王杰，刘俊杰，吕品，徐力
（宁波工程学院，浙江宁波，315211）
0 引言
我国城市化发展的快速阶段，大量的农业人口由农村转移到城市，参与到城市发展的建设当中，期间我国城市数量不断增加，城市规模不断扩大[1]，同时城市的建筑变得更加密集，结构也更为复杂。在一定程度上加大了火灾发生的破坏性和突发性，也对消防设备有了更高的考验。火灾带来的损失是无法估量的，而如何预防火灾，减少火灾造成的危害变得非常重要。消防栓作为一个固定的基础性消防设备，其主要功能就是用于消防车在市政给水管网及户外的消防供应管线中取水灭火，也可以直接与消防用水带和水枪相连。但在实际灭火救援，出现了消防栓内水压不足、水量不够、栓体破损等情况，从而导致灭火救援工作无法进行，直接影响了消防灭火的效果[2]。本文针对消防栓水压监测不到位、设备维护不及时、监管困难等情况，构建完善的智能消防栓系统，为城市的消防建设提供新思路。
本次设计综合运用物联网、5G 通信、云计算、人工智能等新兴技术，研发了一款智能消防栓系统。通过在消防设备终端运用水压监测、防倾倒监测、烟雾浓度监测等多种传感器与5G 通信模块相结合，实现对消防栓相关数据的实时采集。数据信息通过5G 通信传输到智能消防栓系统的云平台上进行处理分析，当监测到异常数据时，及时提醒管理人员进行相应处理，实现对消防设备的实时监管，为消防救援提供强力的保障支持，提高智慧城市的消防灭火水平，具有良好的应用前景。
1 系统总体架构
智能消防栓系统总体采用分层架构设计，大致可分为感知层、传输层、服务层和应用层，具体结构如图1 所示。
图1 系统总体架构
感知层是系统采集信息的关键部分，传感器又作为系统中获得信息的主要设备，通过在消防栓的重要节点安装对应监测传感器，实现对消防栓内水压变化、栓体的倾角变化、环境烟雾浓度等信息的实时监测和采集，然后通过通信设备进行传输[3]。
传输层主要完成数据的处理和传输，5G 通信因为高带宽、低时延、覆盖广等特性，很好地应用于消防设备终端与云服务器之间的传输，加快了信息向上传输和向下回传的速度[4]。高可靠的传输特性极大地加快了数据向云平台的传输，同时也方便管理员更快更稳地下达控制指令。
服务层作为数据分析和管理的服务中心，主要完成对通信设备的数据收发，并将接收到的消防栓设备信息进行存储、整理、分析，对数据信息进行深入挖掘与融合，预知消防栓状态信息的变化，同时向用户进行可视化展示。
应用层主要面向业主用户、维保单位和相关消防人员，针对使用对象的不同进行不同的权限分层推送，通过获取云平台传输的数据信息，在Web 端和移动端APP 上进行显示。用户可以很便捷地登录到移动端APP 对消防设备数据进行查看和管理并进行一些决策，提高系统处理异常事件的效率。
2 系统软硬件设计
智能消防栓监控系统的硬件组成包括监测模块，电源模块，主控模块以及通信模块。监测模块主要由水压监测，防倾角监测，烟雾感知等模块组成，通信模块使用的是5G通信模块，各模块之间通过主控模块进行连接交互。如图2所示。
主控模块使用的是STM32L051，是一款低功耗单片机，通过UART、I2C、SPI、RS485 等通讯协议与各监测模块和5G 通信模块进行通信；监测模块中各传感器感知消防栓节点的状态变化，对消防栓水压、水量、倾角等状态信息实时监测；5G 通信模块采用MQTT 协议连接至云服务器，充分传输消防栓设备数据信息；电源模块为整个硬件电路工作进行供电。
■2.1 电源模块
系统采用两节额定电压为3.7V 的锂电池进行供电，整个硬件电路中各模块的供电电压有所不同，有3.3V 和5V两种。 使用TPS5430 芯片设计电源降压电路，如图3 所示。TPS5430 支持5.5V~36V 的输入电压，转换效率最高可达到95%，输出电压精度为1.5% ，查看数据手册可知，在TPS5430 正常工作时，引脚VSNS 的电压为1.221V，通过改变外部电阻值使电路输出+5V 电压为对应模块供电，同时另一路经过ASM1117 稳压电路稳定输出3.3V 为主控模块供电。如图4 所示。
图4 ASM1117 电源模块电路
■2.2 5G 通信模块
5G 通信模块使用的是移远RG200U-CN 模块，是一款专门为Iot/eMBB 应用而设计的5G 模块，同时支持NSA 和SA 两种5G 组网方式。采用的是Mini PCIe 接口封装，内置丰富的网络协议和外设接口，支持多种驱动和软件功能。系统设计稳定可靠，适用于数据的高速传输。
■2.3 水压监测模块
水压监测部分采用的是SEN0257 水压传感器，标准的5V 供电，0.5V~4.5V 线性电压输出。传感器内部含有硅单晶材料，硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应变时，其内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而导致其电阻率剧烈变化。利用这种原理在消防栓供水管网上、出水口处等位置安装好压力传感器，被测水压的压力转换成模拟信号，模拟信号经过单片机片内模数转换后将信息进行存储[5]。借助5G 通信模块对信息进行传输，同时设置合适的水压阀位，当水压偏离设定值时，管理人员能够在第一时间对消防栓异常信息进行相应处理维护。
■2.4 防倾角模块
本文设计中使用的倾角传感器是MPU6050，本质上是一种应用惯性力基本原理的加速度传感器。MPU6050内 部 自 带 有7 路16bit 的ADC 转换电路，其中3 路为陀螺仪、3 路为加速度计、1路为内部温度传感器，模块原理图如图5 所示。ADC 转换后的数据通过DMP 处理后，存储在FIFO 里。单片机通过对芯片内部寄存器进行读写操作，完成对MPU6050 的控制。利用I2C 协议读出三轴陀螺仪和三轴加速度的值后进行数据融合就能得到真实的倾角，同时可采用一阶滤波算法使数据更准确，实现对消防栓倾角的实时监测，及时发现消防设备倾斜情况。
图5 MPU6050 模块电路
■2.5 烟雾报警模块
发生火灾时主要产生甲烷、丙烷、丁烷等可燃性气体，空气中可燃性气体浓度会随之增高。本文设计中使用MQ-5型传感器用于采集烟雾的浓度信息，如图6 所示。MQ-5 气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡，当空气中可燃气体浓度增加时，传感器的电导率增大导致电阻值发生改变，使得输出的模拟信号发生变化。传感器的模拟接口A0 接入单片机，将数据进行处理转化，当超过设定的阈值时进行上报处理[6]。
图6 MQ-5 烟雾检测电路
■2.6 软件设计
系统下位机软件设计流程图如图7 所示，当设备上电后，对单片机的时钟、串口、I2C 等进行基础初始化，同时对传感器模块、5G 通信模块进行初始化，初始化成功后，建立5G通信模块与云平台之间的连接，各传感器开始采集数据，单片机读取数据后将其转换成相应数字量进行判断，超出设定的值便发出报警信号并将数据进行打包通过串口通信发送到通信模块，同时通过AT 指令控制将数据上传，结束后进入低功耗模式等待下一轮数据采集[7]。
图7 下位机软件设计流程图
3 系统平台搭建
■3.1 云平台系统设计
云平台作为智能消防栓系统的重要组成部分，主要负责对传输层的数据进行处理和分析，同时为用户提供为可视化的操作界面，当硬件设备接入到云服务器后，实时采集消防栓的工作信息，展示消防栓设备的工作状态。本文智能消防栓系统采用阿里云物联网平台，阿里云平台提供MQTT、CoAP 等多种协议的设备SDK，既能满足用户长时间连接的实时性需求，也能满足短连接的低功耗需求；同时作为云端服务器的中间层 (PaaS 层)，为基础设备和软件服务提供了产品快速部署、快捷接入设备、计算与储存等功能，极大加快了开发的速度；设备连接物联网云平台后，可以直接接收到设备传输的数据信息。云平台的数据可以通过HTTP/2通道流转至用户的服务器上，用户服务器通过接入HTTP/2 SDK 可以接收消防栓设备数据信息[8]。同时可以利用规则引擎进行云产品流转，将云平台的数据发送到手机端的微信小程序上。微信小程序开发简单，操作方便，提供多个管理消防设备的功能界面，用户可以参与到消防设备的管理当中，充分发挥系统的处理能力。
■3.2 功能实现
（1）数据分析
从系统服务器中提取各传感器采集到的信息资源和异常报警情况，对数据信息进行关联规则挖掘和大数据分析，对消防设备故障进行准确判断，及时消除消防栓存在的隐患。
（2）实时监控
可实时对消防栓的水压、环境烟雾浓度、栓体倾角等一系列信息进行采集监控，并且允许用户根据实际需要，设置消防栓定时上报的时间间隔以及上报次数。发现异常数据信息及时上报，提醒管理员第一时间进行处理。实时监控功能如图8 所示。
图8 APP 实时监控功能
（3）报警受理
当传感器设备监测的信息偏离正常设置的阈值时，云平台第一时间收到异常数据报警信息，通过手机APP 或者短信的方式通知到相关负责人。同时设置事件的紧急程度，及时告知负责人采取相应措施进行解决。报警受理功能如图9所示。
图9 APP 报警受理功能
4 结语
本文设计了一种基于5G 通信技术的智能消防栓系统，可对消防栓设备的状态信息和环境数据进行实时监控。系统使用多种传感器对消防栓重要数据进行感知，利用5G 通信模块高速率、低延时、广覆盖的优点进行数据传输；通过对数据进行处理分析，有效解决了消防栓监管不足、设备维护不及时等问题，极大地提高了消防栓日常监管维护的效率，同时减少火灾发生的概率和危害，对智慧城市的消防建设具有重要意义。
