基于物联网技术的智能消防巡检系统设计与应用研究

刘吉斯，尹春雷

（海湾安全技术有限公司，河北 秦皇岛 066000）

消防设施作为现代化城市不可或缺的一部分，是其安全运行的重要保障，如何保证消防设施正常运行备受各界人士的关注。巡检作为目前获取消防设施运行状态的主要方法，依赖巡检人员的经验获取消防设施的运行信息，这种巡检方法的不足是效率低，主观判断的信息不准确，巡检信息上报实效性差，不能达到较好的应急响应效果。故而研究智能化、自动化的巡检技术，开发先进的智能巡检系统，对于提高消防设施巡检效率具有重要意义。

相较于西方发达国家，我国的智能巡检技术研究起步较晚，技术并不完善，如消防管线布置形式多为层级形式，不同层级管线之间存在连接关系，要想准确实现智能巡检，必须攻克管线层级管理的现状，难度极大。近年来，物联网技术得到了飞速发展，能够与任何物品相连，具备很好的数据传输功能，为消防智能巡检系统的设计提供了新技术、新方向。

智能化巡检系统的开发，能够提高消防设施巡检的效率和消防设施管理的水平，规范消防设施巡检作业流程。因此，基于物联网技术以及网络地理信息服务技术，开发智能消防巡检系统，对于提高消防设施巡检技术水平和效率意义重大。

1 系统总体方案设计

1.1 系统架构

智能消防巡检系统架构如图1 所示，基于物联网的结构层次设计，主要由感知层、网络层和应用层组成。感知层的作用是完成消防系统水管压力的采集，涉及水压传感器和数据采集模块两部分，为智能消防巡检系统实现提供数据来源。感知层主要元器件包括RFID 标签和读写器、水压传感器、RFID 网络等，巡检人员工作过程中可以直接获取水压信息，经手机客户端上传入网。传输层的作用是将消防系统中水压传感器检测得到的压力数值、消防栓运行状态等数据入网传输，是数据实时上传的基础。系统可以使用公网和专用网，包括移动通信网、互联网和专用网等。应用层的作用是处理采集得到的消防系统运行状态信息，能够实现数据的存储、分析和管理等功能，系统设置了管理员和巡检员的应用权限，能够区别实现个性化服务。智能消防巡检系统中的感知层、网络层和应用层之间的信息传输并不是单向的，具有交互控制的功能。各层之间需要传输的数据也各不相同，涉及RFID 信息数据、消防设施运行数据、消防管路水压信息等。

图1 智能消防巡检系统架构

1.2 系统功能

智能消防巡检系统涉及的功能模块包括消防栓信息维护、消防栓巡检展示和巡检数据分析等，消防栓信息维护功能是对消防系统中的消防栓进行注册，将其备案到系统后台中，如果出现消防栓信息的变动，也可以进行消防栓信息的修改，确保消防栓信息的准确。消防巡检展示是展示消防栓巡检结果并存储，同时在系统终端进行视觉图像展示，实现巡检信息的可视化。巡检数据分析的作用是查阅历史数据信息，实现系统巡检数据的综合分析，以便获取消防系统巡检结果的变化趋势，更好地指导巡检人员的实际工作。

2 硬件设计

2.1 水压传感器

水压传感器作为智能消防巡检系统的重要组成，要求其具有检测精度高、响应灵敏等，故而选择了带有硅压阻式压力充油芯体的水压传感器，型号为SIN-P300，如图2 所示。该水压传感器的精度高达0.5%，应用过程中能够实时检测到消防栓水管中的微小压力变化，具备数据采集和传输的功能，避免了巡检人员工作过程中频繁进行机械测试带来的体能消耗以及对消防管路产生的机械损害。水压传感器采集得到的压力数据传输至RFID标签读写器进行A/D 转换，将模拟量转换为数字量，之后写入RFID 标签。

图2 水压传感器

2.2 RFID 标签

RFID 标签种类较多，主要包括有源标签和无源标签两种。市面上存在的无源标签的不足是识别距离短，要求阅读器的性能更高，必须具有很大的发射功率才能完成标签的识别；有源标签受制于体积结构，安装、维护成本等制约了其使用的可能。智能消防巡检系统需要具有远距离识别、能耗低、非电池供电的有源标签，为此系统选择了型号为BRT-49 的RFID 的无源标签，在保证安装维护功能的前提下具备远距离识别的能力，如图3所示，满足智能消防巡检系统设计要求。

图3 RFID 标签

2.3 解读器

解读器作为智能消防巡检系统的一部分，此处选择手持式解读器，是一种小型的行动装置，集成在智能消防巡检系统手持终端内，巡检人员巡检消防栓时，RFID标签存储的信息经过天线传输至解读器天线，进而获得载波信号。解读器对载波信号进行解调和解码处理，再将数据传输至系统终端进行显示。解读器负责RFID 标签信息数据的采集工作，实现智能消防巡检系统标签数据的读写功能，为了提高采集器的紧凑性，选择了902～928MHz 的超高频RFID 读头。RFID 读头的读写频率数值为902 ～928MHz，数据读写速度快、能够保证数据采集的效率。

2.4 系统终端

智能消防巡检系统终端通俗地说就是巡检人员巡检过程中的工具，具有便携式特点的手持工具，巡检人员手持系统终端到现场，采集RFID 标签数据并实时显示在手持工具的界面中供巡检人员查阅，获取消防系统的运行状态信息。此处选择的系统终端为工业平板或普通的安卓手机，如图4 所示，安卓系统具有稳定的运行属性，版本为Android 13.0，满足智能消防巡检系统的设计要求。

图4 系统终端

3 软件设计

3.1 消防栓信息维护

消防系统巡检人员开展巡检工作时采用便携式终端设备在现场进行消防栓信息的注册，进入系统的感知层完成消防栓信息的录入，对消防栓的RFID 标签进行读取并初始化，之后将消防栓具体的型号、位置等信息写入RFID 标签进行存储，实现消防栓的唯一性标识。RFID 标签初始化在终端设备与标签解读器连接后完成，其中型号信息为消防栓的固有属性，位置信息借助百度地图提供。巡检人员信息录入路线是终端设备→解读器→RFID 标签。

消防栓信息写入RFID 标签：

RFIDAndBT.Rfid_Set_tag_data(eIdText.getText().toString(),strTagData);//消防栓信息写入RFID 标签。

消防栓的信息上传系统终端：

HttpPost httpPost=new HttpPost(url)；

httpClient.execute(httpPost);／/注册信息上传系统终端。

系统终端确认信息反馈，显示成功提示：

HttpReSPonse response=client.execute(httpPost)：／／接收服务器返回的信息。

3.2 消防设备巡检

智能消防巡检系统的感知层是实现巡检工作的基础，巡检人员通过便携式系统终端获取消防栓的RFID标签信息并采集消防管线内部的水压数据，实时掌握消防栓的工作状态。经过巡检工作，Android 终端就能够同时获取消防栓RFID 标签信息，借助解读器读取管路水压数值；便携式系统终端将采集得到的RFID 标签数据信息及时传输至智能巡检系统的后台进行存储和分析，并在百度地图中实时显示消防栓的位置信息。解读器识别与消防栓绑定完成的RFID 标签，获取并解析标签中的基本信息和水压传感器的水压数值，之后通过蓝牙4.0 发送给Android 13.0 终端，系统终端再利用HTTP 发送至后台管理系统进行存储与显示。

Itent.addAction(BROADCAST_GTRFID_DATA);// 接收蓝牙发送的RFID 标签信息。

String result=new HttpUtil（url，map）.sendHttpPostReq()；//发送巡检信息给服务器，并接收返回信息。

3.3 消防栓数据处理

巡检人员完成消防系统巡检工作后，巡检数据传输至系统终端进行数据的存储和分析，确定消防设施是否出现消防设施故障及巡检状态是否正常。消防设施故障分析工作重点关注点是消防管路，通过观察系统中消防管路各个位置的水压数据，确定消防管路中是否出现消防栓故障，并显示具体的故障位置。消防设施巡检状态分析的重点是监督消防设施巡检时间和次数等是否按时完成，为消防栓及管线的统筹管理与维护提供依据。

4 关键技术

4.1 消防管线分层分级管理

城市内的消防系统管线多布置于地下，环境昏暗，管理工作极为困难。消防管路巡查工作需要获取消防管道的供水信息，确定消防管路的运行情况。智能消防巡检系统基于百度地图设计，引入了拓扑识别、面向对象等先进的技术，能够根据实际管线走势更新建网。系统内部设计有消防管线拓扑图，可以自动识别主管、支管、管径等，在消防管线注册时进行关联录入就确定了管线的特征，根据巡检过程中采集得到的管线水压、水量等信息，就可以判断出管线的负荷情况、供水线路等，指导巡检人员对消防管线实施调整控制。系统还具有应急预案提示的功能，当消防管路出现爆管等故障时，系统基于管网布置情况给出阀门关闭方案、事故隔离措施等。

4.2 基于空问位置的消防设施统一管理

物联网是能够将不同空间内的物体联系起来，依赖GIS 地理空间信息。与此同时，GIS 的信息集成、实时显示及其空间分析功能为物联网的应用也提供了足够的时空数据，终究实现物体与物体之间的信息传输与联系。因此，GIS 技术作为智能消防巡检系统设计的关键技术，与物联网技术相结合后，实现了消防巡检工作的自动化和智能化。

消防系统正常工作的前提是供水正常，智能消防巡检系统的设计能够对消防栓及管线位置进行注册定位，实时显示消防栓的巡检信息，并且能够对消防栓的位置及所处的管路进行定位。用户采用移动终端设备进行消防栓的信息注册录入，之后将信息上传至系统后台进行存储，系统Web 端利用jQuery 库与系统业务层进行数据交互，结合百度地图的位置信息就可以实现消防栓运行状态的实时显示。Android 端和服务器端具有定时自动更新功能，确保显示出来的消防栓信息是最新的巡检信息。Android 端通过HTTP POST 协议定时向系统的后台传输巡检信息，并对返回的数据进行处理和显示。智能消防巡检系统内部设置有消防栓状态图例，能够根据消防栓实际的巡检信息和状态将其对应的图例进行显示。

5 应用效果评价

为了验证智能消防巡检系统设计的合理性和可行性，将设计完成的系统在秦皇岛市经济技术开发区XX消防栓的巡检过程中进行试验，具体的试验流程包括以下内容。在消防栓上设置水压传感器和RFID 标签；之后进行消防栓地理位置的定位，编制消防栓的RFID 标签信息，实现消防栓标识的唯一性注册；进行日常的消防栓巡检工作，确定消防栓巡检信息是否能够可靠显示。试验结果如图5 所示，智能消防巡检系统中能够检测得到消防栓的地理位置及注册信息，巡检终端具有消防栓信息数据，水压实测数值为0.3MPa，巡检结果提示消防栓运行正常，系统标注的巡检时间为2023 年4 月12 日11:10。综上可知，智能消防巡检系统试验结果很理想，具有很好的应用前景。

图5 系统终端巡检表单界面

6 结语

随着城镇化建设工作的推进，消防安全工作备受人们的关注。针对当前消防巡检工作存在劳动强度大、工作环境恶劣、自动化程度低、数据不够准确等问题，开展了智能消防巡检系统的设计，引入了先进的物联网技术，彻底颠覆了当前消防系统人工巡检的现状，提高了消防栓及消防管线巡检工作的效率，降低了巡检人员的劳动强度。智能消防巡检系统合理性和可行性试验结果表明，系统能够很好地应用于现有的消防系统中，能够实现消防栓信息录入、水压数据的采集及上传存储，能够实时显示消防栓的地理位置，为巡检人员提供必要的巡检数据信息，可以很好地指导巡检人员开展工作。