劉良旭 鄭義恒

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于公路隧道消防管網(wǎng)的水壓遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對隧道消防栓水壓的測量、遠(yuǎn)程監(jiān)測及水壓異常預(yù)警。系統(tǒng)包括傳感層、傳輸層和應(yīng)用層，即終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、傳輸模塊和服務(wù)端軟件平臺。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)測量準(zhǔn)確，響應(yīng)及時(shí)，能為隧道消防安全提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：隧道;消防;水壓檢測;遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號：U459.2A331185

0 引言

到2020年，我們國家公路的總長度高達(dá)500萬km，其中包含的隧道長度將近2 000 km[1]。為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，高速公路里程和隧道里程還會呈現(xiàn)逐年增長的情況。由此帶來了一個(gè)較大的問題，即發(fā)生在公路隧道內(nèi)的火災(zāi)事故也越來越多。根據(jù)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)與車流量及隧道里程的關(guān)系為：10～17次/（億車·km），如此規(guī)模的火災(zāi)事故帶來了較大規(guī)模的車輛損壞和駕乘人員傷亡事故，從而帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。在隧道火災(zāi)發(fā)生的初期，鋪設(shè)在隧道內(nèi)的消防管道成為火情控制的第一道防線。因此，消防管道的水壓是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，成為火災(zāi)發(fā)生時(shí)能否在第一時(shí)間控制火情的重要條件之一。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一套公路隧道消防管網(wǎng)水壓遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

本方案總體系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。設(shè)計(jì)分為四個(gè)層級，包括最底層水壓監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理服務(wù)器后臺和應(yīng)用層軟件平臺。

感知層水壓監(jiān)測終端由消防管網(wǎng)水壓檢測、傳送智能控制模塊及水壓傳感器組成，傳感器檢測每個(gè)節(jié)點(diǎn)水壓是否正常，智能模塊由LORA網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，最終將數(shù)據(jù)匯總于匯聚節(jié)點(diǎn)[3]。

匯聚節(jié)點(diǎn)將測得的水壓數(shù)據(jù)通過4 G網(wǎng)絡(luò)或者有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺服務(wù)器。

服務(wù)器可部署在道路監(jiān)控部門的機(jī)房，也可部署在云端。后臺的數(shù)據(jù)庫存儲各個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)和前端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。管理人員既能通過登錄網(wǎng)頁進(jìn)行管理，也可利用APP進(jìn)行各項(xiàng)操作。

2 智能水壓采集終端設(shè)計(jì)

智能水壓采集終端組成如圖2所示，包括水壓傳感器、處理電路、單片機(jī)、Lora模塊。

2.1 水壓傳感器

按照規(guī)范，隧道消防栓的栓口的壓力必須處于0.4～1.0 MPa之間，經(jīng)過減壓穩(wěn)壓消防栓減弱之后，栓口的壓力下降到0.25～0.3 MPa范圍，相當(dāng)于25～30 m的水柱壓力[4]。因此，水壓檢測采用SP-350-A型傳感器，外觀如圖3所示。

這種傳感器為工業(yè)級精度，能穩(wěn)定可靠地輸出電流信號。精度等級為0.2%，量程范圍0～2 MPa。傳感器的供電方式為3.3 VDC，采樣輸出信號為0～3 V的電壓，防護(hù)等級IP65，工作電流為70 μA。此傳感器輸出的信號最終在單片機(jī)內(nèi)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，從而得到準(zhǔn)確的水壓值。

2.2 單片機(jī)

系統(tǒng)采用低功耗的MSP430F133單片機(jī)，該芯片供電電壓為范圍為1.8～3.6 V，最顯著的特點(diǎn)就是它的低功耗性能，備用狀態(tài)下電流可低至1.6 μa，內(nèi)置12位AD轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)水壓信號的讀取，包含USART可完成LORA模塊的數(shù)據(jù)通訊。2個(gè)16 bit計(jì)時(shí)器。主頻8 Mhz完全滿足此應(yīng)用的需求。

2.3 LORA模塊

為了將各個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線傳感網(wǎng)，選用LORA模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的組網(wǎng)及傳輸，型號為E22330T30Z。該模塊的核心器件是SEMTECH公司SX1262射頻芯片。其實(shí)質(zhì)是一個(gè)無線UART模塊，可設(shè)置為多種傳輸方式，采用基于LoRa協(xié)議的擴(kuò)頻通信技術(shù)，工作頻段為220.125～236.125 MHz。該模塊采樣TTL電平輸出，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能兼容3.3 V或者5 V單片機(jī)的IO電壓。休眠電流為2 μa，發(fā)送數(shù)據(jù)為530 ma。該模塊具有傳輸距離遠(yuǎn)、速更快、功耗低、體積小的特點(diǎn)。支持空中喚醒、無線配置、載波監(jiān)聽、自動中繼、通信密鑰等功能，支持分包長度設(shè)定，可提供定制開發(fā)服務(wù)。

在中繼組網(wǎng)的形式下，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。中繼組網(wǎng)如圖4所示。

模塊與單片機(jī)的連接如圖5所示。圖中，M1M0為模塊的工作模式選擇端口，兩者的電平組合可以選擇4種不同的工作模式，需要指出的是這兩個(gè)引腳不能懸空。RXD、TXD作為TTL串口與單片機(jī)交換數(shù)據(jù)。AUX用于指示模塊當(dāng)前的工作狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)可以用于觸發(fā)單片機(jī)，上電自檢初始化期間輸出低電平。VCC供電范圍為3.3～5.5 V。ANT引腳為天線接口，匹配50歐天線。

所有數(shù)據(jù)采集終端的信號匯聚到主節(jié)點(diǎn)之后再通過4 G模塊將底層數(shù)據(jù)傳回后臺服務(wù)器。本設(shè)計(jì)選用E840-TTL-4G05，它是一款能在多個(gè)頻段工作的分集接收模塊。模塊可利用AT指令進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，即可快速地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)串口與公網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)交互。

2.4 電池選取

為了減少維護(hù)的頻率，在電池供電的前提下，本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定工作的時(shí)間越長越好。要滿足這個(gè)要求，就必須采取措施讓它盡可能地在低功耗的模式工作。對本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的功耗分析如下：

數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)每10 min被喚醒一次采集消防栓水壓及電源電壓，如果正常就再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，如果水壓過低或者電源電壓過低就啟動一次LORA傳輸報(bào)警數(shù)據(jù)，完成之后返回休眠模式。在此情況下，數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)每10 min的流耗約為：傳感器流耗+MSP430單片機(jī)休眠的流耗+LORA休眠流耗。

需要發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)情況下數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)每10 min的流耗為：傳感器流耗+MSP430單片機(jī)休眠的流耗+LORA休眠流耗+LORA發(fā)送一次數(shù)據(jù)的流耗。

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊可得：

正常情況下流耗為：70 μA+1.6 μA+2 μA=73.6 μA。

節(jié)點(diǎn)由兩節(jié)號干電池供電，提供的電量大約為1 450 mAh，由此可以計(jì)算節(jié)點(diǎn)理論上的工作時(shí)間如式（1）：

1 450 mAh/（73.6 μA*6）≈3 284 h≈136 d（1）

如果在需要發(fā)送報(bào)警信號的情況下，工作時(shí)間會縮短。后臺收到節(jié)點(diǎn)電壓過低數(shù)據(jù)之后會提示工作人員更換電池。

由此可知，數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)在采用兩節(jié)干電池供電時(shí)，如果以每10 min喚醒一次采集數(shù)據(jù)之后又快速進(jìn)入休眠這樣的模式工作，理論上工作時(shí)間可長達(dá)136 d，這完全能滿足節(jié)點(diǎn)在隧道環(huán)境下連續(xù)長時(shí)間不間斷工作的需求。

3 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過底層的數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)，定時(shí)喚醒公路隧道內(nèi)消防栓水壓進(jìn)行采用監(jiān)測，同時(shí)也測量給模塊供電的電池電壓。如果測量發(fā)現(xiàn)消防栓水壓過低或者電池電壓低于安全的情況，最終會通過公網(wǎng)將信息發(fā)送至平臺，并向工作人員發(fā)出告警提示，提醒工作人員及時(shí)對指定位置的消防栓進(jìn)行檢查維修。終端節(jié)點(diǎn)主程序及中斷程序流程圖如圖6所示。

設(shè)備上電后，單片機(jī)首先給存儲器設(shè)置初始值，并對AD、串口及中斷系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，并加載驅(qū)動。然后會完成網(wǎng)絡(luò)的注冊連接，確保板子已經(jīng)接入4 G網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸方式為透模式。網(wǎng)絡(luò)連接建立成功之后，單片機(jī)會定時(shí)通過AD接口讀取消防栓水壓數(shù)據(jù)及電池電壓數(shù)據(jù)。當(dāng)測量的水壓或者系統(tǒng)的供電電壓偏離預(yù)置的數(shù)值范圍時(shí)會啟動報(bào)警流程，將異常情況發(fā)送至后臺數(shù)據(jù)庫。水壓或電池電壓正常時(shí)，出于節(jié)能考慮可不發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)備利用MSP430單片機(jī)低功耗特點(diǎn)，通過相應(yīng)設(shè)置可使其在數(shù)據(jù)傳輸完成之后開啟休眠模式，每過一段時(shí)間又自我喚醒進(jìn)行下一次測量。休眠時(shí)間的長短可根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況調(diào)整，默認(rèn)值為10 min[5]。

4 平臺功能介紹

公路隧道消防管網(wǎng)水壓遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)后臺的功能包括基本數(shù)據(jù)模塊和監(jiān)測信息模塊兩大部分。其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊包括系統(tǒng)配置、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。監(jiān)測信息模塊包含終端監(jiān)測、水壓監(jiān)測、報(bào)警處理，其構(gòu)成如圖8所示。各系統(tǒng)模塊功能詳述如下：

（1）系統(tǒng)配置：設(shè)置本系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：隧道位置、區(qū)域編號、消防栓布置、終端ID等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完成每天的數(shù)據(jù)存儲以及異常告警提示的基本對象數(shù)據(jù)的管理。

（3）終端監(jiān)測：對指定消防栓ID、當(dāng)前線上消防栓列表進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，可同時(shí)查看多個(gè)通道的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

（4）水壓測量：測量當(dāng)前在線消防栓的水壓是否正常。

（5）告警處置：包括對終端節(jié)點(diǎn)掉線、消防水壓異常和電路板供電電壓過低的狀況進(jìn)行報(bào)警信息的記錄、反查、響應(yīng)和數(shù)據(jù)分析等[6]。

通過以上功能的部署，可以實(shí)現(xiàn)對指定區(qū)域內(nèi)的隧道消防栓水壓及終端模塊電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的，可從隧道延伸至路網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對道路消防系統(tǒng)的宏觀管理。通過對報(bào)警記錄進(jìn)行查詢與處理，可以了解相關(guān)隧道消防栓的報(bào)警及其排除情況。同時(shí)可對排除故障的進(jìn)度進(jìn)行全程跟蹤與監(jiān)管。此外，系統(tǒng)還實(shí)時(shí)提供報(bào)警情況，以便進(jìn)行快捷處理。最后，系統(tǒng)可以對一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)隧道消防栓的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析，從而為隧道內(nèi)消防栓的設(shè)置、維護(hù)管理、運(yùn)行狀況等提供參考依據(jù)。

5 結(jié)語

在我國公路里程不斷增長的情況下，需要管理的隧道也越來越多。隧道的消防安全，也應(yīng)越來越被重視。本公路隧道消防系統(tǒng)水壓遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對消防管網(wǎng)水壓的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，提早發(fā)現(xiàn)隱患，保證消防管網(wǎng)的正常工作。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)測量準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸安全可靠，對故障點(diǎn)能及時(shí)預(yù)警。本系統(tǒng)將為隧道消防安全提供強(qiáng)有力的監(jiān)察措施和技術(shù)支持。

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收稿日期：2020-04-09