基于NB-IoT技術的公路隧道消防應急設施遠程監控系統

作者簡介：

陳 榮（1987—），工程師，研究方向：高速公路機電工程施工與管理。

文章對當前廣西高速公路隧道消防系統的設計規范進行了分析研究，并在此基礎上設計了一種消防應急設施遠程在線監控系統。該系統采用STM32F系列的ARM處理器作為主控CPU，并根據隧道內的消防應急設施類型分別選用相應的傳感器對其進行數據的監測與采集，通過NB-IoT數據傳輸模塊將數據上傳至云服務器，實時監測消防應急設施的工作狀態，為隧道消防設施的運維工作提供準確、高效的服務，以提升隧道的消防安全應急保障能力與管理水平。

公路隧道；消防安全；NB-IoT；遠程監控

中圖分類號：U456.3+3 A 29 093 2

0 引言

隨著“縣縣通高速”的進程不斷推進，高速公路橋隧里程日漸增加。截至2021年初，我國已投入運營的高速公路隧道約為4 600座，總里程高達2 500多km，成為全球高速公路隧道數量最多的國家［1］。由于司機誤操作、機動車故障、貨物自燃等原因［2］導致的隧道內火災事故也隨之增多。據統計，我國2000—2019年間發生了203起中長隧道火災事故［3］。由于隧道的封閉性強、縱深長、通風效果差等特點，隧道內的火災救援難度遠大于高速公路的其他路段［4］。而在事故調查中發現，重大隧道火災事故的背后，往往存在隧道內消防設施故障不能使用的情況，如射流風機無法啟動、消防蓄水池水位不夠、消防栓水壓不足、應急照明亮度不達標等問題。出現這些問題的主要原因是：（1）隧道消防設施數量龐大，系統巡檢周期長，養護頻次低；（2）傳統的人工巡檢方式對人員的專業水平及責任心依賴程度較高，誤檢、漏檢的情況時有發生，巡檢養護質量難以得到100%的保證。

針對以上隧道消防系統存在的問題，本文結合廣西高速公路隧道消防技術規范內容，設計了隧道消防應急設施的狀態監測電路，實現了消防應急設施的自動巡檢功能，有效解決了因人工巡檢效率低、巡檢質量不穩定而導致隧道消防系統在發生火災事故時應急保障能力被削弱的問題。

1 系統總體方案設計

1.1 系統總體框圖

系統總體設計框圖如圖1所示。該系統主要由數據采集處理終端1～終端N、NB-IoT基站及云數據管理平臺三部分組成。數據采集處理終端為系統的數據感知層，主要完成消防設施的數據監測上傳，根據不同的消防設施，對應的監測模塊也不一樣。NB-IoT是數據接入的傳輸網絡。云數據管理平臺主要包含云端應用服務器、Web前端可視化應用軟件及MySQL數據庫管理軟件，完成數據的存儲顯示和處理。

1.2 系統需要監測的對象分析

根據最新實施的《高速公路隧道消防設計技術規范》（DB45/T 2120-2020），廣西區內公路隧道消防安全等級分為5個級別。各級別隧道內消防設施的設置標準如表1所示。

其中，滅火設備、火災防排煙設施、消防應急照明及疏散指示標志類，在發生火災險情時，起到第一時間控制火情，幫助現場人員安全撤離的關鍵作用，為本系統進行自動巡檢監測的主要對象。

2 系統硬件電路的設計

如圖1所示，系統硬件電路采用模塊化標準接口的硬件設計方案，終端1與終端N的消防設施監測模塊根據所監測消防設施的類型分別連接不同的RS485模塊功能。STM32主控CUP主要負責數據的采集并通過通信模塊轉發至云數據管理平臺，其最小系統電路如圖2所示。其中，IoT_RXD、IoT_TXD分別相連NB-IoT通訊模塊串口的接收與發送端信號管腳。D1、D2、D3為LED狀態指示燈，分別指示網絡通信模塊、數據監測模塊及系統運行的工作狀態。

2.1 消防設施監測模塊設計

為了簡化電路設計，同時方便系統功能后期擴展，消防設施監測模塊統一采用RS485接口，系統根據不同的監測信號，設計了相應的監測模塊。

2.1.1 滅火設備監測模塊

滅火設備主要包括滅火器、室內消防栓、固定式水成膜泡沫滅火裝置、水泵接合器及泡沫-水噴霧系統。該系統通過稱重傳感器測量滅火器的重量，實現對滅火器失效狀態的監測；通過超聲波水位傳感器測量消防蓄水池的水位高度；電流互感器測量蓄水泵的工作電流狀態；水壓傳感器測量消防管道水壓；在固定式滅火裝置的門上安裝電磁檢測開關實現設備防盜監測功能。

2.1.2 火災防排煙設施監測模塊

隧道主要通過射流風機實現隧道的排煙及換氣功能。該系統通過在隧道內安裝風速傳感器及在風機電力線纜上設置電流互感器，即可監測風機的工作狀態。

2.1.3 消防應急照明及疏散指示標志監測模塊

消防應急照明及疏散指示標志主要監測其發光亮度，可通過在隧道內分布安裝光亮度計進行監測。

2.2 NB-IoT網絡通信模塊

NB-IoT為Narrow Band Internet of Things的首字母簡寫，是基于蜂窩數據連接的窄帶物聯網技術，具備信號覆蓋廣、功耗低、設備連接數量大、成本低等特點，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，特別適用于待機時間短、網絡連接質量高的應用場合［6］。本系統NB-IoT網絡通信模塊型號為移遠BC26，該通信模塊支持全球頻段，具備TCP/CoAP/MQTT等網絡協議棧，極大地方便終端程序的開發，系統CPU通過發送簡單的AT指令即可實現數據遠程無線傳輸的功能。

3 系統軟件的設計

3.1 數據采集處理終端程序設計

數據采集處理終端主要完成監測模塊串口數據的讀取，并進行統一編碼后通過BC26網絡通信模塊發送到云數據服務器。主要實現流程如圖3所示。

3.2 隧道消防設施監控數據云平臺設計

數據云平臺軟件采用前后端分離的微服務架構設計。前端web頁面主要負責對消防設施狀態及故障數據進行統計結果的顯示，包括UI界面設計、前后端數據接口對接和數據采集處理終端注冊等內容。后端采用Nginx作為HTTP服務器，應用服務器建立設備socket連接接口，負責接收并存儲數據采集處理終端發送的狀態數據，包括MySQL數據庫的設計、終端ID數據表的建立、數據表內容的“增、改、刪、查”操作及前端軟件數據接口與處理等內容。

4 試驗結果

系統分別選用了消防蓄水池監測、消防管道水壓監測及風機電流狀態監測3種類型終端進行調試。終端通過注冊接入云管理平臺后，經驗證，3種終端數據均能正常上傳且與現場測量的結果一致。

5 結語

該系統實現了隧道消防應急設施的遠程狀態監控功能，能夠及時有效地完成消防關鍵設施的巡檢及異常警告功能，提升了消防設施的應急保障能力。同時，該系統采用的模塊化電路設計及前后端分離的微服務軟件架構設計，為后期擴大監控設備種類、完善系統功能的研究工作奠定了良好的基礎。

參考文獻

［1］婁 刃.高速公路隧道智慧化改造需求分析與設計初探［J］.中國交通信息化，2021（3）：32-34.

［2］王吉強，蘇永貴.高速公路長大隧道防火減災與應急管理分析［J］.信息化建設，2016（2）：174-175.

［3］楊仁聰.高速公路隧道消防設施監控系統設計與實現［D］.西安：長安大學，2021.

［4］楊宇軒，劉 暢，仇培云，等.含坡度隧道車輛阻塞下全尺寸火災實驗［J］.清華大學學報（自然科學版），2020，60（12）：1 030-1 038.

［5］DB45/T 2120-2020，高速公路隧道消防設計技術規范［S］.

［6］杜立嬋，王文靜，韋冬雪，等.基于NB-IoT的橋梁健康遠程監測系統設計［J］.電子測量技術，2020，43（20）：155-159.

收稿日期：2022-10-26