张 力，罗炬锋，单联海,2

（1.上海物联网有限公司，上海 201899；2.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050）

0 引 言

市政消防栓作为重要的城市配套供水设施，是城市公共消防设施的关键组成部分，承担着在消防部门灭火救援中提供水源的重要作用。它的正常功能的发挥直接影响到火灾能否及时有效扑救，对于保障人民群众生命财产安全至关重要。然而在实际应用中，由于安装地点分散、管理松弛、民众法律意识淡薄等原因，市政消防栓损毁失修、水压不足、无水漏水、违规用水等现象屡见不鲜[1-2]，不仅影响市民正常用水，同时也可能影响灭火救援，带来严重的安全隐患。据统计，我国每年因火灾所造成的巨大经济损失和人员伤亡70%以上是由于消防栓管理不善，延误了灭火救援的最佳时机[2-3]。因此，对市政消防栓的科学有效监管应引起高度重视。

目前自来水公司针对消防栓采用的是传统的专用阀门控制用水及防撞漏水设计，在盗水与压力控制上并没有好的解决方案[1]。在管理上则是采用的网格化模式[4]，主要靠人工巡检、接受群众举报等形式对消防栓的使用情况进行监管[5]，这种方式的人力物力成本较高，且无法对消防栓异常情况做到实时发现和处理。针对上述问题，本文提出一种基于物联网技术的市政消防栓智能监控管理系统，综合利用传感器、射频识别（RFID）、无线通信、地理信息系统（GIS）等技术，将消防栓终端与监控管理平台互联，实现对消防栓使用情况的实时监管，帮助有关部门对异常情况进行快速处置。

1 系统组成

从技术架构上，整个系统从下至上可以分为信息感知层、网络传输层、平台应用层三个部分，如图1所示。系统核心部分主要是消防栓智能监控终端和监控管理平台。其中，消防栓智能监控终端集成了多种传感器，可对消防栓的用水、撞击、水压等日常运行状态进行实时监测。一旦监测到异常，如违规用水、消防栓被撞倒、漏水导致水压异常等，将唤醒处理器进行初步数据处理，并触发低功耗无线通信模块将异常信息发送至监控管理平台。系统管理人员查收到平台发出的报警信息，可及时通知维护人员去现场核实处理。同时，结合GIS技术，利用监控管理平台可实时掌握平台监测范围内消防栓的分布、状态与数量信息，从而实现对消防栓的集中式、智能化管理。消防栓智能监控终端使用电池供电，由于终端硬件各部分采用了超低功耗设计，因此可在不更换电池的条件下持续工作数年，有效地降低了维护成本。

图1 系统架构

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要针对消防栓智能监控终端内部的核心模块，包括多维数据监测模块、主控模块与多模网关模块，如图2所示。

图2 消防栓智能监控终端硬件框图

2.1 多维数据监测模块

多维数据监测模块是系统的数据采集单元，集成了低功耗传感器：电极传感器、加速度传感器和压力传感器，分别为实现消防栓用水、撞击、水压异常（漏水）等情况的监控进行相关数据的采集，可对消防栓的状态进行较全面的监控。

电极传感器采用的是深圳碧河电气公司的AT35-7电极式水位传感器。通过电极线与串联/并联电阻组成监控电路监测电压变化，消防栓腔体内无水和上水时的监测电压不同，从而确定用水状态。电极线的探极材质采用SUS304不锈钢材料，可长期使用，不易锈蚀脱落，且能有效抵抗表面结垢问题，从而避免导电性能的下降或者失效，维护十分方便。

加速度传感器采用ADI公司的ADXL362，ADXL362是一款超低功耗三轴加速度计，分辨率高（12位），测量范围高达16g，可采用SPI数字接口访问。其高分辨率下（1 mg/LSB），能够测量不到1.0°的倾斜角变化。另外，ADXL362的低功耗模式支持智能电源管理[6]，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。利用该传感器可监测消防栓是否遭受破坏性撞击。

压力传感器采用西安美特传感器公司的MPT570微功耗压力变送器，其静态工作电流小于2 mA，休眠电流小于2 μA，功耗小于4 mW，综合精度[7]达到0.5%F.S。当消防栓发生漏水情况时，压力传感器将会检测到消防栓腔体内压力发生的变化，如果变化值不在正常范围内，主控模块将判断为可能发生漏水，则立即启动异常上报程序。

2.2 主控模块

主控模块主要完成对消防栓智能监控终端内传感器数据采集处理、无线传输以及RFID身份认证的控制。微处理器采用微芯公司的PIC18F46J50，这款单片机采用nanoWatt XLP技术，可以实现极低的休眠电流。

为方便维护人员对消防栓进行检修操作，在主控模块中还集成了电感耦合式RFID，记录了消防栓的编号、位置、日常巡检记录等信息，维护人员检修时携带相应的身份识别卡，靠近终端时即完成身份认证，对终端的各类操作不会触发异常报警。在软件设计上采用二进制搜索算法，以解决RFID多路存取的碰撞问题[8]，从而保证身份识别的准确性。

2.3 多模网关模块

多模网关模块集成了GPRS和NB-IoT无线传输方案，可根据终端的安装环境灵活选择无线传输方式。其中，GPRS通信方案采用芯讯通科技有限公司的SIM800C通信模块。这是一款极小尺寸的四频GSM/GPRS模块，LCC封装，可以极低的功耗实现短消息与数据传输。NB-IoT通信方案选用移远通信的BC95通信模块，这是一款高性能、低功耗的NB-IoT无线通信模块[9]，同样采用LCC封装，内嵌丰富的网络服务协议栈，非常适用于无线抄表、智慧城市、农业和环境监测以及其他诸多行业，以提供完善的短信和数据传输服务。

3 系统软件设计

3.1 监控管理平台

监控管理平台采用模块化设计，基于B/S架构进行构建，主要包含系统管理、数据管理、事件管理、应用服务等功能模块，实现消防栓状态实时监控、消防栓位置分布查询、报警信息发布、历史数据查询及统计分析等功能。设计上考虑后期与水务管理、消防局、数字化城市管理中心等部门的数据共享。平台架构如图3所示。

图3 监控管理平台系统架构

系统管理：包括用户管理（用户分类、用户权限等）、基于信息整合的报表管理、系统服务管理与集成管理等。

数据管理：实现对消防栓智能监控终端信息与实时状态数据，以及报警记录数据的存储、分类、统计、查询等功能，以便于管理人员实时掌握系统监控区域范围内消防栓的正常使用与状态异常情况。

事件管理：实现对报警事件详情、事件处理状态及维护保养记录的管理，同时设置消息提醒功能，以确保异常事件得到及时处理，有效保障消防救援等紧急状态下的用水需求。

应用服务：提供统一登录门户、用户协作工具、核心数据集中展示与发布等功能，方便不同用户访问平台并使用相关功能，提供开放消息接口以便与其他平台共享监控数据。

3.2 终端软件流程

消防栓智能监控终端的软件处理流程如图4所示。设备上电后，主控模块会对多维数据监测模块和多模网关模块进行初始化操作。初始化完成后，多维数据监测模块中的各传感器开始采集数据。当主控模块检测到异常状态时，将启动多模网关模块进行数据上报，同时启动一个定时器，在设定时间内持续进行数据上报，直到上报成功。上报成功或超时都将关闭多模网关模块，返回低功耗数据采集状态。

图4 监控终端软件处理流程

3.3 数据传输格式

终端监控数据的通信传输格式在设计上充分考虑了传输的可靠性与高效性，并针对终端采集的实际信息进行了优化。数据帧为十六进制格式，包含帧头、帧类型、设备编号、设备数据与帧校验和5个部分，如图5所示。帧头采用字符0xEF开头，帧类型分为心跳报文（采用字符0x01表示）和报警信息报文（采用字符0x02表示），设备编号用4 B数据表示。心跳报文的设备数据为3 B数据，包含电源电压值和接收信号强度值，心跳报文设置为每8 h上报1次，便于系统掌握监控终端的运行状态。报警信息报文的设备数据大小为14 B，包含授权认证ID、各类事件报警开关、用水水压值、撞击倾斜角度值、电源电压值、用水水量和累计用水时长，报警信息报文仅在各类事件（用水、撞击等）发生时才会触发终端进行上报。帧校验和使用CRC校验[10]。

图5 数据帧格式

4 实验测试

在水务局和消防部门等单位的大力支持与协助下，对上海市嘉定区的部分消防栓（共计312个）进行了智能化改造，安装上了消防栓智能监控终端，如图6所示，并通过监控管理平台实现了实时监控与管理。

图6 消防栓智能监控终端与安装效果

监控管理平台主界面如图7所示。在试点运行期间，系统运行情况正常。工作人员随机选择了其中部分消防栓进行了模拟正常用水、漏水、碰撞、非授权开启等测试，平台对于事件报告结果的准确率达到100%。平台界面友好，操作简便，结合GIS地图的展现方式，可直观展示监控区域范围内消防栓的位置分布与状态，并能通过屏幕点选快速查询到任一接入平台的消防栓的实时状态数据。

图7 监控管理平台主界面

实验证明，该系统可以对大范围区域内消防栓实现快速有效的统一化、智能化监控管理，有效地提升了相关部门的维护效率，减少了维护成本。

5 结 语

市政消防栓作为城市重要基础设施，是预防火灾蔓延、保护市民生命财产安全的重要防线。实现市政消防栓的智能化管理，对于城市基础设施的智慧化升级、消除城市消防安全隐患具有重要意义。本文提出的基于物联网技术的城市消防栓智能监控管理系统，充分利用了物联网全面感知、可靠传递与智能处理等技术特征，可通过其实时掌握市政消火栓的分布、状态和数量信息，辅助灭火救援力量的调度，降低因消防栓遭受外界非法使用和损坏后造成的水资源浪费，并减少了巡检维护成本。同时，通过该系统可为市政管理提供基础信息数据支撑，并在消防单位和市政管理单位之间共享市政消防设施监控信息，提高联动工作保障能力。该系统可广泛应用在城市道路、机场、大型石化项目和国际会议中心等消防重地，具有广阔的市场前景和良好的社会经济效益。