CN102426448A

CN102426448A - 消火栓远程智能监测系统

Info

Publication number: CN102426448A
Application number: CN2011104032883A
Authority: CN
Inventors: 管彦伍; 刘小斌
Original assignee: ZHEJIANG KELONG FIRE FIGHTING INTELLIGENT DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG KELONG FIRE FIGHTING INTELLIGENT DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: CN102426448B

Abstract

本发明涉及一种消火栓，具体为一种消火栓远程智能监测系统。在消火栓顶端盖内设置有控制器支架，控制器支架中心为消火栓转轴，在消火栓转轴上配合设置阀位传感器；消火栓转轴一侧设置PCB板，PCB板上设置振动传感器和撞倒传感器，在PCB板一侧还设置有MCU控制器和发射天线；振动传感器、撞倒传感器、阀位传感器分别经低通滤波电路与MCU控制器相连，每个传感器分别检测消火栓的各个信息并送至MCU控制器，MCU控制器将得到的检测信息通过GPRS通信模块发送至远程通讯服务器，并由蜂鸣器发出报警信号。本发明在传统消火栓基础上增设智能控制模块及相关传感器，实现在某一区域内统一监控、管理、调配，提高了消防设施的正常使用率。

Description

消火栓远程智能监测系统

技术领域

本发明涉及一种消火栓，具体为一种消火栓远程智能监测系统。

背景技术

消火栓作为城市消防的基础设施，在灭火中起着关键作用。我国消火栓主要包括以下三类：市政道路配建消火栓；单位配建消火栓；居民住宅配建消火栓。

由于消火栓的管理情况复杂，存在着以下严重问题：市政消火栓遭破坏程度大，市政消火栓日常维护和保养落实不到位，消火栓临时使用程序不规范。

由于消火栓的安装非常分散，要想实时掌握消火栓的工作状态需要一种全新的方式。随着计算机网络技术的发展，一种建立在互联网上的物联网技术，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集相关信息通过无线网络与互联网融合，就可以实现消火栓状态的实时有效的管理。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种消火栓远程智能监测系统的技术方案。

所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于：在消火栓顶端盖内设置有控制器支架，控制器支架中心为消火栓转轴，在消火栓转轴上配合设置阀位传感器；消火栓转轴一侧设置PCB板，PCB板上设置振动传感器和撞倒传感器，在PCB板一侧还设置有MCU控制器和发射天线；所述的振动传感器、撞倒传感器、阀位传感器分别经低通滤波电路与MCU控制器相连，振动传感器、撞倒传感器、阀位传感器分别检测消火栓的各个信息并送至MCU控制器，MCU控制器将得到的检测信息通过GPRS通信模块发送至远程通讯服务器，并由蜂鸣器发出报警信号。

所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于还包括温度检测模块和顶盖防打开装置，温度检测模块由温度传感器构成，顶盖防打开装置由光敏电阻及其外围电路构成，温度检测模块和顶盖防打开装置分别与MCU控制器相连。

所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于所述的振动传感器设置在消火栓顶端盖内的PCB板上，PCB板与地面呈90度，振动传感器与地面亦呈90度，振动传感器采用弹簧式震动开关SW-18015P。

所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于所述的撞倒传感器设置在消火栓顶端盖内的PCB板上，撞倒传感器由水银开关制成，水银开关与PCB板呈45度夹角，PCB板两侧均安装一个水银开关，水银开关由配合设置的玻璃外壳、电极、引线和水银构成。

所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于所述的阀位传感器设置为三个，由干簧管传感器构成，构成干簧管传感器的三个磁铁自上而下垂直均匀的设置在消火栓转轴上，对应的三个干簧管配合设置在消火栓转轴外侧呈120度自上而下设置的干簧管支架上。

所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于所述的MCU控制器采用美国微芯科技公司生产的PIC16F1938芯片，配置16K闪存程序存储器，256字节数据E²PROM，1K内存SRAM。

所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于所述的GPRS通信模块采用的GPRS芯片为华为EM310。

所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于该监测系统采用容量型锂亚电池供电，供电电压为3.6伏，1节容量为19000mAH，单节尺寸26mm×65mm，采用二节，共38AH。

所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于该监测系统的监测流程如下：系统上电初始化，异常或轮换唤醒，即查询轮询时间是否到以及是否有传感器状态异常，如果没有则继续转入休眠，如果有异常信号或者轮询时间到了，系统会开启GPRS，并读取各传感器的信号，同时接入网络，连接远程通讯服务器，然后把各个信号组包，并通过GPRS发送到远程通讯服务器上去，远程通讯服务器上收到数据包后，会往系统回包，回包内容是一些设定的参数，系统收到回包后进行解包分析数据，提取有用的数据后，重新进入休眠，依此循环。

本发明在传统消火栓基础上增设智能控制模块及相关传感器，24小时实时远程检测，并实现在某一区域内统一监控、管理、调配，提高了消防设施的正常使用率，为灭火救援工作的有利开展奠定良好的设施保障基础，对消防部门、供水企业和社会安全都具有极大的现实意义。

本发明免去日常现场消火栓监督管理的任务，只需根据系统提示定期检查消火栓阀门是否能正常开启；本发明可以在火灾发生时根据GIS地图快速地找到并确定可用的消火栓，在火情发生时可以快速定位消火栓，以免贻误救火，提高消防队救火的成功率，辅助决策城市消火栓布局的合理性；及时快速对消火栓进行维护，减少偷盗水现象；避免了因消火栓损坏而造成的人民生命财产的损失，提高公共消防服务水平和社会化水平的有效途径，大大降低消火栓管理、维护成本。

附图说明

图1为本发明的安装结构示意图；

图2为本发明的信号处理流程图；

图3为本发明的阀位传感器俯视结构示意图；

图4为本发明的阀位传感器主视结构示意图；

图5为本发明的电路结构示意图；

图6为本发明振动传感器的检测流程图；

图7为本发明撞倒传感器的检测流程图；

图8为本发明阀位传感器中断初始化的流程图；

图9为本发明阀位传感器的检测流程图；

图中：1-消火栓顶端盖，2-PCB板，3-MCU控制器，4-发射天线，5-撞倒传感器，6-振动传感器，7-控制器支架，8-干簧管，9-磁铁，10-干簧管支架，11-温度检测模块，12-蜂鸣器，13-阀位传感器，14-电池，15-顶盖防打开装置，16-消火栓转轴，17-GPRS通信模块，18-撞倒传感器模块，19-阀位传感器模块，20-振动传感器模块。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明：

消火栓远程智能监测系统，包括振动传感器模块20、撞倒传感器模块18、阀位传感器模块19、温度检测模块11、顶盖防打开装置15、蜂鸣器12和电池14，每个模块中设置有相应的传感器及其外围电路。具体地，在消火栓顶端盖1内设置有控制器支架7，控制器支架7中心为消火栓转轴16，在消火栓转轴16上配合设置阀位传感器13；消火栓转轴16一侧设置PCB板2，PCB板2上设置振动传感器6和撞倒传感器5，在PCB板2一侧还设置有MCU控制器3和发射天线4；所述的振动传感器6、撞倒传感器5、阀位传感器13分别经低通滤波电路与MCU控制器3相连，振动传感器6、撞倒传感器5、阀位传感器13分别检测消火栓的各个信息，MCU控制器3将得到的检测信息通过GPRS通信模块17发送至远程通讯服务器，并由蜂鸣器12发出报警信号。

本发明还包括温度检测模块11和顶盖防打开装置15，温度检测模块11由温度传感器构成，顶盖防打开装置15由光敏电阻及其外围电路构成，温度检测模块11和顶盖防打开装置15分别与MCU控制器3相连。

该监测系统的监测流程如下：系统上电初始化，异常或轮换唤醒，即查询轮询时间是否到以及是否有传感器状态异常，如果没有则继续转入休眠，如果有异常信号或者轮询时间到了，系统会开启GPRS，并读取各传感器的信号，同时接入网络，连接远程通讯服务器，然后把各个信号组包，并通过GPRS发送到远程通讯服务器上去，远程通讯服务器上收到数据包后，会往系统回包，回包内容是一些设定的参数，系统收到回包后进行解包分析数据，提取有用的数据后，重新进入休眠，依此循环。

振动传感器6设置在消火栓顶端盖1内的PCB板2上，PCB板2与地面呈90度，振动传感器6与地面亦呈90度，振动传感器6经低通滤波电路与MCU控制器3相连，MCU控制器3将检测信号通过有线或无线方式送至远程通讯服务器。该振动传感器6采用弹簧式震动开关SW-18015P，其结构由导电接脚、导电弹簧、塑胶本体等组成。

振动传感器的工作原理：当外机械力通过消火栓壳体传导至振动传感器，将力作用于导电弹簧上，当导电弹簧位移到临界点时产生瞬时动作，使导电弹簧体的动触点与固定导电接脚碰撞产生快速接通；当振动传感器上的作用力移去后，同时导电弹簧产生反向动作力，当振动传感器反向行程达到簧片的动作临界点后，瞬时完成反向动作，即出现快速断开。振动开关的触点间距小，动作行程短，按动力小，通断迅速，其动触点的动作速度与振动传感器动作速度无关，当振动信号产生后，传感器通过滤波电路，将高频干扰信号屏蔽一部分后，再连接到MCU控制器的外部中断口，避免出现在MCU因干扰而出现频繁误触发现象，提高单片机工作的可靠性。

当无较大外力冲击或者是垂直冲击上下受力时，振动传感器不抖动或者微小抖动，是不会触发信号的，当受到较大外力冲击或者由侧面受力时，如砸、撞、撬等，特别是消火栓的铜接头受到小偷敲打时，会产生强烈的振动信号，传递给MCU，则会启动MCU的计时检测振动信号次数程序，按检测振动信号是否在限定的时间（如：目前默认30秒）内达到所设定的振动次数（如：目前默认80次），这样可以防止一些非人为偷盗等造成的误判断，如果在规定的时间达到了设定的次数，则产生振动故障状态信号标志，设定故障稳态标志，通过稳态标志，写入当前数据队列，然后通过GPRS向远程通讯服务器发送数据；如果达到设定时间，而没有达到振动次数，则振动次数累加寄存器自动清0，然后进入睡眠状态；为节省电池电力消耗，当设定稳态标志位后时间小于5分钟，不会再次触发。上位机接收到振动信号后，会在人机界面上显示对应编号消火栓的振动实时动画状态，并记录到历史数据库及故障数据库，同时发送短信告知管理人员消火栓的故障状态，提示尽快安排抢修。

撞倒传感器5设置在消火栓顶端盖1内的PCB板2上，撞倒传感器5经低通滤波电路与MCU控制器3相连，MCU控制器3将检测信号通过有线或无线方式送至远程通讯服务器，撞倒传感器5由水银开关制成，水银开关与PCB板呈45度夹角，PCB板两侧均安装一个水银开关，水银开关由配合设置的玻璃外壳、电极、引线和水银构成。

该撞倒传感器5采用进口高品质水银开关制成，与普通的振动开关相比，具有多方面优势，例如，可以在较为恶劣环境条件下使用，通断所需的外力小，而且体积小，全密封，且可以长期有效的工作。它的工作原理是：正常情况下水银开关的安装与地面成45度，PCB板正反面各装一个水银开关，可实现360度全方位撞倒检测，当消火栓被撞倒达到45度以上的角度时，水银开关处于接通状态。

撞倒传感器的工作原理：撞倒传感器产生撞倒信号，通过RC低通滤波电路，滤除高频信号后，再将信号传递给MCU的IO端口，MCU每隔1秒会对IO端口进行实时描行，发现有产生撞倒触发信号，会进入计时检测撞倒信号，在约定的周期内，若检测的信号连续达到4次及以上全部为撞倒信号，则表示消火栓已经被撞倒，设定撞倒标志，同时设定撞倒稳态标志生效，若检测的信号中，中间有干扰，在撞倒的额定时间内达不到4次，则恢复到初始状态，不产生任何动作。当程序中检测出设定撞倒稳态标志为1时，则进入将当前的消火栓全部状态写入数据队列，然后通过GPRS向远程通讯服务器发送数据，发送完毕后，判断当前数据列队是否有数据，没有则进入睡眠省电状态，否则继续发送，直至将当前数据队列的数据发送完毕。若在5分钟之内再次撞倒，不会第二次触发。上位机接收到撞倒信号后，会在人机界面上显示对应编号消防栓撞倒的实时动画状态，并记录到历史数据库及故障数据库，同时发送短信告知管理人员消防栓的故障状态，提示尽快安排抢修。

阀位传感器13设置为三个，由干簧管传感器构成，构成干簧管传感器的三个磁铁9自上而下垂直均匀的设置在消火栓转轴16上，对应的三个干簧管8配合设置在消火栓转轴外侧呈120度自上而下设置的干簧管支架10上，阀位传感器13经低通滤波电路与MCU控制器3相连，MCU控制器3将检测信号通过有线或无线方式送至远程通讯服务器。

该阀位传感器13采用的干簧管传感器，是一种磁敏的特殊开关，也称干簧继电器，通常由两个或三个磁性材料做成的簧片触点，被封装在充有惰性气体（如氮，氦等）或真空的玻璃管里，玻璃管内平行封装的簧片端部重叠，并留有一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭接点。其特点是比一般机械开关结构简单，体积小、速度高、工作寿命长；而与电子开关相比，它又有抗负载冲击能力强等特点，工作可靠性很高。其工作原理是：当永久磁铁靠近干簧管或者有绕在干簧管的线圈通电形成的磁场使簧片磁化，簧片的接点部分就感应出极性相反的磁极。异性相吸，当吸引力大于簧片的弹力时，接点就会吸合；当磁力减小到一定程度时，接点被簧片的弹力打开。

三个阀位传感器相互间角度俯视为120度，侧视图呈上、中、下均匀分布，中间转轴上配有三枚磁铁9，高度上与干簧管8对应，当转到一定角度，会触发一个信号，总共全开为5圈，每圈触发三个信号，全开时会产生15个脉冲触发信号，控制器进行计数来记录消火栓的开度，另外，通过识别触发传感器的先后顺序可以判定是阀门是逆时针转还是顺时针转，即打开还是关闭。当阀位有动作时，阀位传感器产生脉冲信号，通控制器I/O口处连的RC滤波电路，滤除高频信号，连接到MCU的外部中断I/O口。

新安装时，为确认处于全关位置，MCU控制器检测到全关状态时出现，即开关计数由1变为0时，蜂鸣器鸣叫五次告知安装人员阀门已处于全关状态。每当中间转轴转动超过120度时，会触发一个阀位传感器，MCU控制器响应后，进行判断是否和原先未触发时的状态相同，如果相同，则不进行处理；如果不同，则存放在阀位的最新的数据队列里；同时每隔1秒判断阀位的数据队列里是否有新的数据加入，如没有，则退出，如果有，则进行判断阀位是逆时钟转，则递增（打开），否则递减（关闭），同时判断阀位有动作后的5秒内，是否有新的阀门状态变化，如果有，则继续等待，如果没有，则进入稳态，设定阀位稳定标志。当程序中检测出设定阀位稳态标志为1时，则进入将当前的消火栓全部状态写入数据队列，然后立即通过GPRS向远程通讯服务器发送数据，发送完毕后，判断当前数据列队是否有数据，没有则进入睡眠省电状态，否则继续发送，直至将当前数据队列的数据发送完毕。

本发明的MCU控制器完成对消火栓节点的数据采集、控制、通讯等功能。MCU采用美国微芯科技公司生产的高性能RISC CPU PIC16F1938，配置16K闪存程序存储器，256字节数据EEPROM，1K内存SRAM。具有以下技术优势：强抗干扰，配置专用低功耗32K增强型Timer1振荡器实现低功耗，采用高精度内部振荡器，工作频率为10 MHz～20MHz；宽电压工作范围(1.8-5.5Ｖ)，待机电压在2.0V时典型电流值为100nA，1MHz、2.0V 时典型工作电流值为50μA；带有8位分辨率和14路通道的A/D转换器；可以在节能休眠模式下进行采样工作；工业级和扩展级温度范围适合阳光曝晒下工作；通过两个引脚进行在线串行编程；可选择的1.024/2.048/4.096V 参考电压。

本系统实现消火栓供水水压、阀门开（关）状态、阀门开度大小、全方位撞倒检测、偷盗铜接头时的振动检测、开阀偷水的状态检测、电池电压及工作环境温度采样等功能。MCU控制器通过串口控制GPRS通信模块传送信号至远程通讯服务器。

本系统硬件电路的传感器产生的信号，由于其本身特性，会产高频的振荡信号，经RC滤波后，再将信号传递给MCU的中断口或者普通I/O口；人机交互部分，由MCU的普通I/O口通过放大电路，对蜂鸣器进行驱动，GPRS通信模块内嵌232串行端口，MCU可通过串行口实现相交通讯交互。

为了配合本发明的消火栓的结构，对原来的消火栓结构进行了改进，原来消火栓总高为1208mm，套筒设计下面为外螺纹，与原来消火栓本体相连接，上面设计为内螺纹与原来顶盖相连接，对转轴进行改进，升高15cm。

由于消火栓的安装非常分散，存在环境复杂、地形恶劣，又长期暴晒在市区或者野外，对控制器的要求十分严格。要保证控制器的正常工作，消火栓控制器结构防护等级按IP67设计，这样当城市出现内涝时，可以避免控制器的损坏，使之能够长期有效的工作。

因安装位置决定消火栓很难采用交流电供电，必须采用电池供电，而且消火栓数量巨大，如果不采用超低功耗节能设计，造成使用的电池使用周期大大缩短，会产生巨大的更换电池、顶盖拆装、交通及人工费用，因此产品设计时就考虑采用电池供电，一次性正常使用，寿命达到5年。

本系统对电池的选型及性能、电路的硬件超低功耗、工作时的节能设计要求非常严格。通过一系列的优化设计，系统实现以下各种低功耗控制：

系统正常工作时，正常工作电流为3mA，如出现异常（如撞倒、振动及开度）需要额外电流值，当GPRS工作后，需要提供250mA的电流，整个工作时间基本控制在35S内（含开机、通讯联接、发送、进入休眠）。在信息发送完毕后，进入休眠，控制器即进入休眠状态直至达到下一次发送信息的时间（或者异常情况触发）才唤醒，休眠后，整个电路板的功耗电流控制在90微安以内。

考虑体积及寿命因素采用容量锂亚电池，供电电压为3.6伏，1节容量为19000mAH，单节尺寸26mm×65mm，采用二节，共38AH。控制器电池按5年使用设计，采用武汉瀚兴日月电源有限公司unmoon日月牌容量型锂亚电池，型号为D/ER34615，电池设计使用寿命为十年，开路电压为3.66-3.69伏，单节为19000mAH，最大连续放电电流：200mA，工作温度：-55到85摄氏度，单节尺寸（D x H）：34.0 x 61.5mm，重量：108g。

通过选择低功耗主控芯片，选型考虑功能满足应用的前提下，管脚数量尽可能少、flash及ram不必过大。控制器省电功能实现:采用具有纳瓦技术的PIC16F系列对于节能有明显的优势。纳瓦技术是在休眠模式下的整体功耗处于纳瓦级的范围内，可用软件选择硬件配置，允许应用在运行期间按需要改变其功耗。工作模式：根据应用需求，正常情况下每天主动上传一次，在启用生效前每周一次，并向监控中心发送信息；在特殊情况下，如有水表脉冲开关量、消火栓阀门开关状态变化、有振动信号时时，通过外部中断使MCU唤醒转入正常处理。平时处于休眠时，芯片功耗控制在100nA以下。控制器整体功耗在90 uA以内。

GPRS采用华为EM310，功耗分析：关机，40uA；待机，4mA；语音，240mA；控制器处于活跃停机状态时的静态电流控制为单片机 10uA，GPRS 40uA。控制器处于活跃停机状态时的静态电流由以下几部分组成：单片机 10uA，GPRS 40uA，考虑外围用信号电量为50uA，共100uA。信号发送时电流为200mA，时间长度为60秒（含开机、通讯联接、发送、休眠）。

Claims

1.消火栓远程智能监测系统，其特征在于：在消火栓顶端盖内设置有控制器支架，控制器支架中心为消火栓转轴，在消火栓转轴上配合设置阀位传感器；消火栓转轴一侧设置PCB板，PCB板上设置振动传感器和撞倒传感器，在PCB板一侧还设置有MCU控制器和发射天线；所述的振动传感器、撞倒传感器、阀位传感器分别经低通滤波电路与MCU控制器相连，振动传感器、撞倒传感器、阀位传感器分别检测消火栓的各个信息并送至MCU控制器，MCU控制器将得到的检测信息通过GPRS通信模块发送至远程通讯服务器，并由蜂鸣器发出报警信号。

2.根据权利要求1所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于还包括温度检测模块和顶盖防打开装置，温度检测模块由温度传感器构成，顶盖防打开装置由光敏电阻及其外围电路构成，温度检测模块和顶盖防打开装置分别与MCU控制器相连。

3.根据权利要求1所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于所述的振动传感器设置在消火栓顶端盖内的PCB板上，PCB板与地面呈90度，振动传感器与地面亦呈90度，振动传感器采用弹簧式震动开关SW-18015P。

4.根据权利要求1所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于所述的撞倒传感器设置在消火栓顶端盖内的PCB板上，撞倒传感器由水银开关制成，水银开关与PCB板呈45度夹角，PCB板两侧均安装一个水银开关，水银开关由配合设置的玻璃外壳、电极、引线和水银构成。

5.根据权利要求1所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于所述的阀位传感器设置为三个，由干簧管传感器构成，构成干簧管传感器的三个磁铁自上而下垂直均匀的设置在消火栓转轴上，对应的三个干簧管配合设置在消火栓转轴外侧呈120度自上而下设置的干簧管支架上。

6.根据权利要求1所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于所述的MCU控制器采用美国微芯科技公司生产的PIC16F1938芯片，配置16K闪存程序存储器，256字节数据E²PROM，1K内存SRAM。

7.根据权利要求1所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于所述的GPRS通信模块采用的GPRS芯片为华为EM310。

8.根据权利要求1所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于该监测系统采用容量型锂亚电池供电，供电电压为3.6伏，1节容量为19000mAH，单节尺寸26mm×65mm，采用二节，共38AH。

9.根据权利要求1所述的消火栓远程智能监测系统，其特征在于该监测系统的监测流程如下：系统上电初始化，异常或轮换唤醒，即查询轮询时间是否到以及是否有传感器状态异常，如果没有则继续转入休眠，如果有异常信号或者轮询时间到了，系统会开启GPRS，并读取各传感器的信号，同时接入网络，连接远程通讯服务器，然后把各个信号组包，并通过GPRS发送到远程通讯服务器上去，远程通讯服务器上收到数据包后，会往系统回包，回包内容是一些设定的参数，系统收到回包后进行解包分析数据，提取有用的数据后，重新进入休眠，依此循环。