許 彬，吳有龍，牛 帥，方詠綺

（1.金陵科技學(xué)院，電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211169；2.金陵科技學(xué)院，智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，提升消防安全的需求變得愈加迫切。消防栓在消防安全中具有極其重要的作用，主要功能：為供消防人員取水實(shí)施滅火以及控制可燃物，隔絕助燃物等。目前消防栓的檢測(cè)依舊依靠消防檢測(cè)人員實(shí)地檢測(cè)并進(jìn)行逐一記錄。由于城市發(fā)展，消防范圍擴(kuò)大，管理人員有限，消防栓的管理變得愈加困難。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，一旦出現(xiàn)消防栓不能正常使用的情況，將導(dǎo)致消防工作無(wú)法順利開(kāi)展，從而使得消防員以及人民群眾的人身財(cái)產(chǎn)安全受到威脅。隨著“智慧城市”概念的提出[1]，讓消防栓的管理有了更多可能，將其智能化、自動(dòng)化、信息化，對(duì)消防栓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋信息，不僅提高了消防栓的管理效率，更使得消防工作更加可靠。

近幾年，國(guó)內(nèi)許多研究人員將消防栓與多種新興技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了諸多監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。張力等學(xué)者通過(guò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)了市政消防栓智能監(jiān)控系統(tǒng)[2]；曾晨軍等學(xué)者發(fā)明了一種消防栓漏水監(jiān)測(cè)裝置[3]；錢(qián)承山等學(xué)者基于NB-IoT設(shè)計(jì)了一款智能消防栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]；Wu Jinjin 等學(xué)者通過(guò)檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)了對(duì)消防系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)，以此提高滅火效率[5]。但在這些設(shè)計(jì)中依舊存在對(duì)消防栓監(jiān)測(cè)不全面以及僅針對(duì)一個(gè)場(chǎng)景的消防栓進(jìn)行監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一款多場(chǎng)景智能消防栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)搭建[6]，利用4G 數(shù)據(jù)通信，采用北斗定位與MQTT 協(xié)議[7-10]，加入多種傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最終通過(guò)可視化大屏展示給管理人員，進(jìn)一步提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，通用性，便于管理人員快速做出反應(yīng)，確保消防系統(tǒng)的正常運(yùn)行，進(jìn)一步保障人民群眾的人身財(cái)產(chǎn)安全。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一套可適用于多場(chǎng)景的智能消防栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)水壓、水位、溫濕度、經(jīng)緯度、傾斜度等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，將數(shù)據(jù)同步傳回服務(wù)器端，根據(jù)傳輸協(xié)議與規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和判別，實(shí)現(xiàn)對(duì)消防栓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。管理人員可通過(guò)后臺(tái)管理頁(yè)面快速查詢(xún)每個(gè)消防栓當(dāng)前設(shè)備的位置信息、狀態(tài)信息，并對(duì)異常情況做出決斷。同時(shí)會(huì)記錄設(shè)備每次更新修改的操作日志，并上傳至云端數(shù)據(jù)庫(kù)，方便日后可能的故障排查與復(fù)檢。此舉實(shí)現(xiàn)了消防栓的信息采集與高感度監(jiān)控預(yù)警，同時(shí)提升了人員應(yīng)急救援決策能力與設(shè)備的智能一體化程度。

系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.1 感知層

感知層在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，其一般由各類(lèi)傳感器、RFID 或二維條碼組成。系統(tǒng)感知層由水壓傳感器、慣性傳感器、超聲波測(cè)距模塊、溫濕度傳感器、北斗定位模塊、RFID 識(shí)別模塊等硬件構(gòu)成。通過(guò)多個(gè)終端完成對(duì)所需信息的采集工作。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中主要起著傳遞信息的作用。對(duì)比多種長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，4G 通信可滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，結(jié)合具有低帶寬、可拓展、易實(shí)現(xiàn)等特性的MQTT 協(xié)議構(gòu)成系統(tǒng)的信息傳輸模式，成本低，功耗低。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要完成數(shù)據(jù)處理工作。后臺(tái)管理頁(yè)面由SSM框架集與前端Vue 框架搭建而成，設(shè)計(jì)了包括數(shù)據(jù)顯示、北斗定位圖像、設(shè)備情況管理、操作日志記錄、數(shù)據(jù)大屏顯示等功能，較好實(shí)現(xiàn)了消防栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)預(yù)警功能。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

2.1 STM32 及硬件

多場(chǎng)景智能消防栓系統(tǒng)的硬件核心控制由基于STM32F407VET6 芯片的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板組成，其處理速度快，具有USART、ADC、I2C 等外設(shè)。部署了EC20 北斗/4G 模塊、MPU6050 慣性傳感器、水壓傳感器、DHT11 溫濕度傳感器、RFID 讀寫(xiě)卡模塊等，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)消防栓的安全狀況，及時(shí)預(yù)警異常信息。硬件連接如圖2 所示。

圖2 硬件連接圖

2.2 4G 數(shù)據(jù)通信

4G 技術(shù)可用寬頻信號(hào)高速傳輸圖像、語(yǔ)音等信息，相對(duì)于2G、3G 技術(shù)，4G 擁有更好的兼容性、更低的費(fèi)用和更快的傳輸速度。系統(tǒng)采用EC20 4G 通信模塊實(shí)現(xiàn)硬件開(kāi)發(fā)板和騰訊云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，EC20 模塊支持全網(wǎng)通，插入手機(jī)卡即可接入網(wǎng)絡(luò)，支持下行速率100 Mb/s 和上行速率50 Mb/s，將采集的數(shù)據(jù)以透?jìng)髂Ｊ桨l(fā)送到服務(wù)器，并在前端頁(yè)面顯示。

2.3 北斗設(shè)備定位

為實(shí)現(xiàn)消防栓設(shè)備的統(tǒng)一管控和事件及時(shí)處理，需要獲取設(shè)備的位置信息。采用的EC20 4G 模塊內(nèi)置多星座高精度定位接收器，連接ipex 天線(xiàn)可滿(mǎn)足不同環(huán)境下對(duì)快速、精準(zhǔn)定位的需求。STM32 控制器與EC20 模塊使用AT 指令獲取北斗定位信息，指令流程如圖3 所示。

圖3 指令流程

2.4 IoT Explorer

IoT Explorer 是騰訊云針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景打造的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以為用戶(hù)提供多語(yǔ)言SDK 與通信模組接入能力，提升設(shè)備上云效率。同時(shí)支持設(shè)備數(shù)據(jù)多級(jí)規(guī)則過(guò)濾與解析，可根據(jù)場(chǎng)景需求靈活定義設(shè)備告警規(guī)則，能夠提供高可靠的，大量實(shí)時(shí)消息處理能力，滿(mǎn)足對(duì)多個(gè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。

2.5 MQTT 協(xié)議

MQTT 協(xié)議全稱(chēng)為Message Queuing Telemetry Transport，譯為消息隊(duì)列傳輸探測(cè)，是在ISO 標(biāo)準(zhǔn)下的一種基于發(fā)布-訂閱模式的消息協(xié)議，由TCP/IP 協(xié)議發(fā)展演變得來(lái)，其工作原理如圖4 所示。MQTT 協(xié)議是一種輕量級(jí)二進(jìn)制協(xié)議，相較于HTTP 協(xié)議具有低開(kāi)銷(xiāo)、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，本身具備低帶寬、可拓展、消息過(guò)濾等優(yōu)點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

圖4 MQTT 工作原理

2.6 SSM+Vue

系統(tǒng)后臺(tái)管理采用Web 開(kāi)發(fā)中的SSM 框架集與Vue框架進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)搭建。其中，SSM 框架集主要由Spring、MyBatis 兩個(gè)開(kāi)源框架整合而成，通過(guò)Spring 實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，借助SpringMVC 完成控制調(diào)用，利用MyBatis 完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，結(jié)合具備低耦合與重用性特點(diǎn)的前端Vue 框架，將由終端設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與頁(yè)面顯示。

3 應(yīng)用平臺(tái)

3.1 數(shù)據(jù)測(cè)試

設(shè)備采集了經(jīng)緯度、水壓、傾斜角度、水位高度和溫濕度信息，根據(jù)騰訊云服務(wù)器端制定的數(shù)據(jù)上傳規(guī)則，通過(guò)EC20 模塊連接服務(wù)器后傳輸數(shù)據(jù)至云端。數(shù)據(jù)及其格式使用串口打印，數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)測(cè)試

3.2 應(yīng)用平臺(tái)展示

通過(guò)服務(wù)器接收終端設(shè)備傳回的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的判斷與處理，最終呈現(xiàn)在管理平臺(tái)的頁(yè)面上，如圖6 所示。圖中顯示為終端傳回參數(shù)壓強(qiáng)的數(shù)值后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的壓強(qiáng)值判斷并顯示不同設(shè)備的狀態(tài)。壓強(qiáng)值處于0.15 ～0.2 MPa，則顯示設(shè)備狀態(tài)正常；如果上下浮動(dòng)0.03 MPa，則進(jìn)行橙色顯示并預(yù)警；如果超出該范圍則進(jìn)行警報(bào)（紅色）。其他管理頁(yè)面結(jié)構(gòu)與該頁(yè)面相似。工作人員可以根據(jù)設(shè)備狀態(tài)快速篩查出需要維護(hù)、更新的消防栓。

圖6 后臺(tái)管理頁(yè)面

3.3 Web 可視化數(shù)據(jù)大屏

圖7 所示的Web 可視化數(shù)據(jù)大屏可以根據(jù)終端設(shè)備傳回的實(shí)時(shí)信息，對(duì)消防栓的各項(xiàng)參數(shù)，如壓強(qiáng)、傾斜度等進(jìn)行動(dòng)態(tài)化分析與展示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于消防栓實(shí)時(shí)監(jiān)管的目的。

圖7 可視化數(shù)據(jù)大屏

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種多場(chǎng)景智能消防栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了各項(xiàng)軟件以及硬件功能的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)具有消防栓定位，開(kāi)蓋、撞到報(bào)警，水壓和水位監(jiān)測(cè)等功能，并帶有設(shè)備維修記錄與日志，便于相關(guān)人員查詢(xún)。將所有模塊與STM32 相結(jié)合，大大提升了方案的可行性，并且極大降低了成本，具有一定的市場(chǎng)前景。同時(shí)，數(shù)據(jù)大屏的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新功能，極大提高了管理人員的工作效率，更好地保障了消防安全，有著重大的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)價(jià)值。

注：本文通訊作者為吳有龍。