北斗智能消防栓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉西閣

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，江蘇常州，213164）

消防栓是城市建設(shè)的基礎(chǔ)性設(shè)施，在控制火災(zāi)和保障人們生命財(cái)產(chǎn)安全方面意義重大。傳統(tǒng)消防栓主要功能是供消防車(chē)從市政給水管網(wǎng)或室外消防給水管網(wǎng)取水實(shí)施滅火，也可以直接連接水帶、水槍出水滅火。然而在實(shí)際的應(yīng)用中，由于人們的消防安全意識(shí)淡薄，消防栓被損壞或者圈占的現(xiàn)象特別嚴(yán)重，另外部分消防栓長(zhǎng)時(shí)間不用，會(huì)出現(xiàn)漏水、偷水、違規(guī)用水等現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)供水壓力不足，延誤滅火最佳時(shí)間。

針對(duì)這些問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)的研究主要集中在將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到消防栓上，實(shí)現(xiàn)城市智能消防栓的統(tǒng)一監(jiān)控管理[1~3]，另外對(duì)于終端上管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和操作也有相關(guān)的研究[4~6]。為了進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)常見(jiàn)的智能消防栓系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了一種北斗智能消防栓系統(tǒng)，在應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能消防栓基礎(chǔ)上增加北斗高精度定位模塊，結(jié)合消防栓水壓水流數(shù)據(jù)，能夠使消防員及時(shí)跳過(guò)異常的消防栓，快速尋找到可用消防栓，節(jié)約救援時(shí)間，提高救火效率，減小火災(zāi)給人們帶來(lái)的損失。

1 系統(tǒng)組成

基于北斗的智能消防栓系統(tǒng)主要由北斗定位消防栓監(jiān)控終端、消防員專用APP、消防中心專用監(jiān)控平臺(tái)組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。

北斗定位消防栓監(jiān)控終端是在傳統(tǒng)消防栓上進(jìn)行智能化改造，增加主控模塊、北斗定位模塊、GPRS模塊和各類(lèi)狀態(tài)采集傳感器，主要負(fù)責(zé)采集消防栓相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)并通過(guò)Internet互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控平臺(tái)，方便管理人員及時(shí)做出決策。

消防員專用APP用于幫助消防員快速找到消防栓，并跳過(guò)異常不能用的消防栓，提高救援效率。具體功能包括著火區(qū)域應(yīng)急報(bào)警，著火區(qū)域位置信息，自動(dòng)匹配并分配距離最近，無(wú)損壞的消防栓，消防栓位置信息，消防栓線路導(dǎo)航信息，水壓水流異常自動(dòng)報(bào)警信息等。

消防中心監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)消防栓網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，功能上包含消防栓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理、日常維護(hù)管理、位置信息等幾部分。

2 消防栓終端

智能消防栓監(jiān)控終端分硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。

2.1 硬件組成

消防栓終端硬件的設(shè)計(jì)是在不改變消防栓外觀情況下，直接替換原有100mm出水口悶蓋。終端電路組成如圖2所示，主控模塊選用STM32F103芯片，同時(shí)擴(kuò)展北斗高精度定位電路、GPRS通信電路、傳感器采集電路、復(fù)位電路和電源電路等。

圖2 消防栓終端電路組成

STM32F103是增強(qiáng)型的32位基于ARM核心的微控制器，該控制器功耗較低，芯片資源豐富，擴(kuò)展性強(qiáng)。共有112個(gè)通用IO口、3個(gè)SPI、2個(gè)I2C、5個(gè)串口等多個(gè)通信接口，可以外接擴(kuò)展設(shè)備，符合本設(shè)計(jì)外接多個(gè)模塊的要求。

電源電路采用LM2596芯片,該芯片為德州儀器開(kāi)發(fā)的降壓型穩(wěn)壓芯片，輸出電壓有3.3V、5V、12V三種類(lèi)型，LM2596的封裝有5個(gè)引腳，使用時(shí)需要另外加散熱片[7]。

傳感器是消防栓數(shù)據(jù)采集的核心，具有水壓、偷水、漏水、被盜、撞倒等異常檢測(cè)功能。水壓檢測(cè)通過(guò)在主控單元上連接水壓傳感器，將被測(cè)水壓的壓力直接作用于傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與水壓成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)送變化，利用電子線路轉(zhuǎn)換輸出標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)，水壓傳感器連接STM32的PA1管腳；偷水、漏水通過(guò)檢測(cè)閥位的開(kāi)度大小實(shí)現(xiàn)，主控單元外接微動(dòng)傳感器來(lái)檢測(cè)閥位開(kāi)度大小，通過(guò)在消防栓轉(zhuǎn)軸外側(cè)每隔90度安裝一個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)開(kāi)度大小檢測(cè)；防被盜設(shè)計(jì)采用彈片式振動(dòng)開(kāi)關(guān)，當(dāng)消防栓被盜時(shí)，給出閉合開(kāi)關(guān)信號(hào)，主控單元判斷是否為被盜信號(hào)，傳感器連接STM32的PB12管腳；撞倒設(shè)計(jì)采用滾珠式振動(dòng)開(kāi)關(guān)傳感器，電路設(shè)計(jì)采用一階RC濾波電路去除噪聲，連接STM32的PB13管腳，將檢測(cè)信號(hào)傳給單片機(jī)，當(dāng)被撞倒后，外部中斷觸發(fā)，主控單元進(jìn)行信號(hào)識(shí)別檢測(cè)，數(shù)字濾波，繼而判定消防栓被撞倒[1、3]。

GPRS通信模塊采用合宙Air202型號(hào)，其為四頻段GSM/GPRS模塊，采用的是RDA8955平臺(tái)，內(nèi)置32Mb NorFlash和32Mb SRAM，有豐富的外圍接口，可支持最多16個(gè)GPIO，與微控制器STM32的串口1相連，利用GPRS模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)通信，將消防栓相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到監(jiān)控平臺(tái)。

北斗定位模塊采用ATK1218-BD型號(hào)，該模塊采用SkyTra公司的GPS+北斗雙模定位模塊，外接有源天線，30秒內(nèi)即可定位，同時(shí)模塊自帶后備電池，可保存星歷數(shù)據(jù)，掉電后半小時(shí)內(nèi)重新上電，可在幾秒內(nèi)定位。模塊支持串口通信方式，所以將該模塊直接和微控制器的串口2相連接，利用串口通信，將定位數(shù)據(jù)信息及時(shí)上傳至監(jiān)控平臺(tái)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

消防栓軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示，先將各模塊初始化，初始化后接收傳感器數(shù)據(jù)和定位信息，通過(guò)GPRS通訊方式發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后判斷傳感器數(shù)據(jù)是否有變化，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有變化時(shí)，終端進(jìn)入休眠狀態(tài)，以最大程序的省電，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，將接收到的定位信息一起傳送至監(jiān)控平臺(tái)并在平臺(tái)上顯示。

圖3 消防栓軟件設(shè)計(jì)流程

3 監(jiān)控平臺(tái)

監(jiān)控平臺(tái)分消防中心專用監(jiān)控平臺(tái)和消防員專用APP兩部分。專用監(jiān)控平臺(tái)主要是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，依照消防栓管理的業(yè)務(wù)流程和功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，方便工作人員在電腦終端上對(duì)消防栓信息進(jìn)行科學(xué)高效直觀的管理。數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容包含消防栓所有信息、自然水源信息、著火區(qū)域信息和地圖導(dǎo)航信息，工作人員可以在監(jiān)控平臺(tái)上進(jìn)行輸入、編輯、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等操作。

消防員專用APP是指安裝在消防員手機(jī)上的軟件，軟件功能主要分4大塊：消防栓信息、自然水源信息、著火區(qū)域信息和報(bào)警信息，具體的功能如圖4所示。該軟件為消防員實(shí)時(shí)查看消防栓信息和高效滅火提供了便利條件。

圖4 消防員專用APP功能

4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

在不改變消防栓外觀的情況下，直接替換原有100mm出水口悶蓋，如圖5所示。聯(lián)調(diào)過(guò)程中，設(shè)備能正常通過(guò)GPRS模塊將傳感器信息和定位數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心和APP，如圖6所示。

圖5 消防栓報(bào)警裝置安裝圖

圖6 消防栓在APP和監(jiān)控平臺(tái)的顯示界面

通過(guò)對(duì)著火區(qū)域設(shè)定，可以在消防管理中心快速查看到附近各消防大隊(duì)、消防中隊(duì)的管轄范圍。在管理平臺(tái)中，可以及時(shí)的查看到著火區(qū)域的著火區(qū)域的位置信息、有效消防栓布局、線路導(dǎo)航信息，自動(dòng)匹配并分配距離最近，無(wú)損壞的消防栓等功能。

在消防人員的專用APP端可以快速接收到著火區(qū)域的位置信息，查看到附近各消防大隊(duì)、消防中隊(duì)的管轄范圍，為消防救火聯(lián)動(dòng)起到相應(yīng)作用。還可以及時(shí)查看到消防栓位置信息、傳感器數(shù)據(jù)信息、地下管網(wǎng)信息、消防栓線路導(dǎo)航等功能，自動(dòng)匹配并分配距離最近，無(wú)損壞的消防栓等功能。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的北斗智能消防栓系統(tǒng),在智能消防栓基礎(chǔ)上擴(kuò)展北斗定位模塊，能在滅火的過(guò)程中方便消防員更快的找到最近可用的消防栓，并規(guī)劃導(dǎo)航路線，實(shí)時(shí)性良好,實(shí)現(xiàn)了消防栓應(yīng)急管理,滿足消防人員應(yīng)急救火的需求。