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      基于NB-IoT的室外消火栓監測終端

      發布時間:2020-12-28 10:01所屬分類:綜合論文加入收藏

      摘 要:針對當前室外消火栓疏于監測、管理的問題,以STM8L152芯片為核心,研制了消火栓監測終端,結合壓力開關、壓力傳感器、水流開關、流量計、溫度

        摘 要:針對當前室外消火栓疏于監測、管理的問題,以STM8L152芯片為核心,研制了消火栓監測終端,結合壓力開關、壓力傳感器、水流開關、流量計、溫度傳感器實現對室外消火栓的全方位監測。針對系統實現時的低功耗需求,基于NB-IoT技術采取優化的功耗管理、數據采集與傳輸模式,最大限度降低系統功耗。

        關鍵詞:室外消火栓;消火栓監測;NB-IoT;STM8L152;低功耗;傳感器

      消防論文發表

        0 引 言

        室外消火栓處于供水管網的末端,在火災發生時,可以為消防救援提供取水滅火[1-2]。室外消火栓存在復雜的管理歸屬問題[1,3],消火栓損壞或無水狀態常常無人知曉,一旦附近有火情發生,將嚴重阻礙消防救援[4]。為降低室外消火栓的管理成本,亟需研制消火栓監測終端,對室外消火栓進行自動化監測。

        功耗問題是研制消火栓監測終端的一大難點。室外分散安裝的方式使得終端系統只能選擇電池供電;為滿足室外消火栓數據的采集、傳輸需求,需盡可能降低系統功耗,延長電池使用壽命。

        窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)為物聯網領域的新興技術,其憑借低功耗、廣覆蓋等優點,已被廣泛應用于各行各業[5-9],這為研制超低功耗消火栓監測終端提供了有利條件。文獻[10]基于NB-IoT技術研制了消火栓檢測及管理系統,但具體細節并未披露。

        針對上述問題,本文基于NB-IoT技術,以STM8L152芯片為核心,研制消火栓監測終端系統,實現對室外消火栓的狀態監控。

        1 硬件系統結構

        以STM8L152為核心的消火栓監測終端硬件結構如圖1所示。

        系統硬件主要包括采集模塊、聯網模塊、功耗管理模塊、調式模塊以及存儲模塊。

        1.1 采集模塊

        采集模塊包含了對管網壓力、環境溫度、電池電壓及水流的測量采集。

        (1)壓力開關

        通過壓力開關傳感器可以實時監測消火栓管網的水壓是否低于或達到正常值。當消火栓管網壓力低于正常值或管網壓力恢復時,壓力開關均會動作,輸出欠壓或壓力恢復信號,即時將CPU從休眠狀態喚醒。

        (2)壓力傳感

        高精度壓力傳感器輸出4~20 mA電流信號,供ADC模塊采樣轉換,得到精確水壓值,實現對消火栓管網壓力的精確測量。

        (3)溫度傳感

        由于一年四季溫度變化較大,而消火栓監測終端用于室外,因此設計了溫度采集模塊,采用溫度傳感器監測設備所處的環境溫度。

        (4)電池電壓

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

        (5)水流開關

        水流開關用于監測當前是否有水流動(用水)。在開始用水和停止用水時,水流開關均會產生觸發信號通知CPU,將CPU從休眠模式喚醒。此外,水流開關也可接入脈沖輸出式流量計,通過對脈沖的累計,結合流量計的脈沖系數,即可得到流量值。

        (6)流量計

        系統設計了USART通信的流量采集接口,通過向配接的流量計發送讀取指令,直接獲取精確流量值。

        上述各項采集功能均可在系統參數里獨立的使能、配置或禁止。另外,考慮到設備安裝完畢后,基本不會移動,所以設備不采集位置信息,位置信息由安裝人員在實際安裝時通過錄入軟件錄入到數據庫中。

        1.2 聯網模塊

        NB-IoT模組選擇移遠通信的BC26芯片,該芯片具有尺寸小、靈敏度高、功耗低等優點,同時支持移動、電信、聯通運營商網絡,便于產品的推廣應用。

        1.3 功耗管理

        系統采用2節3.6 V鋰離子電池供電,為保證電池的使用壽命,必須嚴格控制系統功耗。

        (1)合理供電

        在休眠狀態下,系統對非必要運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,可最大化降低系統功耗。

        (2)合理配置GPIO狀態

        對于使用的GPIO,根據實際電路連接狀態,合理配置為輸出高電平或輸出低電平模式;對于懸空未用到的GPIO,統一配置為輸出低電平模式。

        (3)分時用電

        系統對耗電量較大的采集模塊和聯網模塊采取分時供電方案。數據采集時,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穩定后,完成傳感器信號的采樣,然后立即關閉電源;接著完成對其他傳感信號的采集,并關閉所有采集模塊電源;最后開啟聯網模塊電源進行數據傳輸,避免不必要的電源損耗。

        (4)觸發性與周期性數據采集機制

        為盡可能降低功耗,系統大多時間處于休眠模式,無法主動監測消火栓的運行狀態。為實時響應消火栓運行狀態的突變,系統增加開關量監測方式,通過GPIO中斷將CPU喚醒進行數據采集,喚醒源包括壓力開關、水流開關、觸發開關。同時,考慮到輸入開關量只適合監測參數突變,不適合監測緩慢變化的特性,系統支持RTC時鐘定時喚醒進行周期性數據采集。觸發性與周期性相結合的數據采集機制在兼顧系統功耗的同時,也可保證消火栓運行狀態變化的實時感知。

        (5)觸發性與周期性數據上報機制

        與數據采集機制類似,數據上報也包含觸發性與周期性兩種。在傳感數據采集完畢后,若判斷傳感數據變化超出預設范圍,則立即觸發數據上報,否則不上報,以降低系統功耗;同時,若當前時間距上次數據上報的時間間隔超過預設的上報周期,也會進行周期性數據上報。

        1.4 調試模塊

        系統調試模塊包括調試串口(上位機)、觸發開關和蜂鳴器。調試串口通過電平轉換可接入PC機或手機,以便對設備進行出廠測試、參數設置;觸發開關為一干簧管,設備組裝完畢后,緊貼于外殼上壁(外殼相應位置做圖案標記),當設備在現場安裝完畢后,安裝人員常常需要即刻觸發設備,進行一次數據采集上報,這時可將一磁鐵貼在正對干簧管的殼壁處,將設備從休眠模式中喚醒;蜂鳴器則是給安裝人員以聲音提示,當設備從休眠模式中喚醒,進行數據采集、傳輸后進入休眠時,均會發出不同的提示音,方便現場安裝人員調試。

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