CN109520570A - 一种消防栓嵌入式数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消防栓嵌入式数据采集装置，包括主控电路板、两个压力传感器模块、一个三维角度传感器、一个流量开关、一个振动开关；两个所述压力传感器模块中的一个安装于消防栓内腔，另一个安装于消防栓底部的供水管道内，以分别检测所处位置水压力；流量开关安装于消防栓内腔，用于检测所处位置水流动情况；振动开关和三维角度传感器安装于主控电路板上，用于检测消防栓的振动和倾斜情况，主控电路板设置于固定于消防栓外周的主控箱内，该主控箱与消防栓垂直水平面方向平行放置，三维角度传感器的水平面两轴平行水平面放置。

Description

一种消防栓嵌入式数据采集装置

技术领域

本发明涉及消防设备技术领域，尤其涉及一种消防栓嵌入式数据采集装置。

背景技术

消防栓是消防设备行业最普遍的产品之一，也是消防系统的重要组成部分，常规消防栓一般固定安装在特定位置，且通过间隔较长时间人工巡检的方式来排查其是否存在异常，传统消防栓缺乏对消防水路系统的数据采集和管理功能，对于所处水路安全如地理位置、漏水、超压、欠压、栓体倾倒等情况无法及时反馈到有关部门，极大地降低了消防栓的维护维修效率，并给消防带来安全隐患。

发明内容

本发明目的是克服现有技术上的不足，提供一种消防栓嵌入式数据采集装置，通过对消防栓安装传感器和数据采集装置，采集水压，倾角，水流动等，准确判断消防栓工作状态，并通过无线通信网络将消火栓状态信息及数据上传给远程监控中心，进行统一管理与维护，及时进行异常警报，可以较好地解决常规消防栓的不足。此外，考虑到消防栓安装于户外，采用干电池供电，并应用节能控制方法，同时选择无线移动通信网络作为与远程控制中心的交互方式。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种消防栓嵌入式数据采集装置，包括设置于消防栓上的主控电路板、两个压力传感器模块、一个三维角度传感器、一个流量开关、一个振动开关；两个所述压力传感器模块中的一个安装于消防栓内腔，另一个安装于消防栓底部的供水管道内，以分别检测所处位置水压力；流量开关安装于消防栓内腔，用于检测所处位置水流动情况；振动开关和三维角度传感器安装于主控电路板上，用于检测消防栓的振动和倾斜情况，主控电路板与消防栓垂直水平面方向平行放置，三维角度传感器的水平面两轴平行水平面放置。

作为对上述技术方案的改进，所述主控电路板包括主控芯片、一个与主控芯片通过UART接口连接的无线移动网络通信模块、多路基本输入输出接口(GPIO)、模拟量转化数字量采集接口(AD)、串行接口(UART)、看门狗；所述主控芯片采用8位微控制器MCU，无线移动网络通信模块通过电信基站连接英特网(Internet)，对指定IP地址和端口进行数据收发，支持UDP协议。

作为对上述技术方案的改进，所述消防栓嵌入式数据采集装置还包括一个干电池，该干电池连接主控电路板，再由主控电路板通过电子开关分配电源给其他模块，主控芯片还通过AD接口采集干电池电压。数据采集装置进行数据采集时，才通过主控电路板打开传感器模块和移动网络通信模块供电电源，采集完毕后关闭电子开关停止供电。

作为对上述技术方案的改进，两个所述压力传感器模块和三维角度传感器模块通过I2C总线进行数据读写，连接主控电路板时，主控电路板通过GPIO模拟I2C总线通信协议，两个压力传感器模块和三维角度传感器的I2C时钟线采用同一个GPIO，数据线分别采用独立3路GPIO。

所述流量开关和振动开关通过GPIO连接主控电路板，各占用一个GPIO，通过高电平表示开关开启状态，通过低电平表示开关闭合状态。

所述消防栓嵌入式数据采集装置，根据采集消防栓内腔水压力值、供水管道水压力值，消防栓与水平面的夹角值，流量开关状态和振动开关状态，干电池电压值，来进行消防栓异常与否判断，两个水压力值超过给定上、下限判定为异常，角度值超过给定阈值判定为异常，开关处于开启状态为异常，电压值低于给定阈值判定为异常。

所述消防栓嵌入式数据采集装置，主控芯片开启看门狗功能，每60秒触发看门狗1次，唤醒已休眠系统工作，工作过程中，如果出现消防栓异常，则进行数据打包，并通过移动网络通信模块发送数据包，否则系统进入休眠状态，等待下一次唤醒工作，无论消防栓是否异常，采集装置每间隔50小时进行一次数据包发送。

所述消防栓嵌入式数据采集装置，采集装置每次发送数据包，需要接收回复数据包，并根据数据包更新压力值上下限和角度阈值，然后就可以进入休眠状态，如果未能接收到数据，则重复发送数据，3次以后，如果仍然未能接收到回复数据包，则进入休眠状态。

所述消防栓嵌入式数据采集装置，采集装置发送数据包格式为：包头(2字符)+IMEI号(15字符)+消防栓压力值(2字符)+管道压力(2字符)+电池电压(2字符)+消防栓状态(8字符)+包尾(2字符)。实际发送数据是每一位字符对应的ASCII码，占用一个字节存储空间；包头使用字符“MM”，包尾使用字符“NN”；消防栓压力：实际数值放大100倍后取整，并转成两位16进制数；管道压力：实际数值放大100倍后取整，并转成两位16进制数；电池电压：实际数值放大10倍后取整，并转成两位16进制数；消防栓状态：8位字符从高到低的每位字符表示的内容为：第8位(保留未用)+第7位(栓体倾倒情况：0—正常，1—倾倒)+第6位(流量阀情况：0—关闭，1—开启)+第5位(消防栓压力情况：0—正常，1—低压)+第4位(消防栓压力情况：0—正常，1—高压)+第3位(供水管道压力情况：0—正常，1—低压)+第2位(供水管道压力情况：0—正常，1—高压)+第1位(电池电压情况：0—正常，1—低压)。

所述消防栓嵌入式数据采集装置，采集装置接收数据包格式为：包头(2字符)+供水管道压力上限(2字符)+供水管道压力下限(2字符)+消防栓压力上限(2字符)+消防栓压力下限(2字符)+发送时间(2字符)+包尾(2字符)。实际接收数据是每一位字符对应的ASCII码，占用一个字节存储空间；包头使用字符“MM”，包尾使用字符“NN”；管道压力上界或下界：实际数值放大100倍后取整，并转成两位16进制数；消防栓压力上下界：实际数值放大100倍后取整，并转成两位16进制数；发送时间：为发送数据帧的小时值，用两位16进制数表示。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明通过采集消防栓内腔和供水管道水压力，消防栓倾角，扫描流量开关和振动开关状态，通过预设定阈值，设置消火栓地理位置等可以判别消防栓是否水压欠压或超压，是否发生倾倒、水流动和振动，消火栓准确地理位置、是否干电池欠压等异常，并可将所采集数据和消防栓异常情况及时通过无线移动通信网络进行发送，可作为远程监控中心的警报依据，解决现有消防栓需要人工检查的弊端。

数据采集器通过多个I2C总线连接多个传感器，一方面可以提高I2C总线通信的效率，另一方面，有使得系统必备良好的可扩展性，很方便接入更多的传感器模块。

采集采用干电池供电，并通过定时休眠唤醒机制和供电开关等节能控制，使得干电池可以长时间使用，避免充电电池寿命短且需要经常充电的不足。无线网络通络通信机制上，采用回复数据包检查和多次重发的容错机制，保证通信的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为消防栓嵌入式数据采集装置的安装结构图；

图2为控制电路的组成结构示意图；

图3为软件的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1、2、3所示，本发明的消防栓嵌入式数据采集装置，包括主控电路板5，干电池6，两个压力传感器模块2、3，一个三维角度传感器模块10，一个流量开关4，一个振动开关11，通信天线8。该装置安装于消防栓7上的结构布局图如图1所示，两个压力传感器模块一个即3安装于消防栓7内腔，一个即2安装于连接消防栓7底部的供水管道1内；流量开关4安装于消防栓内腔；振动开关11和三维角度传感器10安装于主控电路板5上，主控电路板5与消防栓7垂直水平面方向平行放置，三维角度传感器10的水平面两轴平行水平面放置。

压力传感器模块2、3内包含压力传感器和信号处理电路板，压力传感器使用扩散硅，信号处理电路板对传感器模拟量信号进行采集、放大，然后转化为水压力值数字量，并通过I2C总线进行传输。本实例压力传感器的分辨率为0.01MPa，量程为0—5MPa，由于传感器需要直接与水接触，整个传感器模块需要有防水密封结构，即不能使得消防栓泄漏，又要防止信号处理电路板潮湿短路。

三维角度传感器模块10内包含电子三轴陀螺仪和信号处理电路板，信号处理电路板对传感器模拟量信号进行采集、放大，然后转化为与三轴夹角的数字量，并通过I2C总线进行传输。主控电路板获取到三轴角度值后，需要进一步计算消防栓与水平面的夹角。本实例角度传感器的分辨率为0.1度。

主控电路的组成结构如图2所示，主控电路板5包括主控芯片，采用美国微芯科技的PIC18F1220单片机，无线移动网络通信模块9采用上海移远通信技术股份有限公司的BC95，采用高增益4G全向内置PCB天线。供电电子开关采用MOS管开关电路。

总电源由两节3.6V电池并联使用，标称容量大19000mAh，一节使用美国Ultralife公司的锂亚硫酰氯电池，型号为：ER34615，D型，一节使用亿纬锂能股份有限公司的锂离子电池电容器，型号：SPC1550。

主控电路板5，BC95模块，三维角度传感器模块10，干电池都安装在消防栓专用防水密封盒内，消防栓上设有压力传感器和流量开关连接主控电路板专用电线线槽，并加盖密封保护。

本实例中，开启流量开关4的最小水流量为15L/min，消防栓7倾斜20度以上为异常，消防栓内腔和管道压力正常范围设定为0.2-0.4MPa。

数据采集器主控电路板上的主控芯片程序主流程图如图3所示，主程序首先进行系统的初始化，然后建立系统的死循环处理结构。在轮询结构中，系统的时间累积量存储在变量ST中，每间隔30s累积一次，该变量累积到规定发送时间时，作为一次给远程监控中心发送信息的标志，发送完毕后，该变量清零，重新开始累积。

系统60S休眠时间通过看门狗定时来实现，当看门狗定时时间到的时候，唤醒系统一次。每个循环过程，系统都会通过I2C总线采集消防栓腔内水压力、连接管道水压力和消防栓的倾斜角度，通过I/O监测流量开关的开关状态，通过A/D接口采集供电干电池的电压值，采集完毕后，对这些值进行异常判断，如果出现水压力、倾斜角度和电池电压不符合阈值要求，以及流量开关打开等异常，则在系统下一次唤醒的时刻立即进行数据发送，并在每个轮询过程继续发送，直到异常情况消除为止。未采集数据或未进行数据通信时，通过电源电子开关关闭数据采集传感器模块和BC95模块电源，采集或数据通信时再打开。

系统的初始化工作主要包括：初始化系统时钟，本程序使用8MHz晶振；配置I2C用I/O，用于采集压力和倾角传感器器数据；配置模拟量采集功能模块，初始化UART模块，用于与BC95模块进行数据交互；配置BC95初始工作状态；初始化E2PROM存储器，用于存储阈值等数据。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种消防栓嵌入式数据采集装置，其特征在于：包括主控电路板、两个压力传感器模块、一个三维角度传感器、一个流量开关、一个振动开关；两个所述压力传感器模块中的一个安装于消防栓内腔，另一个安装于消防栓底部的供水管道内，以分别检测所处位置水压力；流量开关安装于消防栓内腔，用于检测所处位置水流动情况；振动开关和三维角度传感器安装于主控电路板上，用于检测消防栓的振动和倾斜情况，主控电路板设置于固定于消防栓外周的主控箱内，该主控箱与消防栓垂直水平面方向平行放置，三维角度传感器的水平面两轴平行水平面放置。

2.如权利要求1所述的消防栓嵌入式数据采集装置，其特征在于：所述消防栓嵌入式数据采集装置还包括一个供电电池，该供电电池连接在主控电路板上为主控电路板工作提供工作电源。

3.如权利要求2所述的消防栓嵌入式数据采集装置，其特征在于：所述供电电池为3.6V的干电池，该干电池由一节锂亚硫酰氯电池和一节锂离子电池电容器并联而成。

4.如权利要求2所述的消防栓嵌入式数据采集装置，其特征在于：所述主控电路板包括主控芯片、该主控芯片包括模拟量转化数字量采集接口(AD)、串行接口(UART)、I2C总线、多路基本输入输出接口(GPIO)；所述主控芯片通过串行接口连接无线移动网络通信模块，通过模拟量转化数字量采集接口连接供电电池，通过基本输入输出接口((GPIO)连接供电电子开关为无线移动网络通信模块、三维角度传感器、压力传感器模块提供工作电源，通过I2C总线分别连接三维角度传感器、压力传感器模块进行数据收发读写。

5.如权利要求4所述的消防栓嵌入式数据采集装置，其特征在于：所述主控芯片为位微控制器MCU。

6.如权利要求4所述的消防栓嵌入式数据采集装置，其特征在于：两个压力传感器模块和三维角度传感器的I2C时钟线采用同一个GPIO，数据线分别采用独立3路GPIO。

7.如权利要求4所述的消防栓嵌入式数据采集装置，其特征在于：所述流量开关和振动开关通过GPIO连接主控电路板，各占用一个GPIO，通过高电平表示开关开启状态，通过低电平表示开关闭合状态。