基于NB-IOT的智能消火栓檢測及管理系統

姜福浩 單超穎 劉野 薛斌 馬詩語

（沈陽城市建設學院信息與控制工程系 遼寧省沈陽市 110167）

1 引言

針對當前消防作戰與普查中消防設備管理不當導致作戰效率極低和僅憑借人為普查出現設備疏漏，人力資源耗費等諸多問題，設計出了一套集消防作戰和消防普查于一體的系統。在本系統中充分利用物聯網及NB-IoT 通訊技術，通過特殊設計的微型低功耗監控傳輸裝置，在火情發生時可通過GPS 快速定位正常工作狀態的消火栓，并且在到達現場后可通過掃碼實現設備占用。這樣不僅可以使消防人員快速找到正常工作的消防設備還可以避免多組人員在滅火時出現消防設備使用沖突問題。在定期普查維護時，工作人員可以通過本系統終端顯示設備對某一區域內的消防設備進行普查記錄及損壞標記。此系統將所有的消防設備與網絡連接在一起，讓分布廣的消火栓變成可以再手掌上輕松查看。從而有效的解決了消防設備尋找困難、管理監控復雜等問題，同時也提升滅火和綜合應急救援能力，對于保障城市消防安全具有一定現實意義。

當前我國消防管理仍處于較低的水平，其中尤以消防設施管理水平令人堪憂。為緊跟智慧城市的發展進程，力促社會單位單位建筑消防設施管理工作實現智能化，目前，國內也有部分大學及機構開展無線消防管理系統研究，其中主要以GSM 和GPRS 等通信標準為主。2015年陜西省消防總隊通過消火栓水壓傳感器等一系列傳感器對數據進行檢測，檢測后數據通過采集模塊，由通用分組無線服務技術(GPRS)發送至消防監測中心水壓監測服務器。通過安全的邊界接入平臺將互聯網采集的數據導入消防指揮專網，消防指揮專網的數據可以供消防以及公安其他警種共享。但是此系統僅僅做到了一些基礎數據的采集、而且功耗大的問題一直沒做出相應地優化，最終因功耗問題及實用性不強而沒有得到大面積推廣。近年來也有部分基于NB-IoT 的消火栓出現，博大光通物聯科技有限公司作為極早一批意識到NB-IoT 商用價值及藍海市場的企業在2017年秋季推出了基于NB-IOT 技術的智慧消防解決方案，但是目前還沒有投入到實際當中。相比之前，不但解決了功耗過高的問題，而且數據傳輸速度也有了較大的提升。但是在功能方面還是只能簡單的采集一些數據，并不能有效的解決上文提出的致命問題。因此，智能消防建設這條路還很有很長需要我們去探索和研究。

傳統的消防檢測、管理模式是通過大量的人力到火災現場檢測、傳遞重要信息，由于不了解火災現場當前水源壓力情況，不清楚消防設備具體的位置與占用情況。消防方案的初步制定也必須在到達現場后制定，這樣在造成人力資源浪費的同時也極大的耽誤了救援時間，火場如戰場，每一秒都可能造成無法彌補的損失。而且消防設施的非法占用以及每段時間的維護與檢修也存在著很多問題。本作品利用液體壓力變送器實時監測消防管道的水壓，利用GPS 模塊消防設備進行了精準定位，利用自己搭建的數據庫和后臺對數據進行合理的儲存和整合，有效的解決了上述的問題。讓消防隊員在接到報警的電話的時候就可以提前了解火災現場的實際情況。做到有備無患。除了解情況以外，消防隊員可以在到達現場后通過對設備唯一的二維碼進行掃描，從而將占用設備的信息傳輸到每一位參與此次作戰的消防員手中這樣便可對作戰地點的消防設施進行合理的分配和占用，可以大大節省作戰時間，消除混亂的作戰場面。本作品在日常消防設備的維護和檢修中也可通過此套管理系統中的消防設備地圖對需檢修設備以及未檢修設備進行標記，以便做到設備狀態信息的實時性和漏檢的問題。監控消防水源的損壞和盜用是通過利用水流量傳感器實時監測管道流動情況而完成的，若水流變化異常，系統自動報警。終上所述，本作品可以有效的解決當前消防作戰管理出現的一切問題，把火災中的損失降到最低。

2 硬件設計

本文所設計的基于NB-IOT 智能消火栓檢測及管理系統以STM32 單片機為智能終端，其中用到了水壓傳感器、水流量傳感器、GPS 模塊、藍牙模塊。這些傳感器將采集到的數據發送到MCU 上進行數據的處理。本設備的工作電壓不超過10v，且屬于低功耗類型，又能夠通過后臺對設備的工作狀態進行調整，所以無需市電供電，一節電池就能夠使用1-2年。總體結構圖如圖1 所示。

2.1 水壓檢測裝置

XGZP6161 型泵用壓力變送器與MCU 連接圖，采用平膜結構傳感器芯體和專門定制的放大電路。供電電源：3.3-5.5VDC；量程：0-1Mpa；輸出電壓：0.5-4.5V；上電以后輸出模擬量給MCU的PA1 引腳，然后經過AD 轉換以及公式的計算以后變成壓力值（單位Kpa）。此變送器經過線性修正和溫度補償，能有效抵制水錘效應，解決瞬間過壓等問題。XGZP6161 型壓力變送器還具有多樣的輸出形式和壓力接口，在本系統中用來測量消火供水管道中的壓力值，基于串口通信傳輸協議輸給M5310，再由M5310 通過NB-IoT無線通信協議傳輸給數據處理終端。

2.2 水流量檢測裝置

YF-S20B 流量傳感器，最低額定工作電壓：5-24V，輸出脈沖信號，精度（流量--脈沖輸出）：1 ～30 L/min±5%以內。上電以后輸出NPN 脈沖給MCU 的PA0 引腳，然后經過定時器的脈沖輸入捕獲以及公式的計算以后得到水流量值（單位：L/Min）主要由塑料閥體、水流轉子組件和霍爾傳感器組成。在本系統中用于檢測消防管道的進水流量，當水通過水流轉子組件時， 磁性轉子轉動并且轉速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應脈沖信號，反饋給主控制器。

2.3 GPS定位裝置

圖1：總體結構圖

圖2：微信小程序客戶端圖

圖3：電腦端后臺監控系統

GPS 模塊NEEO-7N UBLOX 原理圖如圖1 所示，模塊采用U-BLOX NEO-6M 模組，體積小巧，性能優異。除此之外，模塊還增加了放大電路，有利于無源陶瓷天線快速搜星，模塊兼容3.3V/5V電平，方便連接各種單片機系統（本系統使用STM32）。在本系統中通過NMEA-0183 協議采用ASCII 碼來傳遞GPS 定位信息。

3 軟件設計

（1）本系統采用I2C 總線協議，將采集到的水壓值、水流量、光照等重要農場數據傳送到主MCU，然后對數據進行進一步的分析和處理。

（2）通過NB-IOT 將處理好的數據發送到后臺服務器，由服務器進行數據儲存并且將數據傳輸到Web 服務器，通過Web 服務器與數據庫之間的交互以及使用智能算法將數據返回到后臺服務器，最終發送到手機小程序客戶端。

（3）本系統使用雙平臺消防系統來保障系統的準確性、實時性。手機端采用微信小程序開發，同時配有電腦端后臺監控系統保障了系統的完整運行。微信小程序的“輕量級開發模式”，使用戶在體驗同等功能的基礎上，消耗最小的手機資源，并且微信小程序不需要安裝，實現了“用完即走”的創新理念。

系統的實時檢測數據主要由系統的硬件主控通過傳感器采集相應數據，然后通過MCU 的Usart 3 與M5310 NB-IoT 進行通信，最終實現數據向OneNET 的上發。

系統中通過錄入消防人員信息設置消防員權限每個得到身份認證的消防員都可以登錄小程序完成消防作戰任務，用完直接關掉小程序即可，不會占手機太大內存，真正做到高效快捷。由于消防設備數量多、分布廣，極其不利于消防人員對其進行管理。為了解決這個問題并且提高消防管理工作的效率，因此本系統添加了消防指揮中心后臺管理功能。這其中包括設備非法使用的監測及預警、數據處理及可視化、添加消防設備、消防設備的管理、消防人員的管理等功能頁面。微信小程序客戶端圖和電腦端后臺監控系統如圖2、圖3 所示。

4 總結

本文通過對國內當前落后的消火栓檢測及管理模式的研究，了解到了當今消火栓記錄數據不夠準確、運用大量人力資源進行作業、無精準定位等，本設計針對這些問題提出了一款基于NB-IOT 的智能消火栓檢測及管理系統。NB-IOT 具有設備多連入、低功耗、高覆蓋的特點對本設計有著非常重要的作用，是本系統的技術中心。OneNet 云平臺作為數據的傳輸中轉站，穩定性高，具有很高的安全性，保障了設備的信息儲存。微信小程序，作為當今熱門的技術，使用微信小程序簡單方便。GPS 定位，這一技術解決了消防作戰中，消防設備被遮擋影響救援的隱患。藍牙技術，現在的數據燒錄大多都是有線的，當設備深埋地下時，數據的調試會受到很大限制，使用藍牙實現了無線數據燒錄，減小了損失，提高了效率。