智能消火栓监测预警系统探讨
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【摘要】消火栓是城市消防最为重要的基础设施。针对消火栓管理存在的不足，本文基于NB-IoT技术进行了智能消火栓的开发研究，并利用GIS技术开发了消火栓监测预警系统，通过消火栓的实时监控和分析，可以实时掌握消火栓的运行状态，发现异常现象及时告警，实现消火栓的智能化管理。
【关键词】消火栓监测；NB-IoT；GIS；智能化管理
1概述
消火栓是一种用来隔绝助燃物、控制可燃物、消除火源的固定式消防设施，主要由栓体、阀门等组成。其主要分为室内消火栓和室外消火栓，其中室外消火栓又分为地下消火栓和地上消火栓[1]。消火栓的运行状态关乎消防工作是否可以正常开展。据数据统计，80%以上的灭火工作失败是由于事故现场缺少充足的水或没有完好的消防设备，导致火灾发生初期的最佳扑灭时机被延误，从而使火势蔓延扩大，造成人、财、物的严重损失[2]。随着物联网技术和计算机技术的发展，利用物联网设备和信息化系统进行消火栓的智能化监管成为发展趋势。张腾[3]等设计了一种针基于通用分组无线业务的智慧消火栓监控系统，以STM32F103为微控制器，GPRS技术为基础实现了通信连接；王伏林[4]等提出了一种传输性能好、监测内容全面的地上消火栓在线监测系统，除监测消火栓的位置、压力、碰撞信息及漏水情况外，还具有用水者身份识别等功能；黄凯宁[5]利用物联网技术、射频识别技术、全球定位系统等构建了智能消火栓管理系统，实现了消火栓的快速定位和灵活监控；李继宝[6]等开发了市政消火栓智能监测运维管理平台，提出了一种具有表示属性、基本属性、动态属性和维保属性的虚拟模型，实现了消火栓设备全生命周期数据的多维度、立体化呈现。本次研究利用NB-IoT和GIS技术，研发智能消火栓监测设备，集成压力采集模块、阀门检测模块和位移检测模块对消火栓水压、开度、流量和位移的实时监测，感知消火栓的运行状态；采用浏览器+中间件+数据库的B/S架构开发对应的智能消火栓监测预警系统，将监测的数据进行充分利用和展示，通过数据分析实现异常事件的告警，集成实时监测、数据查询、趋势分析、节点管理等功能，为消火栓的日常监督、管理、维护、使用等工作提供全方位的软件支撑。
2系统总体架构
智能消火栓系统建设主要包括感知层、传输层、数据层、应用层四个方面内容，如图1所示。智能消火栓监测设备作为系统的感知层，负责监测、采集消火栓的实时运行数据，包括消火栓的开度、压力和位移等；系统的传输层依靠NB-IoT技术实现，利用NB-IoT通讯模块和系统基站来实现数据的传输；数据层通过搭建智能消火栓数据库平台实现，利用数据库技术实现数据的高效存储、处理和计算；智能消火栓监测预警系统作为应用层，负责将智能消火栓采集的数据进行展示和分析，利用图形化、多样化的表现手段，展示消火栓的当前运行状况，发现异常事件进行告警。
3智能消火栓监测设备
3.1总体设计方案
智能消火栓监测设备终端主要由电源模块、控制模块、压力采集模块、阀门检测模块、位移检测模块、NB-IoT通讯模块六部分组成，如图2所示。电源模块负责智能消火栓监测设备整体的供电；控制模块负责控制智能消火栓监测设备的各个功能模块，以实现整个设备的数据采集和传输；压力采集模块负责实时监测和采集消火栓的运行压力；阀门检测模块负责实时监测阀门的开度信息，并且可以利用开度和压力数据计算消火栓的出流量；位移检测模块负责采集消火栓设备整体的位移数据；NB-IoT通讯模块负责实现智能消火栓监测设备的远程通信功能，实现设备信息的通讯和数据的传输。
3.2电源模块
物联网设备的主要供电方式有三种：市电供电、锂电池供电和太阳能供电。考虑消火栓所处的生产环境，为了实现设备布设的便利性，智能消火栓监测设备利用锂电池进行供电。电源模块的构建采用2节ER26500M电池，单个电池额定电压为3.6V，容量为6500mAh。电源模块共有两路供电，一路给控制模块供电，一路给通信模块供电。
3.3控制模块
控制模块负责所有功能模块的控制，以实现整个设备的数据采集、存储、处理和传输。微控制器采用美国TI公司生产的MSP430F169芯片，选用低频LFXT1CLK（32.768kHz）作为时钟，该芯片具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点。
3.4压力采集模块
消火栓水压过低会影响消防供水功能，水压过高会影响消火栓的使用寿命，因此需要压力采集模块实时监测消火栓的水压数据，保证消火栓的正常运行。压力采集模块采用分体式压力变送器，使用不锈钢外壳，内置MSP300压力传感器，通过连接线与设备内具有中断功能的IO口连接，实现压力数据的采集功能，该传感器成本低、稳定性强，能够适应各种复杂环境。
3.5阀门检测模块
为了加强消火栓的使用管理，避免非法取水活动的产生，应利用阀门检测模块实时掌握消火栓阀门的开启信息。考虑阀门位移测量的困难性，本次研究通过测量阀门转角来间接推算阀门开启度，采用CP-2FL角度传感器，该传感器具有体积小、成本低、稳定性高等优势。
3.6位移检测模块
为了保证消火栓的安全稳定运行，及时发现自然损坏或人为破坏等异常情况，需要利用位移检测模块掌握消火栓的设备状态。本次研究采用德国MMF公司生产的KS903三轴加速度传感器实现消火栓的位移检测，该传感器具有体积小、灵敏度高等优势。
3.7NB-IoT通讯模块
NB-IoT是基于蜂窝网络构建的窄带物联网，其具有功耗低、覆盖范围广、成本低、链接数多等特点。相较于其他的通讯模块，NB-IoT具有易部署、好管理等优势，主要应用在小数据量、低速率的场景，是新时代下实现万物互联的突破性技术。本次通讯模块的搭建选用LPWABC25NB-IoT无线通信模组，供电电压匹配3.6V的电源模块，其产品采用LCC封装，多路串口，可以兼容不同版本的通信模块，占用较小的设备空间。
4智能消火栓监测预警系统
智能消火栓监测预警系统作为应用层，负责将智能消火栓采集的数据进行展示和分析，利用图形化、多样化的表现手段，展示消火栓的当前运行状况，发现异常事件进行告警，包含实时监测、数据查询、趋势分析、节点管理等功能模块，为消火栓的管理、使用人员提供全方位的信息，为消火栓的日常使用、巡检和维护等工作提供软件支撑。
4.1系统技术架构
智能消火栓监测预警系统开发采用浏览器+中间件+数据库的三层结构形式搭建B/S（Browser/Server）架构。这种模式将系统功能的核心部分集中到服务器上，仅在服务器部署一套服务，其余各用户均可使用浏览器通过局域网进行系统访问，简化了系统的开发、维护和使用。
4.2实时监测模块
实时监测模块利用消火栓的GIS信息和实时监测数据，建立消火栓监测图，基于地图展示各消火栓的位置信息，将智能消火栓监测设备采集的压力、开度、流量等运行数据进行实时显示，帮助管理人员掌握消火栓的运行状态。该模块提供异常告警功能，基于实时监测数据，系统发现异常信息会发出警告，并根据异常信息特征分析可能发生的事件，将事件进行分级分类处理，辅助工作人员进行异常处置。
4.3数据查询模块
数据查询模块提供消火栓历史运行数据和以往告警信息的查询功能。工作人员可自定义筛选条件，查询并浏览设备的历史信息，也可以根据工作需求，生成相应的历史数据报表。数据查询功能模块支持报表的导出和打印功能。
4.4趋势分析模块
趋势分析模块主要利用设备数据的对比和趋势分析，基于设备数据的变化规律，结合数据分析算法，分析设备的运行状况，并利用曲线图、柱状图等多种形式进行数据结果展示。利用多维度的数据特征，挖掘设备潜在的运行风险，为消火栓的日常维护和管理工作提供的数据支撑。
4.5节点管理模块
节点管理模块可以对消火栓节点进行自定义配置，包括节点设备的新增、删除和修改。工作人员可以根据消火栓的实际情况进行相关数据的更新，如设备的基本参数、地理信息数据、采集和存储配置等内容。
5结语
本文基于消火栓日常监管不足的现状，以保障消火栓安全稳定运行为目标，开展了智能消火栓监测设备和监测预警系统软件的研究。以先进的物联网技术为基础设计研发了消火栓的智能监测设备，利用GIS技术并采用浏览器+中间件+数据库的B/S架构进行系统软件的设计。这套系统通过软硬件一体化研发方式，实现了对消火栓正常运行状态监测，对违法用水、破坏设备等异常事件预警，加强了对消火栓的智能化监管，提升了消火栓管理人员的工作效率，充分保障了消防部门工作的正常开展，对城市消防安全乃至人民生产生活安全具有重要的意义。
作者:牟鑫 单位:辽宁省大连市庄河消防救援大队