基于NB-IOT的智能消火栓检测及管理系统

姜福浩 单超颖 刘野 薛斌 马诗语

（沈阳城市建设学院信息与控制工程系 辽宁省沈阳市 110167）

1 引言

针对当前消防作战与普查中消防设备管理不当导致作战效率极低和仅凭借人为普查出现设备疏漏，人力资源耗费等诸多问题，设计出了一套集消防作战和消防普查于一体的系统。在本系统中充分利用物联网及NB-IoT 通讯技术，通过特殊设计的微型低功耗监控传输装置，在火情发生时可通过GPS 快速定位正常工作状态的消火栓，并且在到达现场后可通过扫码实现设备占用。这样不仅可以使消防人员快速找到正常工作的消防设备还可以避免多组人员在灭火时出现消防设备使用冲突问题。在定期普查维护时，工作人员可以通过本系统终端显示设备对某一区域内的消防设备进行普查记录及损坏标记。此系统将所有的消防设备与网络连接在一起，让分布广的消火栓变成可以再手掌上轻松查看。从而有效的解决了消防设备寻找困难、管理监控复杂等问题，同时也提升灭火和综合应急救援能力，对于保障城市消防安全具有一定现实意义。

当前我国消防管理仍处于较低的水平，其中尤以消防设施管理水平令人堪忧。为紧跟智慧城市的发展进程，力促社会单位单位建筑消防设施管理工作实现智能化，目前，国内也有部分大学及机构开展无线消防管理系统研究，其中主要以GSM 和GPRS 等通信标准为主。2015年陕西省消防总队通过消火栓水压传感器等一系列传感器对数据进行检测，检测后数据通过采集模块，由通用分组无线服务技术(GPRS)发送至消防监测中心水压监测服务器。通过安全的边界接入平台将互联网采集的数据导入消防指挥专网，消防指挥专网的数据可以供消防以及公安其他警种共享。但是此系统仅仅做到了一些基础数据的采集、而且功耗大的问题一直没做出相应地优化，最终因功耗问题及实用性不强而没有得到大面积推广。近年来也有部分基于NB-IoT 的消火栓出现，博大光通物联科技有限公司作为极早一批意识到NB-IoT 商用价值及蓝海市场的企业在2017年秋季推出了基于NB-IOT 技术的智慧消防解决方案，但是目前还没有投入到实际当中。相比之前，不但解决了功耗过高的问题，而且数据传输速度也有了较大的提升。但是在功能方面还是只能简单的采集一些数据，并不能有效的解决上文提出的致命问题。因此，智能消防建设这条路还很有很长需要我们去探索和研究。

传统的消防检测、管理模式是通过大量的人力到火灾现场检测、传递重要信息，由于不了解火灾现场当前水源压力情况，不清楚消防设备具体的位置与占用情况。消防方案的初步制定也必须在到达现场后制定，这样在造成人力资源浪费的同时也极大的耽误了救援时间，火场如战场，每一秒都可能造成无法弥补的损失。而且消防设施的非法占用以及每段时间的维护与检修也存在着很多问题。本作品利用液体压力变送器实时监测消防管道的水压，利用GPS 模块消防设备进行了精准定位，利用自己搭建的数据库和后台对数据进行合理的储存和整合，有效的解决了上述的问题。让消防队员在接到报警的电话的时候就可以提前了解火灾现场的实际情况。做到有备无患。除了解情况以外，消防队员可以在到达现场后通过对设备唯一的二维码进行扫描，从而将占用设备的信息传输到每一位参与此次作战的消防员手中这样便可对作战地点的消防设施进行合理的分配和占用，可以大大节省作战时间，消除混乱的作战场面。本作品在日常消防设备的维护和检修中也可通过此套管理系统中的消防设备地图对需检修设备以及未检修设备进行标记，以便做到设备状态信息的实时性和漏检的问题。监控消防水源的损坏和盗用是通过利用水流量传感器实时监测管道流动情况而完成的，若水流变化异常，系统自动报警。终上所述，本作品可以有效的解决当前消防作战管理出现的一切问题，把火灾中的损失降到最低。

2 硬件设计

本文所设计的基于NB-IOT 智能消火栓检测及管理系统以STM32 单片机为智能终端，其中用到了水压传感器、水流量传感器、GPS 模块、蓝牙模块。这些传感器将采集到的数据发送到MCU 上进行数据的处理。本设备的工作电压不超过10v，且属于低功耗类型，又能够通过后台对设备的工作状态进行调整，所以无需市电供电，一节电池就能够使用1-2年。总体结构图如图1 所示。

2.1 水压检测装置

XGZP6161 型泵用压力变送器与MCU 连接图，采用平膜结构传感器芯体和专门定制的放大电路。供电电源：3.3-5.5VDC；量程：0-1Mpa；输出电压：0.5-4.5V；上电以后输出模拟量给MCU的PA1 引脚，然后经过AD 转换以及公式的计算以后变成压力值（单位Kpa）。此变送器经过线性修正和温度补偿，能有效抵制水锤效应，解决瞬间过压等问题。XGZP6161 型压力变送器还具有多样的输出形式和压力接口，在本系统中用来测量消火供水管道中的压力值，基于串口通信传输协议输给M5310，再由M5310 通过NB-IoT无线通信协议传输给数据处理终端。

2.2 水流量检测装置

YF-S20B 流量传感器，最低额定工作电压：5-24V，输出脉冲信号，精度（流量--脉冲输出）：1 ～30 L/min±5%以内。上电以后输出NPN 脉冲给MCU 的PA0 引脚，然后经过定时器的脉冲输入捕获以及公式的计算以后得到水流量值（单位：L/Min）主要由塑料阀体、水流转子组件和霍尔传感器组成。在本系统中用于检测消防管道的进水流量，当水通过水流转子组件时， 磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，反馈给主控制器。

2.3 GPS定位装置

图1：总体结构图

图2：微信小程序客户端图

图3：电脑端后台监控系统

GPS 模块NEEO-7N UBLOX 原理图如图1 所示，模块采用U-BLOX NEO-6M 模组，体积小巧，性能优异。除此之外，模块还增加了放大电路，有利于无源陶瓷天线快速搜星，模块兼容3.3V/5V电平，方便连接各种单片机系统（本系统使用STM32）。在本系统中通过NMEA-0183 协议采用ASCII 码来传递GPS 定位信息。

3 软件设计

（1）本系统采用I²C 总线协议，将采集到的水压值、水流量、光照等重要农场数据传送到主MCU，然后对数据进行进一步的分析和处理。

（2）通过NB-IOT 将处理好的数据发送到后台服务器，由服务器进行数据储存并且将数据传输到Web 服务器，通过Web 服务器与数据库之间的交互以及使用智能算法将数据返回到后台服务器，最终发送到手机小程序客户端。

（3）本系统使用双平台消防系统来保障系统的准确性、实时性。手机端采用微信小程序开发，同时配有电脑端后台监控系统保障了系统的完整运行。微信小程序的“轻量级开发模式”，使用户在体验同等功能的基础上，消耗最小的手机资源，并且微信小程序不需要安装，实现了“用完即走”的创新理念。

系统的实时检测数据主要由系统的硬件主控通过传感器采集相应数据，然后通过MCU 的Usart 3 与M5310 NB-IoT 进行通信，最终实现数据向OneNET 的上发。

系统中通过录入消防人员信息设置消防员权限每个得到身份认证的消防员都可以登录小程序完成消防作战任务，用完直接关掉小程序即可，不会占手机太大内存，真正做到高效快捷。由于消防设备数量多、分布广，极其不利于消防人员对其进行管理。为了解决这个问题并且提高消防管理工作的效率，因此本系统添加了消防指挥中心后台管理功能。这其中包括设备非法使用的监测及预警、数据处理及可视化、添加消防设备、消防设备的管理、消防人员的管理等功能页面。微信小程序客户端图和电脑端后台监控系统如图2、图3 所示。

4 总结

本文通过对国内当前落后的消火栓检测及管理模式的研究，了解到了当今消火栓记录数据不够准确、运用大量人力资源进行作业、无精准定位等，本设计针对这些问题提出了一款基于NB-IOT 的智能消火栓检测及管理系统。NB-IOT 具有设备多连入、低功耗、高覆盖的特点对本设计有着非常重要的作用，是本系统的技术中心。OneNet 云平台作为数据的传输中转站，稳定性高，具有很高的安全性，保障了设备的信息储存。微信小程序，作为当今热门的技术，使用微信小程序简单方便。GPS 定位，这一技术解决了消防作战中，消防设备被遮挡影响救援的隐患。蓝牙技术，现在的数据烧录大多都是有线的，当设备深埋地下时，数据的调试会受到很大限制，使用蓝牙实现了无线数据烧录，减小了损失，提高了效率。