摘 要：針對(duì)當(dāng)前室外消火栓疏于監(jiān)測(cè)、管理的問題，以STM8L152芯片為核心，研制了消火栓監(jiān)測(cè)終端，結(jié)合壓力開關(guān)、壓力傳感器、水流開關(guān)、流量計(jì)、溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)室外消火栓的全方位監(jiān)測(cè)。針對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)的低功耗需求，基于NB-IoT技術(shù)采取優(yōu)化的功耗管理、數(shù)據(jù)采集與傳輸模式，最大限度降低系統(tǒng)功耗。

　　關(guān)鍵詞：室外消火栓;消火栓監(jiān)測(cè);NB-IoT;STM8L152;低功耗;傳感器

　　0 引 言

　　室外消火栓處于供水管網(wǎng)的末端，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，可以為消防救援提供取水滅火[1-2]。室外消火栓存在復(fù)雜的管理歸屬問題[1，3]，消火栓損壞或無水狀態(tài)常常無人知曉，一旦附近有火情發(fā)生，將嚴(yán)重阻礙消防救援[4]。為降低室外消火栓的管理成本，亟需研制消火栓監(jiān)測(cè)終端，對(duì)室外消火栓進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

　　功耗問題是研制消火栓監(jiān)測(cè)終端的一大難點(diǎn)。室外分散安裝的方式使得終端系統(tǒng)只能選擇電池供電;為滿足室外消火栓數(shù)據(jù)的采集、傳輸需求，需盡可能降低系統(tǒng)功耗，延長電池使用壽命。

　　窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興技術(shù)，其憑借低功耗、廣覆蓋等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)[5-9]，這為研制超低功耗消火栓監(jiān)測(cè)終端提供了有利條件。文獻(xiàn)[10]基于NB-IoT技術(shù)研制了消火栓檢測(cè)及管理系統(tǒng)，但具體細(xì)節(jié)并未披露。

　　針對(duì)上述問題，本文基于NB-IoT技術(shù)，以STM8L152芯片為核心，研制消火栓監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室外消火栓的狀態(tài)監(jiān)控。

　　1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　以STM8L152為核心的消火栓監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)硬件主要包括采集模塊、聯(lián)網(wǎng)模塊、功耗管理模塊、調(diào)式模塊以及存儲(chǔ)模塊。

　　1.1 采集模塊

　　采集模塊包含了對(duì)管網(wǎng)壓力、環(huán)境溫度、電池電壓及水流的測(cè)量采集。

　　(1)壓力開關(guān)

　　通過壓力開關(guān)傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消火栓管網(wǎng)的水壓是否低于或達(dá)到正常值。當(dāng)消火栓管網(wǎng)壓力低于正常值或管網(wǎng)壓力恢復(fù)時(shí)，壓力開關(guān)均會(huì)動(dòng)作，輸出欠壓或壓力恢復(fù)信號(hào)，即時(shí)將CPU從休眠狀態(tài)喚醒。

　　(2)壓力傳感

　　高精度壓力傳感器輸出4～20 mA電流信號(hào)，供ADC模塊采樣轉(zhuǎn)換，得到精確水壓值，實(shí)現(xiàn)對(duì)消火栓管網(wǎng)壓力的精確測(cè)量。

　　(3)溫度傳感

　　由于一年四季溫度變化較大，而消火栓監(jiān)測(cè)終端用于室外，因此設(shè)計(jì)了溫度采集模塊，采用溫度傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備所處的環(huán)境溫度。

　　(4)電池電壓

　　通過對(duì)電池當(dāng)前電壓的采集，間接反映電池的剩余電量，給用戶以提示。

　　(5)水流開關(guān)

　　水流開關(guān)用于監(jiān)測(cè)當(dāng)前是否有水流動(dòng)(用水)。在開始用水和停止用水時(shí)，水流開關(guān)均會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)通知CPU，將CPU從休眠模式喚醒。此外，水流開關(guān)也可接入脈沖輸出式流量計(jì)，通過對(duì)脈沖的累計(jì)，結(jié)合流量計(jì)的脈沖系數(shù)，即可得到流量值。

　　(6)流量計(jì)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)了USART通信的流量采集接口，通過向配接的流量計(jì)發(fā)送讀取指令，直接獲取精確流量值。

　　上述各項(xiàng)采集功能均可在系統(tǒng)參數(shù)里獨(dú)立的使能、配置或禁止。另外，考慮到設(shè)備安裝完畢后，基本不會(huì)移動(dòng)，所以設(shè)備不采集位置信息，位置信息由安裝人員在實(shí)際安裝時(shí)通過錄入軟件錄入到數(shù)據(jù)庫中。

　　1.2 聯(lián)網(wǎng)模塊

　　NB-IoT模組選擇移遠(yuǎn)通信的BC26芯片，該芯片具有尺寸小、靈敏度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)支持移動(dòng)、電信、聯(lián)通運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，便于產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

　　1.3 功耗管理

　　系統(tǒng)采用2節(jié)3.6 V鋰離子電池供電，為保證電池的使用壽命，必須嚴(yán)格控制系統(tǒng)功耗。

　　(1)合理供電

　　在休眠狀態(tài)下，系統(tǒng)對(duì)非必要運(yùn)行的外圍模塊停止供電，包括通信模塊、壓力傳感采集模塊、溫度傳感采集模塊、E2PROM模塊等，可最大化降低系統(tǒng)功耗。

　　(2)合理配置GPIO狀態(tài)

　　對(duì)于使用的GPIO，根據(jù)實(shí)際電路連接狀態(tài)，合理配置為輸出高電平或輸出低電平模式;對(duì)于懸空未用到的GPIO，統(tǒng)一配置為輸出低電平模式。

　　(3)分時(shí)用電

　　系統(tǒng)對(duì)耗電量較大的采集模塊和聯(lián)網(wǎng)模塊采取分時(shí)供電方案。數(shù)據(jù)采集時(shí)，先開啟壓力傳感器供電電源(24 V)，待壓力傳感器輸出電流信號(hào)穩(wěn)定后，完成傳感器信號(hào)的采樣，然后立即關(guān)閉電源;接著完成對(duì)其他傳感信號(hào)的采集，并關(guān)閉所有采集模塊電源;最后開啟聯(lián)網(wǎng)模塊電源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避免不必要的電源損耗。

　　(4)觸發(fā)性與周期性數(shù)據(jù)采集機(jī)制

　　為盡可能降低功耗，系統(tǒng)大多時(shí)間處于休眠模式，無法主動(dòng)監(jiān)測(cè)消火栓的運(yùn)行狀態(tài)。為實(shí)時(shí)響應(yīng)消火栓運(yùn)行狀態(tài)的突變，系統(tǒng)增加開關(guān)量監(jiān)測(cè)方式，通過GPIO中斷將CPU喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，喚醒源包括壓力開關(guān)、水流開關(guān)、觸發(fā)開關(guān)。同時(shí)，考慮到輸入開關(guān)量只適合監(jiān)測(cè)參數(shù)突變，不適合監(jiān)測(cè)緩慢變化的特性，系統(tǒng)支持RTC時(shí)鐘定時(shí)喚醒進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)采集。觸發(fā)性與周期性相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集機(jī)制在兼顧系統(tǒng)功耗的同時(shí)，也可保證消火栓運(yùn)行狀態(tài)變化的實(shí)時(shí)感知。

　　(5)觸發(fā)性與周期性數(shù)據(jù)上報(bào)機(jī)制

　　與數(shù)據(jù)采集機(jī)制類似，數(shù)據(jù)上報(bào)也包含觸發(fā)性與周期性兩種。在傳感數(shù)據(jù)采集完畢后，若判斷傳感數(shù)據(jù)變化超出預(yù)設(shè)范圍，則立即觸發(fā)數(shù)據(jù)上報(bào)，否則不上報(bào)，以降低系統(tǒng)功耗;同時(shí)，若當(dāng)前時(shí)間距上次數(shù)據(jù)上報(bào)的時(shí)間間隔超過預(yù)設(shè)的上報(bào)周期，也會(huì)進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)上報(bào)。

　　1.4 調(diào)試模塊

　　系統(tǒng)調(diào)試模塊包括調(diào)試串口(上位機(jī))、觸發(fā)開關(guān)和蜂鳴器。調(diào)試串口通過電平轉(zhuǎn)換可接入PC機(jī)或手機(jī)，以便對(duì)設(shè)備進(jìn)行出廠測(cè)試、參數(shù)設(shè)置;觸發(fā)開關(guān)為一干簧管，設(shè)備組裝完畢后，緊貼于外殼上壁(外殼相應(yīng)位置做圖案標(biāo)記)，當(dāng)設(shè)備在現(xiàn)場安裝完畢后，安裝人員常常需要即刻觸發(fā)設(shè)備，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集上報(bào)，這時(shí)可將一磁鐵貼在正對(duì)干簧管的殼壁處，將設(shè)備從休眠模式中喚醒;蜂鳴器則是給安裝人員以聲音提示，當(dāng)設(shè)備從休眠模式中喚醒，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸后進(jìn)入休眠時(shí)，均會(huì)發(fā)出不同的提示音，方便現(xiàn)場安裝人員調(diào)試。

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