S18基于物联网的消火栓监控系统实现

基于物联网的消火栓监控系统实现黄凯宁1徐洪福2（1．深圳水务集团开天源公司,深圳518000，2．深圳市水务（集团）有限公司，深圳518000）摘要：消火栓是消防给水的重要设施，存在点多、面广、维护复杂等问题。基于物联网的消火栓监控系统，采用物联网技术架构，核心部分包括感知层智能监控模块、网络层低功耗通信模式、应用层监控系统和智能巡检APP，可实现消火栓位置、水压、状态信息的实时感知，数据信息的多角度分析和展示。该系统已应用在深圳市盐田区、光明新区、宝安区以及湖南省衡阳市的消防管理系统。经过近两年的实际应用表明，该系统降低了消防巡查的工作量，提升了消火栓的监控管理能力。关键词：消防；物联网；消火栓；智慧消防；智能巡检ImplementationofFireHydrantMonitoringSystemBasedOnIOTHuangKaiNing1XuHongFu2(1.SHENZHENKITEWAYAUTOMATIONENGINEERINGCO,.LTD,SHENZHEN5180002.SHENZHENWATER(GROUP)CO,.LTD,SHENZHEN518030)Abstract：Firehydrantisanimportantfacilityforfirewatersupply,therearesomedeficienciesinfirehydrantmaintenancecauesdbyitslargerquantityandwidedistributed.WedesignedafirehydrantmonitorsystemwhichbasedonIOTtoimprovethesedeficiencies.Thecoreofthissystemincludesperceptionlayerapplicationoftheintellengentmonitoringmodule,lowpowercommunitcationmoduleandintellengentpatrolAPP.Thissystemperception,displayandmulti-angleanalysepositon,waterpressureandotherinformationoffirehydranttimely.ThesystemhasbeenusedinfirecontrolofYantianDistrict,GuangmingNewDistrict,BaoanDistrictofShenzhenandHengyangcityofhunanprovince.Theactualapplicationinthelasttwoyearsshowsthatthesystemreducestheworkloadoffireinspection,andimprovesthemonitoringandmanagementabilityoffirehydrants.Keywords：Firecontrol;Internetofthings;Firehydrant;Intelligentfireprotection;IntelligentInspection引言据统计，2015年全国共发生火灾31.2万起，造成2647人伤亡，1582人死亡，直接经济损失37.2亿元。在扑救成功的火灾案例中，93%的火场消防给水条件较好，水量、水压有保障；而在扑救失利的火灾案例中，81.5%的火场消防供水不足，许多大火失去控制，造成严重后果[1]。由此可见，市政消火栓是灭火救援工作不可或缺的专用设施，对于预防火灾事故，减轻火灾危害具有十分重要的作用。但消火栓存在数量多、完好率低、易破坏管理复杂、压力不足等多种问题，导致灭火救援时缺少可用消火栓，造成小火变大灾的惨剧。因此，急需一种高效、便捷、可实时掌握消火栓状态信息的采集感知技术，以实现对消火栓的统一动态管理。11物联网消防应用概述物联网是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的网络结构一般分为三层一是传感网络，即以RFID、传感器、二维码等为主，实现“物”的识别；二是传输网络，即通过现有网络（互联网、广电网、通信网等），实现数据的传输；三是应用网络，即输入输出控制终端，实现人与物、人与人之间的信息交互[2-3]。在消防领域，物联网的建设与应用将成为提升消防监管水平和提高消防处置能力的重要手段，能够促进我国消防事业的全面发展。本文主要阐述一款以物联网技术为基础开发的通用消火栓智能监控模块，搭配统一的智能消火栓监控管理系统及智能巡检APP，能够精确掌握消火栓位置、压力、状态等关键数据，实时传递到消防信息中心，实现消火栓的智能化管理，为灭火救援行动的开展提供可靠信息，，使消防部队能够快速制定有针对性的消防供水方案，同时提升市政消火栓的智能化管理水平。2消火栓监控系统的物联网架构2.1系统架构基于物联网的消火栓感知系统融合了RFID、传感器技术和全球定位系统等物联网技术[4-5]，系统整体设计上采用物联网的三层架构形式，由感知层、网络层、应用层组成，系统总体架构框如图1所示。2公共技术感知层网络层应用层撞倒、流量传感器供水管网水压传感器手持终端卫星定位RFID标签GPRS、GSM、消防专用网络（局域网）消防信息中心监测分析决策基于物联网的消火栓感知系统管理平台智能消火栓监控管理系统水务信息中心供水管网管理系统消火栓智能巡检APP图1基于物联网的消火栓感知系统框架图2.2感知层设计感知层由一款集成RFID技术、传感器技术、GPRS通讯技术开发的智能监控模块构成，如图2所示。该监控模块可实现对消火栓状态信息（位置、偷水、撞倒、水压、电压、用水量）的实时采集；传感器系统作为消火栓数据采集的核心设备安装在监测模块轴心处，包括微型磁开关传感器、防盗传感器、防撞传感器和压力传感器。通过模数转换模块将各种传感器的输出信息转换成数字量传送至服务器，从而实现消火栓信息的实时采集。微型磁开关传感器用于检测消火栓阀门开度状态，通过控制器的计数功能记录消火栓的开度。新安装时，为确认阀门处于全关位，当检测到全关状态时，开关计数由1变为0，通过蜂鸣器鸣叫告知安装人员。防撞倒设计采用滚珠式振动开关传感器，传感器通过滤波电路，将检测信号传递给控制模块。配置防撞传感器，当被撞倒后，进行外部中断触发，单片机进行处理，判断是否为撞倒信号，再向服务器发送数据；智能监控模块内置压力变送器实时监控管网内压力信号、智能分析判断漏水情况、缺水情况，并根据实际情况产生相应的报警信号。控制模块通过单片机实现对终端系统各项采集通讯的控制。主要功能包含消火栓阀门开关状态、阀门开度大小，预留二路开关量等数据的采集、运算、判断和控制，并通过串口控制通信模块(GPRS模块)传送信号至监控中心。RFID接收器主要用于维修管理人员对消火栓的管理和维护。通过在嵌入式主板集成RFID识别器，为每个维修管理人员配备相应的IC卡，可以快速判断消火栓的开闭是否属正常维护。身份识别器读取IC卡中的信息，并将信息通过无线网络传送至监控中心，监控3中心对收到的信息进行核对，如果身份信息正确，则默认为处在维护状态；如果身份信息有误，则将报警信号发送至服务器，提醒监控人员前去处理。图2消火栓智能监控模块设计图2.3网络层设计网络层的主要作用是实现感知层和应用层之间的数据通信，因市政消火栓主要分布在市政街道的两旁，节点众多，网络传输层主要由无线网络构成，输出模块采用工业级无线通信模块GPRS，支持GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz四个频段，可通过AT命令控制和操作外部电路（如调节输出电压给外部电路）。该模块主要优点在于超小体积、超低功耗、适应高温高湿、电磁干扰等恶劣的工作环境，可实现消火栓数据信息的可靠、广泛传输。系统中GPRS在接收到来自远程服务器的传送数据指令后，进行对时操作，然后将采集缓冲区的数据封装到通信结构体中，当数据准备就绪后，调用AT数据发送的控制命令将数据发送到具有公网IP的远端服务器，从而实现数据的远端传输。2.4应用层设计基于物联网消火栓感知系统的应用层是将通过GPRS网络上传的数据进行存储和显示，系统软件配置方案基于windows操作系统，通过面向对象的可视化开发平台，利用开发接口与协议连接大型关系型数据平台和GIS平台，客户端支持windowsXP、Win8、Win10的各种版本，开发环境选择c#开发语言，系统数据库采用SQLServer。该消火栓感知系统的应用层主要分为智能消火栓监控管理系统与消火栓智能巡检APP两部分。智能消火栓监控管理系统功能主要围绕消火栓及档案、运维、使用、指挥作业等过程中对物、人的动态管理。消火栓智能巡检APP主要展示消火栓实时状态和位置信息，并根据实际需求实现信息化调度、实时监控、目的地导航等功能。4应用层还包括通用的监控服务（采用TCP/IP协议）和信息管理服务。监控服务主要用来接收智能监测模块的通信，将分析状态数据存储至服务器数据库，采用多线程（可并发处理消火栓终端通信)模式监控消火栓状态。信息管理服务基于三层（表示层、逻辑层和数据层）架构设计，具有良好的实用性及扩展性。信息管理服务包括：系统管理、数据管理维护管理和GIS地图等功能模块，实现消火栓状态实时监控、数据查询/分析/统计、信息抄送/反馈、地理位置信息采集、发布报警、维护计划等功能。对于工作异常的消火栓具有短信报警和平台报警两种方式，系统可靠性、兼容性、交互性和扩展性良好。3.消火栓监控系统的终端应用3.1智能消火栓监控管理系统智能消火栓监控管理系统的主要功能如图3所示。图3智能消火栓监控管理系统软件功能结构图3.1.1系统管理系统管理主要提供权限控制、日志管理和公告管理。系统提供完备的安全机制。除了利用操作系统和数据库自身的权限控制，防止对数据的非法访问外，系统自身也提供对使用者操作权限的控制机制，要求能够控制到每一个菜单项。在本系统中，将安全及权限管理进行系统抽象，设计了一套安全管理的基本框架，其体系结构如图4所示。5图4权限分配控制体系3.1.2维护管理消火栓运维作业的过程从任务来源、任务形成、任务分派、处理、完成到审核，通过系统维护管理功能完成闭环管理过程。也为消火栓的监督巡查提供了管理基础和数字依据。3.1.3图形管理系统可对不同的消防部件按图层进行划分和管理，通过界面上图层开关控制图层在电子地图上的显示和隐藏。系统支持百度与GIS地图两种查看方式，便于快速浏览所需地图在地图上点击某设备，可以显示设备运行状态信息与相关属性信息，也可跳转到设备运行数据界面或属性编辑界面。用户可在地图界面拉框（矩形、圆形、多边形、自定义）选择某区域设备，为用户提供个性化的使用体验。3.1.4统计分析系统可将消火栓运维数据信息分类，可以设定分类标准，将消火栓正常和运行异常的设备区分出来，便于维护人员及时检修，避免火灾发生时消防水源无法使用情况发生。另外，依据某路段和某管网的情况，可对某消火栓的历史情况进行查询、统计和分析，亦可对某路段、某区域内、某管网的多个消火栓状态及管网压力查找和分析，并以报表、曲线等方式进行展示。系统可根据消防部门、水务部门的不同需求定期生成工作台帐，便于内部管理和外部消防部门、水务部门进行工作确认。3.1.4数据管理系统具备多样的数据管理、维护、更新等手段，保证系统建立以后能够方便进行数据处理，提供了丰富的数据输入、输出、检查和维护功能。可以添加、删除、修改消火栓的相关信息，编辑完的信息确认完成后，即时在地图上刷新显示。系统允许授权特定用户修改消火栓的数据结构，对数据的错误进行检查与自动校正，保证数据的完整性。3.1.5动态监控动态监控功能是通过在消火栓盖帽中安装智能监控模块对消火栓的实时状态进行监测，当消火栓存在偷水、撞倒、水压异常、电压不足等异常状态时，系统可获取实时数据，并