基于NB-IoT的室外消火栓监测终端

侯其立 倪卫 叶凯音 汪洋

摘 要：针对当前室外消火栓疏于监测、管理的问题，以STM8L152芯片为核心，研制了消火栓监测终端，结合压力开关、压力传感器、水流开关、流量计、温度传感器实现对室外消火栓的全方位监测。针对系统实现时的低功耗需求，基于NB-IoT技术采取优化的功耗管理、数据采集与传输模式，最大限度降低系统功耗。

关键词：室外消火栓;消火栓监测;NB-IoT;STM8L152;低功耗;传感器

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-000-03

0 引 言

室外消火栓处于供水管网的末端，在火灾发生时，可以为消防救援提供取水灭火[1-2]。室外消火栓存在复杂的管理归属问题[1，3]，消火栓损坏或无水状态常常无人知晓，一旦附近有火情发生，将严重阻碍消防救援[4]。为降低室外消火栓的管理成本，亟需研制消火栓监测终端，对室外消火栓进行自动化监测。

功耗问题是研制消火栓监测终端的一大难点。室外分散安装的方式使得终端系统只能选择电池供电;为满足室外消火栓数据的采集、传输需求，需尽可能降低系统功耗，延长电池使用寿命。

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）为物联网领域的新兴技术，其凭借低功耗、广覆盖等优点，已被广泛应用于各行各业[5-9]，这为研制超低功耗消火栓监测终端提供了有利条件。文献[10]基于NB-IoT技術研制了消火栓检测及管理系统，但具体细节并未披露。

针对上述问题，本文基于NB-IoT技术，以STM8L152芯片为核心，研制消火栓监测终端系统，实现对室外消火栓的状态监控。

1 硬件系统结构

以STM8L152为核心的消火栓监测终端硬件结构如图1所示。

系统硬件主要包括采集模块、联网模块、功耗管理模块、调式模块以及存储模块。

1.1 采集模块

采集模块包含了对管网压力、环境温度、电池电压及水流的测量采集。

（1）压力开关

通过压力开关传感器可以实时监测消火栓管网的水压是否低于或达到正常值。当消火栓管网压力低于正常值或管网压力恢复时，压力开关均会动作，输出欠压或压力恢复信号，即时将CPU从休眠状态唤醒。

（2）压力传感

高精度压力传感器输出4～20 mA电流信号，供ADC模块采样转换，得到精确水压值，实现对消火栓管网压力的精确测量。

（3）温度传感

由于一年四季温度变化较大，而消火栓监测终端用于室外，因此设计了温度采集模块，采用温度传感器监测设备所处的环境温度。

（4）电池电压

通过对电池当前电压的采集，间接反映电池的剩余电量，给用户以提示。

（5）水流开关

水流开关用于监测当前是否有水流动（用水）。在开始用水和停止用水时，水流开关均会产生触发信号通知CPU，将CPU从休眠模式唤醒。此外，水流开关也可接入脉冲输出式流量计，通过对脉冲的累计，结合流量计的脉冲系数，即可得到流量值。

（6）流量计

系统设计了USART通信的流量采集接口，通过向配接的流量计发送读取指令，直接获取精确流量值。

上述各项采集功能均可在系统参数里独立的使能、配置或禁止。另外，考虑到设备安装完毕后，基本不会移动，所以设备不采集位置信息，位置信息由安装人员在实际安装时通过录入软件录入到数据库中。

1.2 联网模块

NB-IoT模组选择移远通信的BC26芯片，该芯片具有尺寸小、灵敏度高、功耗低等优点，同时支持移动、电信、联通运营商网络，便于产品的推广应用。

1.3 功耗管理

系统采用2节3.6 V锂离子电池供电，为保证电池的使用寿命，必须严格控制系统功耗。

（1）合理供电

在休眠状态下，系统对非必要运行的外围模块停止供电，包括通信模块、压力传感采集模块、温度传感采集模块、E2PROM模块等，可最大化降低系统功耗。

（2）合理配置GPIO状态

对于使用的GPIO，根据实际电路连接状态，合理配置为输出高电平或输出低电平模式;对于悬空未用到的GPIO，统一配置为输出低电平模式。

（3）分时用电

系统对耗电量较大的采集模块和联网模块采取分时供电方案。数据采集时，先开启压力传感器供电电源（24 V），待压力传感器输出电流信号稳定后，完成传感器信号的采样，然后立即关闭电源;接着完成对其他传感信号的采集，并关闭所有采集模块电源;最后开启联网模块电源进行数据传输，避免不必要的电源损耗。

（4）触发性与周期性数据采集机制

为尽可能降低功耗，系统大多时间处于休眠模式，无法主动监测消火栓的运行状态。为实时响应消火栓运行状态的突变，系统增加开关量监测方式，通过GPIO中断将CPU唤醒进行数据采集，唤醒源包括压力开关、水流开关、触发开关。同时，考虑到输入开关量只适合监测参数突变，不适合监测缓慢变化的特性，系统支持RTC时钟定时唤醒进行周期性数据采集。触发性与周期性相结合的数据采集机制在兼顾系统功耗的同时，也可保证消火栓运行状态变化的实时感知。

（5）触发性与周期性数据上报机制

与数据采集机制类似，数据上报也包含触发性与周期性两种。在传感数据采集完毕后，若判断传感数据变化超出预设范围，则立即触发数据上报，否则不上报，以降低系统功耗;同时，若当前时间距上次数据上报的时间间隔超过预设的上报周期，也会进行周期性数据上报。

1.4 调试模块

系统调试模块包括调试串口（上位机）、触发开关和蜂鸣器。调试串口通过电平转换可接入PC机或手机，以便对设备进行出厂测试、参数设置;触发开关为一干簧管，设备组装完毕后，紧贴于外壳上壁（外壳相应位置做图案标记），当设备在现场安装完毕后，安装人员常常需要即刻触发设备，进行一次数据采集上报，这时可将一磁铁贴在正对干簧管的壳壁处，将设备从休眠模式中唤醒;蜂鸣器则是给安装人员以声音提示，当设备从休眠模式中唤醒，进行数据采集、传输后进入休眠时，均会发出不同的提示音，方便现场安装人员调试。

1.5 存储模块

系统外扩一片E2PROM存储器，用于存储需频繁保存的运行参数，例如累计水流量、累计运行时间、最近一次传感数据等。

2 软件系统结构

系统软件采用模块化设计方案，包括数据交互、调试测试、系统管理、中断管理等模块，这些模块由主监控程序统一调用。系统软件框架如图2所示。

软件运行模式包括调试模式及监测模式，其流程如图3所示。

系统上电后，若在3 s内从调试串口接收到调试指令，则会进入调试模式。调试模式主要用于系统参数的配置，例如设备编号、功能模式选择、数据采集周期、数据上报周期、数据变化阈值、流量系数等参数;调试模式还可用于系统各模块的自测试，测试数据可通过调试串口上传至上位机，方便对设备进行出厂测试。

在监测模式中，系统大多时间处于休眠模式，并可由RTC定时器或外部触发中断将CPU唤醒;CPU唤醒后，根据传感数据变化以及当前时间推算是否需要进行数据采集或传输。

3 系统测试

系统研制完毕后，选择2套电路板进行三防漆喷涂、组装、功能测试，以考核系统指标。

3.1 温湿度试验

消火栓监测终端实际安装于室外、埋于地下使用，四季温差较大，且温度的变化容易造成设备舱内湿度发生改变，所以须对系统进行温湿度试验。低温试验条件为-20 ℃、试验48 h;高温与湿度试验同步进行，条件为温度60 ℃、湿度95 %RH，无凝露，试验48 h。试验过程中，每10 min进行一次数据采集、传输，通过查看后台服务数据判断系统在设定条件下是否工作正常。试验数据表明，试验过程中，设备无数据丢失情况，且各项传感数据采集结果与实际相符。

3.2 功耗测试

消火栓监测终端多数情况下处于休眠模式，所以需要关注系统在休眠模式下的电流。使用电流表串入系统供电回路，待系统休眠后，测试休眠电流。试验数据表明，系统休眠电流小于5 μA。

3.3 防护等级测试

消火栓监测终端实际埋于地下约15～20 cm处（实际室外消火栓所处位置存在差异），需考核设备的防浸水性能。将设备浸于75 cm水深的水桶内，连续运行4天，此间查看设备数据采集、传输的情况。数据表明，设备无数据丢失情况下，各项传感数据采集结果均与实际相符。试验完毕后，将设备从水桶中取出、开舱，发现舱内无进水。

4 结 语

本文以STM8L152为核心研制了消火栓监测终端，针对所关注的水压、用水量参数，外接压力传感器、流量计等设备，实现对室外消火栓的状态监测。选用的NB-IoT通信模组为联网设备，同时结合功耗管理、数据采集传输管理等模块，可最大限度降低系统功耗，延长电池使用寿命。对研制的监测终端进行温湿度测试、功耗测试以及防护等级测试，数据表明，系统达到了设计要求，可用于室外消火栓的监测。目前监测终端已于安徽、四川、海南等地投入使用。本文设计的消火栓监测终端在-20 ℃时可正常运行，适用于南方地区，对于冬季室外气温低于-20 ℃的北方地区暂不适用，而这也是本文下一步的研究方向。

参考文献

[1]刘东.谈室外消火栓的选型、设计与维护[J].建筑科学，2013，29（6）：233.

[2]包敏，何欣欣.石油化工企業室外消火栓的设置研究[J].中国石油和化工标准与质量，2017，37（23）：77-78.

[3]杨永权.关于严寒气候条件下室外消火栓建设的探讨[J].今日消防，2020，5（1）：121.

[4]汪渝.消火栓“很受伤”用什么来保护？新疆阿克苏市室外消火栓现状走访调查[J].中国消防，2015，36（22）：27-29.

[5]庄宝森，李双，张弦，等.基于专利分析的NB-IoT技术发展研究[J].物联网技术，2020，10（5）：61-63.

[6]姜成贵.NB-IoT在物联网中的应用[J].中国新通信，2020，22（1）：26-28.

[7]余子安.基于NB-IoT的智能家居系统设计[D].合肥：中国科学技术大学，2019.

[8]姚美菱，张星，孙青华，等.基于NB-IoT的智能火灾探测报警系统研究[J].电信快报，2020，57（4）：23-26.

[9]戴志宏，韩宇臻，郭帜捷.基于NB-IoT的“九小场所”火情监测系统[C]// 中国消防协会.2019中国消防协会科学技术年会论文集[A].北京：中国消防协会，2019：211-214.

[10]姜福浩，单超颖，刘野，等.基于NB-IoT的智能消火栓检测及管理系统[J].电子技术与软件工程，2020，9（5）：23-24.