統感知層由水壓傳感器、慣性傳感器、超聲波測距模塊、溫濕度傳感器、北斗定位模塊、RFID 識別模塊等硬件構成。通過多個終端完成對所需信息的采集工作。

1.2 網絡層

網絡層在物聯網架構中主要起著傳遞信息的作用。對比多種長距離無線通信技術，4G 通信可滿足系統要求，結合具有低帶寬、可拓展、易實現等特性的MQTT 協議構成系統的信息傳輸模式，成本低，功耗低。

1.3 應用層

應用層主要完成數據處理工作。后臺管理頁面由SSM框架集與前端Vue 框架搭建而成，設計了包括數據顯示、北斗定位圖像、設備情況管理、操作日志記錄、數據大屏顯示等功能，較好實現了消防栓監測系統的實時預警功能。

2 物聯網技術

2.1 STM32 及硬件

多場景智能消防栓系統的硬件核心控制由基于STM32F407VET6 芯片的物聯網開發板組成，其處理速度快，具有USART、ADC、I2C 等外設。部署了EC20 北斗/4G 模塊、MPU6050 慣性傳感器、水壓傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、RFID 讀寫卡模塊等，能夠實時監測消防栓的安全狀況，及時預警異常信息。硬件連接如圖2 所示。

圖2 硬件連接圖

2.2 4G 數據通信

4G 技術可用寬頻信號高速傳輸圖像、語音等信息，相對于2G、3G 技術，4G 擁有更好的兼容性、更低的費用和更快的傳輸速度。系統采用EC20 4G 通信模塊實現硬件開發板和騰訊云服務器之間的數據交互，EC20 模塊支持全網通，插入手機卡即可接入網絡，支持下行速率100 Mb/s 和上行速率50 Mb/s，將采集的數據以透傳模式發送到服務器，并在前端頁面顯示。

2.3 北斗設備定位

為實現消防栓設備的統一管控和事件及時處理，需要獲取設備的位置信息。采用的EC20 4G 模塊內置多星座高精度定位接收器，連接ipex 天線可滿足不同環境下對快速、精準定位的需求。STM32 控制器與EC20 模塊使用AT 指令獲取北斗定位信息，指令流程如圖3 所示。

圖3 指令流程

2.4 IoT Explorer

IoT Explorer 是騰訊云針對物聯網場景打造的開發平臺，可以為用戶提供多語言SDK 與通信模組接入能力，提升設備上云效率。同時支持設備數據多級規則過濾與解析，可根據場景需求靈活定義設備告警規則，能夠提供高可靠的，大量實時消息處理能力，滿足對多個設備實時監測的需求。

2.5 MQTT 協議

MQTT 協議全稱為Message Queuing Telemetry Transport，譯為消息隊列傳輸探測，是在ISO 標準下的一種基于發布-訂閱模式的消息協議，由TCP/IP 協議發展演變得來，其工作原理如圖4 所示。MQTT 協議是一種輕量級二進制協議，相較于HTTP 協議具有低開銷、易實現等優勢。同時，本身具備低帶寬、可拓展、消息過濾等優點，在物聯網領域具有廣泛應用。

圖4 MQTT 工作原理

2.6 SSM+Vue

系統后臺管理采用Web 開發中的SSM 框架集與Vue框架進行網頁搭建。其中，SSM 框架集主要由Spring、MyBatis 兩個開源框架整合而成，通過Spring 實現業務邏輯，借助SpringMVC 完成控制調用，利用MyBatis 完成對數據庫的操作，結合具備低耦合與重用性特點的前端Vue 框架，將由終端設備傳回的數據進行處理與頁面顯示。

3 應用平臺

3.1 數據測試

設備采集了經緯度、水壓、傾斜角度、水位高度和溫濕度信息，根據騰訊云服務器端制定的數據上傳規則，通過EC20 模塊連接服務器后傳輸數據至云端。數據及其格式使用串口打印，數據測試結果如圖5 所示。

圖5 數據測試

3.2 應用平臺展示

通過服務器接收終端設備傳回的數據，并對數據進行一定的判斷與處理，最終呈現在管理平臺的頁面上，如圖6 所示。圖中顯示為終端傳回參數壓強的數值后，系統會根據不同的壓強值判斷并顯示不同設備的狀態。壓強值處于0.15 ～0.2 MPa，則顯示設備狀態正常；如果上下浮動0.03 MPa，則進行橙色顯示并預警；如果超出該范圍則進行警報（紅色）。其他管理頁面結構與該頁面相似。工作人員可以根據設備狀態快速篩查出需要維護、更新的消防栓。

圖6 后臺管理頁面

3.3 Web 可視化數據大屏

圖7 所示的Web 可視化數據大屏可以根據終端設備傳回的實時信息，對消防栓的各項參數，如壓強、傾斜度等進行動態化分析與展示，實現了對于消防栓實時監管的目的。

圖7 可視化數據大屏

4 結 語

本文提出了一種多場景智能消防栓監測系統設計方案，詳細介紹了各項軟件以及硬件功能的實現。該系統具有消防栓定位，開蓋、撞到報警，水壓和水位監測等功能，并帶有設備維修記錄與日志，便于相關人員查詢。將所有模塊與STM32 相結合，大大提升了方案的可行性，并且極大降低了成本，具有一定的市場前景。同時，數據大屏的實時動態更新功能，極大提高了管理人員的工作效率，更好地保障了消防安全，有著重大的現實意義和社會價值。

注：本文通訊作者為吳有龍。