公路隧道消防管网水压远程监控预警系统设计探讨

刘良旭 郑义恒

摘要：文章设计了一种应用于公路隧道消防管网的水压远程监控预警系统，实现对隧道消防栓水压的测量、远程监测及水压异常预警。系统包括传感层、传输层和应用层，即终端数据采集节点、传输模块和服务端软件平台。实践表明，该系统测量准确，响应及时，能为隧道消防安全提供技术支撑。

关键词：隧道;消防;水压检测;远程监控

中图分类号：U459.2A331185

0 引言

到2020年，我们国家公路的总长度高达500万km，其中包含的隧道长度将近2 000 km[1]。为了适应经济社会的发展，高速公路里程和隧道里程还会呈现逐年增长的情况。由此带来了一个较大的问题，即发生在公路隧道内的火灾事故也越来越多。根据大数据的统计结果表明，隧道内火灾发生的次数与车流量及隧道里程的关系为：10～17次/（亿车·km），如此规模的火灾事故带来了较大规模的车辆损坏和驾乘人员伤亡事故，从而带来较大的经济损失[2]。在隧道火灾发生的初期，铺设在隧道内的消防管道成为火情控制的第一道防线。因此，消防管道的水压是否达到标准，成为火灾发生时能否在第一时间控制火情的重要条件之一。

鉴于此，本文设计了一套公路隧道消防管网水压远程监控预警系统。

1 系统方案

本方案总体系统组成框图如图1所示。设计分为四个层级，包括最底层水压监测、数据传输网络、数据管理服务器后台和应用层软件平台。

感知层水压监测终端由消防管网水压检测、传送智能控制模块及水压传感器组成，传感器检测每个节点水压是否正常，智能模块由LORA网络构成无线传感器网络，最终将数据汇总于汇聚节点[3]。

汇聚节点将测得的水压数据通过4 G网络或者有线网络将数据发送给后台服务器。

服务器可部署在道路监控部门的机房，也可部署在云端。后台的数据库存储各个节点上传的基础数据，同时和前端进行数据交换。管理人员既能通过登录网页进行管理，也可利用APP进行各项操作。

2 智能水压采集终端设计

智能水压采集终端组成如图2所示，包括水压传感器、处理电路、单片机、Lora模块。

2.1 水压传感器

按照规范，隧道消防栓的栓口的压力必须处于0.4～1.0 MPa之间，经过减压稳压消防栓减弱之后，栓口的压力下降到0.25～0.3 MPa范围，相当于25～30 m的水柱压力[4]。因此，水压检测采用SP-350-A型传感器，外观如图3所示。

这种传感器为工业级精度，能稳定可靠地输出电流信号。精度等级为0.2%，量程范围0～2 MPa。传感器的供电方式为3.3 VDC，采样输出信号为0～3 V的电压，防护等级IP65，工作电流为70 μA。此传感器输出的信号最终在单片机内完成模数转换变成数字信号，从而得到准确的水压值。

2.2 单片机

系统采用低功耗的MSP430F133单片机，该芯片供电电压为范围为1.8～3.6 V，最显著的特点就是它的低功耗性能，备用状态下电流可低至1.6 μa，内置12位AD转换器可实现水压信号的读取，包含USART可完成LORA模块的数据通讯。2个16 bit计时器。主频8 Mhz完全满足此应用的需求。

2.3 LORA模块

为了将各个检测节点构成无线传感网，选用LORA模块来实现数据的组网及传输，型号为E22330T30Z。该模块的核心器件是SEMTECH公司SX1262射频芯片。其实质是一个无线UART模块，可设置为多种传输方式，采用基于LoRa协议的扩频通信技术，工作频段为220.125～236.125 MHz。该模块采样TTL电平输出，具有较强的适应性，能兼容3.3 V或者5 V单片机的IO电压。休眠电流为2 μa，发送数据为530 ma。该模块具有传输距离远、速更快、功耗低、体积小的特点。支持空中唤醒、无线配置、载波监听、自动中继、通信密钥等功能，支持分包长度设定，可提供定制开发服务。

在中继组网的形式下，可实现远距离的数据传输。中继组网如图4所示。

模塊与单片机的连接如图5所示。图中，M1M0为模块的工作模式选择端口，两者的电平组合可以选择4种不同的工作模式，需要指出的是这两个引脚不能悬空。RXD、TXD作为TTL串口与单片机交换数据。AUX用于指示模块当前的工作状态，在实际应用中当收到数据时可以用于触发单片机，上电自检初始化期间输出低电平。VCC供电范围为3.3～5.5 V。ANT引脚为天线接口，匹配50欧天线。

所有数据采集终端的信号汇聚到主节点之后再通过4 G模块将底层数据传回后台服务器。本设计选用E840-TTL-4G05，它是一款能在多个频段工作的分集接收模块。模块可利用AT指令进行各种参数设置，即可快速地实现单片机串口与公网的双向数据交互。

2.4 电池选取

为了减少维护的频率，在电池供电的前提下，本系统的终端节点稳定工作的时间越长越好。要满足这个要求，就必须采取措施让它尽可能地在低功耗的模式工作。对本系统中数据采集终端节点的功耗分析如下：

数据采集终端节点每10 min被唤醒一次采集消防栓水压及电源电压，如果正常就再次进入休眠状态，如果水压过低或者电源电压过低就启动一次LORA传输报警数据，完成之后返回休眠模式。在此情况下，数据采集终端节点每10 min的流耗约为：传感器流耗+MSP430单片机休眠的流耗+LORA休眠流耗。

需要发送报警数据情况下数据采集终端节点每10 min的流耗为：传感器流耗+MSP430单片机休眠的流耗+LORA休眠流耗+LORA发送一次数据的流耗。

根据数据手册可得：

正常情况下流耗为：70 μA+1.6 μA+2 μA=73.6 μA。

节点由两节号干电池供电，提供的电量大约为1 450 mAh，由此可以计算节点理论上的工作时间如式（1）：

1 450 mAh/（73.6 μA*6）≈3 284 h≈136 d（1）

如果在需要发送报警信号的情况下，工作时间会缩短。后台收到节点电压过低数据之后会提示工作人员更换电池。

由此可知，数据采集终端节点在采用两节干电池供电时，如果以每10 min唤醒一次采集数据之后又快速进入休眠这样的模式工作，理论上工作时间可长达136 d，这完全能满足节点在隧道环境下连续长时间不间断工作的需求。

3 终端节点软件设计

本系统通过底层的数据采集终端节点，定时唤醒公路隧道内消防栓水压进行采用监测，同时也测量给模块供电的电池电压。如果测量发现消防栓水压过低或者电池电压低于安全的情况，最终会通过公网将信息发送至平台，并向工作人员发出告警提示，提醒工作人员及时对指定位置的消防栓进行检查维修。终端节点主程序及中断程序流程图如图6所示。

设备上电后，单片机首先给存储器设置初始值，并对AD、串口及中断系统进行初始化设置，并加载驱动。然后会完成网络的注册连接，确保板子已经接入4 G网络，数据传输方式为透模式。网络连接建立成功之后，单片机会定时通过AD接口读取消防栓水压数据及电池电压数据。当测量的水压或者系统的供电电压偏离预置的数值范围时会启动报警流程，将异常情况发送至后台数据库。水压或电池电压正常时，出于节能考虑可不发送数据。设备利用MSP430单片机低功耗特点，通过相应设置可使其在数据传输完成之后开启休眠模式，每过一段时间又自我唤醒进行下一次测量。休眠时间的长短可根据现场的实际情况调整，默认值为10 min[5]。

4 平台功能介绍

公路隧道消防管网水压远程监控预警系统后台的功能包括基本数据模块和监测信息模块两大部分。其中基础数据模块包括系统配置、基础数据，其结构如图7所示。监测信息模块包含终端监测、水压监测、报警处理，其构成如图8所示。各系统模块功能详述如下：

（1）系统配置：设置本系统各个模块的功能。

（2）基础数据：隧道位置、区域编号、消防栓布置、终端ID等基础数据，完成每天的数据存储以及异常告警提示的基本对象数据的管理。

（3）终端监测：对指定消防栓ID、当前线上消防栓列表进行实时测量，可同时查看多个通道的实时状态。

（4）水压测量：测量当前在线消防栓的水压是否正常。

（5）告警处置：包括对终端节点掉线、消防水压异常和电路板供电电压过低的状况进行报警信息的记录、反查、响应和数据分析等[6]。

通过以上功能的部署，可以实现对指定区域内的隧道消防栓水压及终端模块电池电压进行实时监测的目的，可从隧道延伸至路网，从而实现对道路消防系统的宏观管理。通过对报警记录进行查询与处理，可以了解相关隧道消防栓的报警及其排除情况。同时可对排除故障的进度进行全程跟踪与监管。此外，系统还实时提供报警情况，以便进行快捷处理。最后，系统可以对一段时间内各个隧道消防栓的数据进行综合统计分析，从而为隧道内消防栓的设置、维护管理、运行状况等提供参考依据。

5 结语

在我国公路里程不断增长的情况下，需要管理的隧道也越來越多。隧道的消防安全，也应越来越被重视。本公路隧道消防系统水压远程监控预计系统，实现了对消防管网水压的远程实时监测，提早发现隐患，保证消防管网的正常工作。实践表明，本系统测量准确，数据传输安全可靠，对故障点能及时预警。本系统将为隧道消防安全提供强有力的监察措施和技术支持。

参考文献：

[1]蒋树屏，林 志，王少飞.2018年中国公路隧道发展[J].隧道建设（中英文），2019，39（7）：1 217-1 220.

[2]DB43729-2012，公路隧道消防技术规程[S].

[3]叶方跃，郑伟南.基于LORA无线通信的数字开关量数据传输[J].工业仪表与自动化装置，2020（1）：102-105.

[4]苏洪涛，程 涛，汪 齐.高速公路隧道水消防系统设计探讨[J].中国水运（下半月），2016，16（5）：228-229，241.

[5]席小卫，徐 京，王雨琦，等.MSP430系列超低功耗单片机及应用探究[J].中国新通信，2020，22（2）：118.

[6]赵 平.基于物联网技术的智慧消防建设[J].智能城市，2019，5（18）：83-84.

收稿日期：2020-04-09