基于物联网的消防水源管理系统

魏亚鹏

【摘 要】 从消防部队信息化建设的角度出发，介绍了物联网技术及其特点，阐述了物联网技术在灭火救援中的典型应用。说明了物联网技术在促进部队建设和消防发展方面的具体应用。笔者介绍了基于物联网的消防水源管理系统，该系统涵盖了智能手机、Android 开发、RFID、ZigBee、无线传感网络（ WSN）等物联网核心技术。

【关键词】 物联网  无线  消防  水源管理  灭火救援

随着我国城市化建设步伐的加快，髙层建筑像雨后春笋般地拔地而起的同时也带来了一系列的社会问题，如火灾隐患多、建筑火势蔓延快、人员疏散和救援难度大等，一旦发生火灾，后果将非常严重。然而制约火灾及时扑救的因素就是水源。在云南香格里拉火灾、广东深圳农批市场火灾中，都是因现场消火栓损坏或现场水压不足造成水源短缺，贻误战机，酿成祸患。因此，及时准确掌握当地各种水源信息和消火栓管径、水压、完好情况，对重特大火灾的成功扑救将起到决定性作用。在此背景下，研究与设计基于物联网技术的消防水源管理系统，对于消防事业发展，更好地为城市经济建设保驾护航具有重要的实际应用价值。由于物联网相关技术的应用，将特殊传感器直接安装于消火栓调节开关附近，将管径压力大小、温度的变化通过3G/4G网络即时传回服务器端，以便消防人员即时准确掌握消火栓动态信息。相信在不久的将来，随着物联网相关技术的研究及普及应用，信息化条件下的消防水源管理系统将成为消防事业不可或缺的一部分。因此，对基于物联网的无线消防水源管理系统开展深入的研究，并推动其广泛应用，具有重大的社会意义和经济价值。

1 物联网的定义及关键技术

1.1 物联网的定义

ITU在2005年的信息社会峰会上对物联网的定义为：物联网是通过将移动收发器内嵌在各种应用设备中，从而使人与人、物与物、人与物在任何时间、任何地点都能实现交互。其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。它是利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网是互联网的延伸，包括互联网及互联网上所有的资源，兼容互联网所有的应用，但物联网中所有的元素（所有的设备、资源及通信等）都是个性化和私有化的。

1.2 物联网的关键技术

（1）信息采集技术。物联网中的信息采集技术是通过传感器、电子标签、智能卡等终端设备来对信息实现采集、识别[1]。传感器是将存在的各种物理量、化学量等信息转化为电信号的装置，这些信号在转化后可被测量，以提供给系统处理、分析等信息。传感器大都应用与终端的实时监测，现在正逐步的发展成为智能传感器。在服务区域内散布的传感器节点组成了传感器网络，可以说传感器网络是物联网的核心，因为它是物联网进行信息采集及处理的基本技术手段。（2）无线网络通信技术。目前物联网在应用中已涉及了交通运输、电力、快递物流等领域，这就决定了它将涉及到不同的信息采集终端，不同的传输网络等。无线个人网和无线广域网是目前无线网络的主要类型。现在，通信行业广为应用的无线通信技术包括Wifi 技术、NFC技术、蓝牙技术及ZigBee技术[2]。Wifi技术是目前应用最广的技术，它通过无线路由便可在其电波覆盖范围内进行联网，目前较多应用于手机及个人电脑等，Wifi技术相比其它技术的优点主要体现在厂商进入门槛低、覆盖面积更广、传输质量更好及传输速度更快等。Wifi技术的主要架构包括关口、扩展服务单元、接入点、服务单元等。NFC是将非接触卡、非接触读卡器及点对点功能进行整合的一种无限近距离通信技术，NFC与传统的红外传输相比的优势在于更简单、传输速度更快。（3）智能技术。智能技术在物联网中应用是指其综合运用云计算技术、数据库技术及人工智能技术等，对物联网系统中的数据进行通用处理，其主要涉及数据挖掘、数据融合、应用集成及平台服务等。智能技术实现了海量数据的快速处理，提高了物联网系统数据处理的综合化水平，为系统的自动化运作提供了可能。

2 物联网的技术架构

物联网从技术架构上看，可分为三层，分别是感知层、网络层和应用层。

2.1 感知层

由各种传感器及传感器网关构成，包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网获识别物体，采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。无线传感器网络节点的基本特点包括数量大、体积小、布置灵活、不需要专人维护不需单独供电等，利用无线节点的多样性及覆盖广的特点，可实现对某无人区和无人监管的设备完全感知，利用无线传感器将某范围内环境信息、定位信息及时传输给监控中心，不仅可以摆脱现有有线网络线缆的束缚，还可以做到更加隐蔽。消火栓传感网的设计可依托现有的移动、联通、电信布置的分支交换机及近年来新建的3G、4G无线基站，利用无线基站实现对消火栓的监控信号覆盖，利用无线技术实现对消火栓水压、管径、位置信息、环境温度等数据信息的采集。

2.2 网络层

网络层主要用来解决感知层数据长距离传输的问题。这些数据可以通过以太网、企业内部网、个人局域网和移动通信网进行网络传输。它对于整个物联网系统的作用，犹如神经系统对人的作用，都具有传输和通道的作用。网络层是应用层到感知层的一个数据通道。物联网中的网络层能将感知层采集转换的物联网数据通过现有的互联网网络进行远距离传输，但是物联网并不同于现有的互联网，物联网涉及到我们生活中的各种物体，具有庞大的数据信息量，它需要一个更为广泛的网络来进行数据的融合与传输。因此物联网是对现有互联网的一种包含和扩展，它以现代互联网为基础，充分利用现代互联网的优势和特点，在其中不断加入物联网所特有的特性，最终构成了物联网的网络层，为物联网的感知层和应用层提供数据通道。

2.3 应用层

应用层实现物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，并且最终提供应用服务。应用层包括中间件层和应用服务层。中间件层主要实现网络层与应用服务间的接口和能力调用，包括对业务的分析整合、共享、智能处理、管理等，具体实现为一系列业务支撑平台、管理平台、信息处理平台等。基于物联网的无线消防水源管理系统是利用最新的ZigBee技术，在数据传输过程中采用无线通信方式把传感器釆集到的数据发送至数据中心。数据中心的计算机系统对接收的数据进行分析，最后管理人员根据分析结果做出判断。即：是否存在该区域市政管网水压不足的情况，并根据具体情况及时通知自来水公司进行加压，保证灾害区域的消防用水充足，最大限度地遏制火灾的蔓延和扩大，把火灾造成的损失降到最低。因此，物联网消防水源管理系统应具有以下功能：（1）传感器终端节点的传感器采集环境参数，完成数据采集、数据处理、数据传输功能;（2）通过路由器节点或直接把传感器终端节点采集到的数据发送到协调器节点进行汇总。

3 基于物联网技术的无线消防水源管理系统的设计思路

目前消防水源主要是依靠中队通讯员对辖区道路、小区、社会单位内部消火栓的定期或不定期实地检查统计后录入，对人力投入高，而且不能够实时掌握各街道、社区内消火栓管网的实际情况，而该区域内湖泊、水鹤、取水码头的准确地理位置只能靠平时生活中的记忆来确定。若在物联网技术环境下，则可通过外接多种无线传感器，实现对各个消火栓及其相关环境的感知，如消火栓的准确方位、管径、压力、是否完好等进行实时统计显示。在发生火灾的情况下，通过执行相关操作，各个传感器就能将数据无线传输到终端机上，而不再需要通过实地查看来确定消火栓的情况。如：当某地区发生较大火灾时，辖区中队首车出动时携带安装有消火栓管理平台软件的笔记本电脑，通过执行系统中某项命令，使覆盖此区域的基站向感知层的各传感器发出信息更新回传指令，感知层收到命令后，将该范围内所有传感器数据回传至数据中心，数据中心分析后显示出各消火栓在地图上的准确位置及当前消火栓的水压、管径等信息，还可显示当前区域内水鹤、取水码头、湖泊、池塘的具体位置。如果火灾发生区域的供水管网压力不足，数据中心立即向自来水公司发送增加市政管网供水压力的请求指令，自来水公司接到指令后，对该区域市政管网进行加压处理，保证消防用水充足。日常管理中，数据中心可以每季度对全市消火栓覆盖区域发送信息回传指令，对消火栓系统进行检查，如发现某区域内某个或某段水压不足，则可及时通知自来水公司进行维修处理。遇到天气极度寒冷的冬季温度特别低时，通过数据中心的数据分析结果，自来水公司可对繁华街道、重点区域的消火栓进行保温处理，保证消火栓系统的完好性和可用性。通过信息化手段来减少人力不足和及时发现问题的能力。为了克服无线传输过程中各传感器用电量损耗过大的不足，本文提出了一种基于物联网ZigBee技术的无线传输系统。它釆用分布式的环境参数测量方式，根据ZigBee协议规定的三种节点类型，总体上可分为用于数据汇总的协调器节点、用于采集数据的传感器终端节点和用于数据传输的路由器节点。协调器节点负责数据的汇总以及数据的上传，其位置必须在系统监测软件所在计算机附近;传感器终端节点分布于建筑物内各环境参数采样点处，路由器节点则根据传感器终端节点分布和传输距离等其他因素择优选择放置点。在实际应用中，可以将路由节点置于现有通信基站上，以解决路由节点电能消耗过快的问题。系统工作时，传感器终端节点只负责采集环境数据，并将数据直接或间接通过路由器节点发送给协调器节点，最后，协调器节点接收数据并进行汇总，最终将数据上传至消防监测中心的计算机上，监测中心工作人员根据所测到的环境参数进行数据分析，并结合当地实际情况做出相应的处理操作。

4 ZigBee无线通信技术的性能分析

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信或网络技术，是一种基于IEEE 802.15.4无线标准而研制幵发的，它是关于网络安全等多方面的无线通信技术。ZigBee技术还为用户提供了一种更为灵活方便的组网方式[3]。ZigBee技术弥补了低速率、低功耗和低成本的短距离无线通信市场的空白，其多种优势特点是该技术取得成功并得到广泛应用的关键原因。其主要技术特点如下：（1）功耗低：对电池供电的简单器件而言，更换电池的花费往往比器件本身的成本还要高。如：嵌在汽车轮胎中的气压传感器或高密度布设的大规模传感器网中，更换电池既麻烦又不可行。在IEEE 802.15.4的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制，多数是基于信标使能的方式，主要是限制器件或协调器之收发信机的开通时间或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。（2）高可靠：ZigBee采用了CSMA/CA的碰撞避免机制，同时为特殊通信业务保留了专用时隙，避免了数据发送时的冲突和竞争。另外，在MAC层中，网络传输采用了数据确认的机制，即在发送下一个数据之前必须等待上一个数据包的接收反馈信息。（3）时延短：设备搜索的典型时延值为30ms，休眠激活典型时延值为15ms，信道接入典型时延值为15ms，能够满足多数应用场合的时延要求，另外还可以达到节省能量消耗的目的。（4）网络容量大：在一个网络中，其理论上可容纳一个主设备（协调器）和最多65535个从设备（路由器和终端节点）。（5）成本低：低速率、简单紧凑的协议栈和小容量的存储空间大大降低了设备的生产成本，并且TI公司免费提供了物联网联盟认可推广的Z-Stack协议。另外，ZigBee可以工作在三个免执照频段（868MHz、915MHz）。（6）安全高保密性：ZigBee提供了基于循环冗余校验的数据完整性检测功能，并采用AES-128通用加密算法，实际应用时可以灵活确保产品的安全性。

5 结语

本文在分析物联网发展的形势后，提出将智能手机和移动终端应用到物联网系统中，并融合了RFID、ZigBee、无线传感器网络（WSN）、互联网等物联网核心技术，构建一套基于智能移动终端的物联网应用系统。加入ZigBee技术，可实现设备及不同协议读写器之间联网，同时通过ZigBee实现数据的多点无线采集和传输的目的。另外融合了GPS和GPRS技术，不仅可实现贴有电子标签物品的定位，也使物联网应用开发系统与用户的通信更方便，为物联网技术更好地推广和使用提供了一种新的途径。随着移动互联网技术不断的发展，结合RFID及ZigBee技术，它们在物联网中应用的优势将更为突出，从而更好地服务于消防事业的发展，更好地改善人们的生活。

参考文献：

[1]田景熙.物联网概论[M].东南大学出版社2010.

[2]朱国超.无线局域网的构建及安全防范技术研究[J].计算机安全2010，（4）：66-68.

[3]侯赟慧.岳中刚.我国物联网产业未来发展路径探析[J].现代管理科学2010，（2）：39-41.