消防车工况及装备状态实时监测系统设计

钟 琳 陈 强

公安部上海消防研究所 上海 200438

一、引言

在我国城市化进程加快，各种高层/超高层建筑、功能复杂的大型建筑、四通八达的地下空间场所、各类新型社会场所、各类化工园区不断涌现的情况下，一旦发生火灾等灾害事故，如何提高应急处置效率，降低人员财产损失，是我国应急救援工作的一大难题。据统计，全国消防部队在用消防车辆装备已达34682辆，消防车辆已经成为我国应急救援力量中救援处置的主要力量和装备的载体。2013年至2016年，全国消防共出动车辆分别为183.2、205.6、206.2、207.4万辆次，消防车的出动数量呈现逐年上升的趋势。由此可见消防车辆是消防应急救援快速、有效处置的关键因素，是确保全国消防处置工作顺利开展的重要环节。

然而，目前消防车辆管理和应用与日益增长的社会火灾安全隐患相比，无论是从手段、方法，还是从水平、成效来看，都存在一定的不足。主要体现在：一、车辆的状态、上装设备的运行状态、携带装备的配置状态仍然存在不确定性，从而对灾情调度、现场指挥、物资保障的科学有效埋下隐患。二、车辆调度指挥不联网、不协同、不整体，无法为科学指挥提供技术基础。因此，亟待通过有效数字化手段，将车辆状态、位置、工况、装备等数据一一采集汇总，形成可用的数字化平台，实现消防车辆能力最大化。

随着电子技术的蓬勃发展迅速推动了各个行业的信息化、互联化、数字化发展，数字化浪潮已经逐渐显现。近年来，电子技术、传感技术和计算机等技术开始飞速发展，这些技术现在已经应用在了车辆的控制系统中。针对车辆参数方面研究，国内外主要集中在卡尔曼滤波的多信息融合参数进行估计车辆参数估计；针对状态监控方面，主要集中在基于CAN总线的车辆状态监控、基于PLC的车辆状态监控；沈阳消防研究所研发了对车载水泵压力、流量进行远程数据读取的监测系统。因此目前还未有针对消防车辆底盘、上装装备、携带装备等整体的工况及状态监控技术手段。

二、系统功能设计

针对现有消防车管理的不足，本文将针对典型消防车辆的运行状态、典型上装装备、典型配置的装备等详细参数、状态、工况情况，利用物联网、传感器、异构通信协议解析等关键技术，解决消防车辆底盘系统、水泵系统、罐体系统、随车配置的装备种类数量状态不清、数量不定、工况不明的问题，研制典型消防车辆工况及装备状态监测系统，有效确保消防车辆随时处于良好执勤战备状态，为执勤备战工作打下坚实的保障基础，确保部队随时拉得出、打得赢。

（一）物联网及通信解析技术

1.物联网物品管理技术

物联网技术是指通过条码、射频识别、传感器等各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，并与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。物联网的网络结构一般可分为三个层次：一是传感网络，即以RFID、传感器、二维码等为主，实现“物”的识别；二是传输网络，即通过现有的网络（互联网、广电网、通信网等），实现数据的传输；三是应用网络,即输入输出控制终端，实现人与物、人与人之间的信息进行交互。

（二）CAN车辆总线控制技术

消防车底盘CAN总线技术是一种综合计算机、自动控制、通信、显示、转换技术的集成数字技术。CAN总线结构是全开放、全数字、分布式控制和实时控制的双向串行通信的拓扑网络，通常以CIA国际标准CANOEN和J1939协议为框架，实现底盘装备、仪器仪表、智能操作与控制的微型计算机控制；同时运用友好的人机界面使整机的操作、信息的显示、数据的采集、分析、处理、记录和控制稳定、简便、直观、快速、安全的运行。

（三）实现功能

1.车辆底盘总线协议读取。主要针对消防车车辆底盘总线系统，利用异构协议解析技术形成通用型协议读取装置。实现对车辆工作状态，如发动机转速、剩余油量、实际运行时间等的数字化采集，并以此类数据为基数，在长时间、高压力处置大型灾害时，精确提供车辆快速调动、救援辅助无缝衔接、现场多种类消防车辆协同作战等现实迫切需要的技术支撑。

2.消防车辆上装设备实时感知。主要针对泡沫消防车车载上装设备（如水泵、水箱、比例混合器），对压力、流量、液位等状态进行实时监测。在现场救援时，可动态、量化、实时的显示泡沫剩余使用时间、水源使用时间、救援工作时长等信息，提高现场救援效率。

3.基于物联网技术的消防车载装备实时管理。针对消防车辆车载工具包、气瓶、水炮等各类装备，利用物联网技术，形成适用于屏蔽环境下的实时清点系统，能够快速清点随车装备数量和种类。在日常管理维保过程中，数字化、非人力清点的车辆装备管理。

4.消防车工况及装备状态实时监测平台。实现远程数据传输，将车辆信息迅速采集、汇总、储存，为数字化、科学化、精确化调度提供技术支撑。

图1 消防车工况及装备状态实时监测系统框架

三、系统原理及硬件设计

（一）系统构架

消防车工况及装备状态实时监测系统利用先进的计算机、嵌入式系统、电子传感器和网络通讯技术，将消防车辆（如转速、油量等）、各种车载设备（如比例混合器、水泵系统、照明系统、水炮控制、通信系统、液压泵控制系统等），通过车辆内部网络与无线通信网络连接到一起。一方面，监测系统可通过管理平台对车辆状态进行实时监控。另一方面，检测系统内的各种设备相互间可以通讯，车内安置的监控主机不需要用户指挥也能根据预先设定好的工作模式使各终端设备在不同的状态下互动运行。值得注意的是本系统为保证车辆安全，对于车载总线采用单向读取模式，避免数据骚扰对车辆安全产生影响。系统结构如图1所示。

车载监控终端安装在车辆上，通过标准OBD接口模块来获取车辆实时的油量数据、转速等车辆状态的数据流信息；通过压力、液位、流量等可传输控制的传感器，对车辆水罐、水泵、主管道等进行实时采集；通过RFID嵌入车载装备，对车载装备数量、种类进行监测；主控模块在完成各项信息数据的采集与处理后，按照预设的通信协议进行数据格式的转换、打包，最后驱动无线通信模块以TCP/IP协议将已处理打包好的数据发送到监控平台。

由于系统用于车辆监控管理领域，对数据的采集与处理要求实时性，因此芯片处理能力需要较强能力，同时能够需要完成多个任务，包括数据采集、处理、发送等。系统选用STM32作为主控制器芯片。STM32是基于Cortex-M3处理器内核芯片，具有使用灵活，功耗低、处理能力强等特点；系统选用DCAN103COBD模块作为OBD-II转译芯片，该模块支持常用ISO-9141等协议，能够和大部分汽车的ECU进行诊断通讯。具有高集成、低功耗的电路设计、简单易用、响应速度快等优点。芯片通过标准OBD接口与汽车ECU相连接，通过发送相关数据请求命令，便能得到相关的应答参数。此外，模块还支持汽车故障诊断、DTC诊断请求、故障码输出、故障码清除等功能。

（二）系统逻辑结构

I线以上为远程控制单元；I线和II线之间为车辆控制部分；II线以下为分散控制单元。系统通过车辆总线及网络对车内各个设备进行控制和数据采集。系统逻辑分成多个部分，每个部分都包含一个或多个设备，各个设备将采样到的相关信息及自身状态通过总线与网络发送给车载监控终端，车载监控终端根据这些信息及控制策略来决定下次的动作，其命令通过总线与网络发送到各个设备单元，实现控制。车载监控终端通过太网接口，可以和Internet、本地计算机及远端设备进行通讯，从而实现分散、集中和远程控制。各接口控制器实际是一个局部控制器，可以放置在消防车辆内部各部位，可提供快速的接入，其功能根据放置的地点不同而不同，尤其在系统遇到故障时，仍可完成单节点的控制。

四、小结

现有消防车辆管理手段仍以人力手段为主，依赖消防官兵对车辆日常进行维护、保养和管理，缺乏信息化技术支撑。日常维护仅能针对已暴露的故障进行送修；车载装备工况无法掌握；车载装备交接存在漏洞。这些问题已经逐渐影响到消防快速处置。而物联网、传感器等技术作为继互联网之后又一项新兴信息技术，在消防领域的研究刚刚起步。因此，如何利用物联网技术提高消防装备信息化水平，提高消防装备效能，提升消防部队战斗力，需要开展深入研究和探索。

本文从消防车辆监控和管理的实际需求出发，提出了基于传感器技术实时监控及基于物联网技术设备管理的研究思路，开发消防车辆监控和管理实用硬件产品和软件，实现消防车辆状态、上装设备工况、车载设备数量的实时感知。研究成果将有力促进与提高消防车辆可靠性等级，从而增强消防部队灭火救援处置和调度能力，最终使得传感器、物联网等技术能真正应用到消防实际工作中去。