侯其立,倪 衛(wèi),葉凱音,汪 洋
(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽省公共安全應(yīng)急信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥230088;2.中電博微(安徽)物聯(lián)科技有限公司,合肥230088)
火災(zāi)是發(fā)生頻率最高、對(duì)社會(huì)危害最大的社會(huì)災(zāi)害之一。在眾多火災(zāi)事故原因中,火情不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、消防設(shè)施存在故障不能正常發(fā)揮作用,是延誤撲救、造成損失的重要原因[1]。解決該問題的根本方法是實(shí)時(shí)監(jiān)控各消防設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)前,建筑物內(nèi)一般都已配備消防設(shè)施,如火災(zāi)報(bào)警控制器、煙感、溫感、手報(bào)等,但是多數(shù)處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)[2],消防設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)未能傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,無法統(tǒng)一監(jiān)控。
對(duì)消防設(shè)施的監(jiān)控,首先應(yīng)完成對(duì)火災(zāi)報(bào)警控制器的監(jiān)控。通過對(duì)火災(zāi)報(bào)警控制器的數(shù)據(jù)采集,可以獲取到即時(shí)報(bào)警信號(hào),例如火警、故障、設(shè)備啟停等信號(hào)。而市面上火災(zāi)報(bào)警控制器種類繁多,數(shù)據(jù)交互接口無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),這就要求采集終端具備多接口、兼容多協(xié)議。
另外,對(duì)火災(zāi)報(bào)警控制器的監(jiān)控,主要獲取的是消防設(shè)施的報(bào)警信號(hào),若需進(jìn)一步監(jiān)測(cè)消防設(shè)施運(yùn)行的具體數(shù)值,例如管網(wǎng)壓力值、水箱液位值、設(shè)備運(yùn)行電流值、門禁信號(hào)等,則需要使用額外的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行采集。但這些設(shè)施安裝場(chǎng)景、設(shè)施屬性、運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化情況、監(jiān)控實(shí)時(shí)性要求等均不相同,且設(shè)置分散、建設(shè)初期未考慮接入網(wǎng)絡(luò)[3],對(duì)監(jiān)控造成難度。
隨著科技的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于智慧消防,并已成為消防建設(shè)行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)[4-7]。為此,針對(duì)上述問題,本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),研制了多接口協(xié)議的信息傳輸設(shè)備、基于4G 通訊和基于NB-IoT 通訊的消防物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),完成對(duì)建筑物內(nèi)各消防設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。
信息傳輸設(shè)備用來采集傳輸火災(zāi)報(bào)警控制器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)以STM32F405 芯片為核心,整個(gè)系統(tǒng)的硬件功能框圖如圖1所示,系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、聲光提示、調(diào)試、存儲(chǔ)等模塊[8]。
圖1 信息傳輸設(shè)備系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Function block diagram of information transmission equipment
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集接口包括TTL 電平串口、RS232 接口、RS485 接口、CAN 接口以及并口,以兼容市面上品類繁多的火災(zāi)報(bào)警控制器;在對(duì)火災(zāi)報(bào)警控制器數(shù)據(jù)采集完畢后,系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸接口包括4G 傳輸、以太網(wǎng)傳輸、RS485 傳輸和RS232 傳輸。4G 模組為即插即用式設(shè)計(jì),在需要使用時(shí),才插入該模塊,以減少設(shè)備不必要的成本。
4G 傳輸和以太網(wǎng)傳輸方式用以將數(shù)據(jù)直接傳送至監(jiān)控中心,且4G 傳輸方式用以難于布線或安裝地點(diǎn)無以太網(wǎng)接口的場(chǎng)合;若安裝地點(diǎn)具備以太網(wǎng)接口,則可以使用以太網(wǎng)方式傳輸;同時(shí),以太網(wǎng)傳輸方式還適用于禁止設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)、只能本地部署監(jiān)控中心的場(chǎng)所,例如安全要求等級(jí)高的涉密場(chǎng)所。
RS485 和RS232 方式的數(shù)據(jù)傳輸,主要用于設(shè)備間的自組網(wǎng),例如使用該類接口將數(shù)據(jù)傳送至具有聯(lián)網(wǎng)通信功能的上級(jí)網(wǎng)關(guān),進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心;該類接口也可將數(shù)據(jù)傳輸至圖形顯示裝置進(jìn)行本地顯示。
系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了聲光提示模塊(指示燈和蜂鳴器)、系統(tǒng)設(shè)置模塊(功能撥碼和調(diào)試串口)、存儲(chǔ)模塊。功能撥碼可以將設(shè)備設(shè)置成為正常監(jiān)控、仿真、調(diào)試等模式,同時(shí)設(shè)置在局域網(wǎng)通訊時(shí)的本機(jī)地址;通過調(diào)試串口,可以對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行配置,也可查看設(shè)備運(yùn)行日志;外擴(kuò)的I2C 存儲(chǔ)器,可以實(shí)時(shí)保存火災(zāi)報(bào)警控制器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。
基于4G 的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),主要用來采集對(duì)實(shí)時(shí)性有較高要求的消防設(shè)施數(shù)據(jù),例如消防設(shè)施的供電電壓信號(hào)、設(shè)備啟停時(shí)的電流信號(hào)、設(shè)備漏電電流信號(hào)、泵房管網(wǎng)處的水壓信號(hào)等。系統(tǒng)以STM32F103芯片為核心,硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)2 類信號(hào)量采集:4~20 mA 模擬量信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)[9]。4~20 mA 模擬量信號(hào),為工業(yè)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào),如壓力傳感器、液位傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等;開關(guān)量信號(hào)包括門磁開關(guān)、啟停開關(guān)、手自動(dòng)開關(guān)等。
圖2 基于4G 的消防物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能框圖Fig.2 Function block diagram of IoT gateway based on 4G
數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)了4G 通訊、LoRa 通訊及RS485通訊。4G 通訊模塊和LoRa 通訊模塊,均即插即用設(shè)計(jì),在需要使用該模塊時(shí),才插入該模塊,以節(jié)約系統(tǒng)成本。
4G 通訊方式可將數(shù)據(jù)直接傳輸至監(jiān)控中心;而LoRa 通訊和RS485 通訊方式主要用于局域組網(wǎng),對(duì)于無4G 信號(hào)的安裝地點(diǎn),如地下室,可通過LoRa 或RS485 通訊的方式,將數(shù)據(jù)傳輸至具有4G通訊功能的上級(jí)網(wǎng)關(guān),由上級(jí)網(wǎng)關(guān)傳輸至監(jiān)控中心。
系統(tǒng)還設(shè)計(jì)聲光提示、功能撥碼以及調(diào)試串口模塊,模塊功能與信息傳輸設(shè)備中的相應(yīng)模塊功能類似。
消防設(shè)施中,有些設(shè)施數(shù)據(jù)一般不會(huì)發(fā)生突變或變化較為緩慢,例如樓頂消防水池的液位、樓層管網(wǎng)末端的水壓等,無需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集;同時(shí)所在位置取電、布線較為困難,為方便施工,要求采集終端能夠自行供電。為此,設(shè)計(jì)了基于NB-IoT通訊的消防物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),系統(tǒng)以STM8L052 芯片為核心,采用2 節(jié)3.6 V 鋰電池供電,系統(tǒng)硬件功能框圖如圖3所示。
圖3 基于NB-IoT 的消防物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能框圖Fig.3 Function block diagram of IoT gateway based on NB-IoT
系統(tǒng)將采集通道縮減至2 通道模擬量和2 通道開關(guān)量,這已基本滿足上述場(chǎng)景的測(cè)量需求;在傳輸方式上,設(shè)計(jì)NB-IoT 通訊方式,其具有的低功耗、廣覆蓋等優(yōu)點(diǎn)[10],非常適合電池供電場(chǎng)景下的小量數(shù)據(jù)傳輸。
系統(tǒng)一般情況下處于休眠模式,以降低功耗,延長(zhǎng)電池使用壽命。使用周期性喚醒的方式,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性采集。為提高數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性,可以縮短采集周期,但這也加大了系統(tǒng)功耗。一個(gè)可行的辦法是,使用配套的開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行輔助監(jiān)測(cè)。例如,在監(jiān)測(cè)水池液位時(shí),同時(shí)增加一液位開關(guān)傳感器,當(dāng)液位低于特定值時(shí),液位開關(guān)傳感器動(dòng)作,通過GPIO 中斷方式可將CPU 從休眠模式中即時(shí)喚醒,進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,在保證系統(tǒng)功耗需求的同時(shí),也提高了監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。
對(duì)建筑物內(nèi)各消防設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,有利于對(duì)火情的及時(shí)獲取、隱患的及時(shí)排查。本文設(shè)計(jì)的多接口協(xié)議信息傳輸裝置、基于4G 通訊和NB-IoT 通訊的消防物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),從不同的監(jiān)控對(duì)象、應(yīng)用場(chǎng)景、監(jiān)控需求角度出發(fā),完成對(duì)建筑物內(nèi)各類消防設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。目前,整套系統(tǒng)已投入項(xiàng)目使用,應(yīng)用效果良好。