消防给水及灭火设备监控系统的制作方法

本发明属于消防设备技术领域。

背景技术：

在消防水系统中，需要常态化的检测和管控，如自来水管网等压力、流量监测，监测它的必要性在于当消防水池、水箱水位不足时可及时补上；消防水池、水箱水位监测，监测消防水量是否满足消防用水量的要求；消防泵房的监测，监测各种消防泵出口压力；消防外网入户端、地沟管道、局部管道的水量及温度监控，消防井阀门、地沟管网等部位冻坏或冻堵造成灭火设备的水压水源不足而影响设备的正常使用，造成不可逆的后果。目前，都是由专人人工巡回检测，检测手段落后，劳动强度大，工作环境恶劣。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种消防给水及灭火设备监控系统，它可实现对消防水系统全覆盖自动监测。

本发明的技术方案是：由硬件电路设计、传感器驱动设计、无线通讯系统设计、以及软件算法设计组成。

水压计、流量计和温度传感器通过传感器接口与传感器的驱动电路输入端连接，驱动电路输出端与主控器输入端连接，无线通讯单元与无线手持终端对频呼应。

电流电压型传感器的通讯方式和接口，直接使用主控器内的模数转换器（adc），即电流电压型传感器的通讯方式和接口，是直接与主控器内的模数转换器连接。

脉冲形式传感器或者数字通信rs232/rs485、i2c、spi进行数值的输出，使用高速光耦作为光隔离器和电平转化器，即脉冲型的传感器或者数字通信rs232/rs485、i2c、spi进行数值的输出端与高速光耦连接。

i2c传感器1脚与供电端口vcc-3.3和gnd连接，i2c_scl和i2c_sda通过连接两个上拉电阻与主控制器的i2c功能端口连接，传感器相应的端口连接到控制器spi端口，即i2c传感器1脚与供电端口vcc-3.3和gnd连接，i2c_scl和i2c_sda通过连接两个上拉电阻与主控制器的i2c功能端口连接，传感器相应的端口连接到控制器spi端口。

无线通讯单元与无线手持终端采用基于wi-fi协议的无线通讯方式，系统在初始化的过程中初始为不显示连接名称(ssd)的无线接入点(ap模式)等待连接，无线手持终端作为无线站点(sta)通过扫描设备二维码获取设备的连接名称和密码或者输入设备的编号连接设备，建立连接。

本发明的有益效果是：

1、入户端消防水源监测。如自来水管网等压力、流量监测。监测它的必要性在于当消防水池、水箱水位不足时可及时补上。

2、消防水池、水箱水位监测。通过改良的液位仪读取水位信息实时监测消防水量是否满足消防用水量的要求。此技术的优点不仅保证消防水池、水箱的水量，还可将数据真实有效地提供给消防指挥员，以便合理制定相邻单位的灭火方案，合理调配消防资源。

3、消防泵房的监测。发生火灾时消防泵房是启动灭火设备的核心。此技术的特点是利用远传压力表监测各种消防泵出口压力，利用液位传感器监测集水井的水位是否超高，实时上传状态信息。根据多年的消防工作经验，消防泵房经常出现被水淹埋导致设备损坏的情况。而此技术的特点就是利用液位仪和我公司开发的静态画面消防专用摄像头来实时监测集水井水位是否超高，及时处理保证设备不被淹埋。

4、消防外网入户端、地沟管道、局部管道的水量及温度监控。这项技术的发明填补了外网检测的空白。我国地域辽阔，南北方温差极大，北方及高寒地区常常因消防井阀门、地沟管网等部位冻坏或冻赌造成灭火设备的水压水源不足而影响设备的正常使用，造成不可逆的后果。此技术应用的特点是通过改良后的温度传感器、水量传感器来监测一些部位管道的温度及水量。通过监测到的温度值来控制电加热装置的自动启停并实时上传工作状态信息，来保证管网不被冻坏，水流通畅好用。这项技术的应用达到了对北方高寒地区消防外网的实时监测与控制，方便了消防值班人员对消防井及管网的巡查及养护，大大提高了工作效率，降低了工作强度的同时保障了设施的完整好用。

附图说明

图1是本发明实施原理框图；

图2.1是本发明系统各单元关系框图；

图2.2是本发明硬件电路设计图；

图2.3是本发明电源硬件电路框图；

图2.4是本发明系统电源电路图；

图2.5是本发明传感器接口形式框图；

图2.6是本发明电流电压转换电路图；

图2.7是本发明脉冲型传感器电路图；

图2.8是本发明rs232型传感器电路图；

图2.9是本发明i2c型传感器电路图；

图2.10是本发明esp8266内部结构框图；

图2.11是本发明esp8266应用电路图；

图2.12是本发明cc3200模组电路图；

图2.13是本发明电流型、电压型传感器驱动框图；

图2.14是本发明数字接口型传感器驱动图；

图3.1是本发明无线通讯通道建立流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图所示，u是集成电路、c是电容、r是电阻、l是电感线圈。

本发明由硬件电路设计、传感器驱动设计、无线通讯系统设计、以及软件算法设计组成。其中硬件电路设计把各个硬件单元连接成了一个整体，让各个单元能够协同工作，是整个系统稳定、牢靠工作的基础。传感器驱动设计是各个传感器能够正常工作的基础，无线通讯系统通过各个传感器的驱动与传感器进行交互，能快速准确的获取各个传感器的数值。无线通讯系统的设计是整个系统的核心，其主要功能为，一方面获取传感器的数值，另外一方面建立起无线通讯信道，把滤波后的各个传感器数值通过加密算法处理后使用建立起的通讯信道传送到手持终端上。整个系统各个单元之间的关系如图2.1所示。

1、硬件电路设计

系统的硬件设计包含以下几个部分，电源设计、传感器接口设计、主控单元的选型以及外部电路设计。如下图2.2所示。

(1)电源设计

电源是整个系统的能量之源。在电源设计的过程中会考虑到该系统的安装场合使用电池或者外接电源两种方式，由于系统的各个部分供电电压不同还需要通过使用一定的手段把供电电压调整到合适的状态。在实际设计电源电路的时候会根据实际需求的功率大小选择合适的dc-dc芯片。具体变换如图2.3所示。

图2.4为整个系统的电源电路，输入电源通过自恢复保险丝f1和防反接二极管d1以及防浪涌tvsd2转换成24v的系统供电电压，然后经过lm2576线性稳压电源转换成5v电源用于给系统其它器件供电，由于12v电源的变换与5v的电源变换使用的是同一系列的芯片，外围电路没有本质上的区别，在这里不再累述。5v电源通过小压差、小封装dc-dc芯片ams1117转化成3.3v电源，给主控制单元供电。

(2)传感器的接口设计

不同的传感器会有不同的通讯方式和接口，就目前知道的水压计、流量计和温度传感器会以电流形式、电压形式，脉冲形式或者数字通信rs232/rs485、i2c、spi进行数值的输出。对于不同的数值输出形式，也将采用不同的接口方式进行连接。具体的接口转化如下图2.5所示。

对于电流型的传感器需要首先把电流信号转化成电压信号，电压信号通过主控器内部的模数转换器（adc）转换成数字信号即可。对于电压型传感器同理。对于rs232/rs485、i2c、spi型的传感器来说只需要主控制器有相应的外围设备即可实现通信，实现数据的读取。

针对电流电压型传感器，若对采集精度要求不高，可直接使用主控器内部自带的模数转换器（adc）。电压型传感器可直接接入到主控器的adc端口上，如果电压不在0-3.3v范围内，可使用运放进行电平调整。针对电流型传感器则需要先把电流信号转换成电压信号然后再接入到主控器的adc端口上，具体的转换电路如图2.6所示。传感器经过接插件p9接入电路，经过一路运放转换成电压信号，通过adc_channel0传入到主控制器，经过换算后就可准确的知道对应传感器采集到的数值。

对于脉冲型的传感器，比如常用的流量计可以使用如图2.7所示的电路，电路中使用6n137高速光耦作为光隔离器和电平转化器，流量计输出的脉冲经过光耦转化成主控制器可以识别的脉冲信号，接入到控制器的io端口上。主控制器经过中断处理，可以得到一定时间内采集到的脉冲数从而计算流量信息。

对于使用rs232的传感器来说，需要使用美信公司生产的max3232芯片进行电平转换，图2.8中tx1和rx1连接到主控制器的串口单元，max3232芯片的13、14脚连接到需要操作的传感器。这样就能实现串口通讯，进行数据交互。对于rs485型传感器来说，把max3232芯片换成sp485芯片即可。

对于使用i2c的传感器来说，可以使用图2.9所示电路，vcc-3.3和gnd是传感器的供电端口，i2c_scl和i2c_sda通过连接两个上拉电阻与主控制器的i2c功能端口连接，可实现通过i2c完成数据交互。使用spi类型的传感器电路与i2c类似，把传感器相应的端口连接到控制器spi端口即可，不需要上拉电阻。

(3)主控制器选型

就目前无线通讯的发展来看，短距离的无线通讯有很多方式，可以采用蓝牙、wi-fi、rfid、nfc、zigbee、以及各种频段的无线单元，比如433m无线通讯单元、2.4g无线通讯单元。

本系统需要能够实现快速连接，建立稳定可靠的通信通道，而且在不需要的时候可以隐藏连接内容。通过对上述无线通讯方式利弊的分析，得到wi-fi最适合本系统。

wi-fi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（wlan）的技术，通常使用2.4guhf或5gshfism射频频段。连接到无线局域网通常是有密码保护的；但也可是开放的，这样就允许任何在wlan范围内的设备可以连接上。另外wi-fi对外可以隐藏连接链接，只允许知道固定ssd名称和密码的用户连接，这种连接方式可以做成手持终端特有的连接方式。下边给出两种目前市面上常用的wi-fi控制器作为选择，并分析他们各自的优缺点以供选择。

①esp8266

esp8266ex是业内集成度最高的wi-fi芯片，最小封装尺寸仅为5mmx5mm。esp8266ex高度集成了天线开关、射频balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块，仅需很少的外围电路，可将所占pcb空间降到最低。esp8266ex内置tensilical10632位微型控制器(mcu)，具有超低功耗和16位rsic，时钟速度最高可达160mhz。支持实时操作系统(rtos)，目前wi-fi协议栈只用了20%的mips，其他均可用于用户编程和开发。其内部结构如下图2.10所示。

esp8266典型应用电路如下图2.11所示。

②cc3200

针对物联网(iot)应用的cc3200是一款集成了高性能armcortex-m4的无线mcu，借助片上wi-fi，互联网和稳健耐用的安全协议，不需要具有wi-fi经验即可实现更快速的开发。cc3200子系统包含一个运行频率为80mhzarmcortex-m4内核。此器件包含多种外设，其中包括一个快速并行摄像头接口，i2s，sd/mmc，uart，spi，i2c和四通道模数转换器(adc)。其wi-fi网络处理系统包含802.11b/g/n射频、基带和具有强大加密引擎的mac，以实现支持256位加密的快速、安全互联网连接。cc3200器件支持基站、访问点和wi-fi直接模式。此器件还支持wpa2个人和企业安全性以及wps2.0。wi-fi片上互联网包括嵌入式tcp/ip和tls/ssl堆栈，http服务器和多个互联网协议。

通过对比两款主控mcu的参数，发现两款芯片都能支撑本系统的应用，但各有优缺点，esp8266最大的优点在于价格，但是其外设资源不如cc3200更加完善，只能完成基本的功能，如果要实现功能扩展，比较困难。cc3200虽然说价格较高，其具有完备的开发资料，外设资源丰富，性能稳定。可基于系统的需求进行酌情选择。拟使用的cc3200的模组电路如图2.12所示。

2、传感器驱动设计

传感器的驱动设计跟传感器的接口相关，驱动设计是传感器能够正常工作的前提。主控单元通过调用不同的传感器的驱动来获取不同的数值。对于电流型和电压型传感器来说驱动设计就是使用主控单元的adc功能获取传感器的电压和电流值，通过比对厂家提供的比对表来获取传感器的真实的物理量。具体操作如下图2.13所示。

基于数字通信方式rs232/rs485、i2c、spi的传感器驱动比电流型和电压型传感器麻烦，首先应该满足数字通信的时序要求，然后根据传感器预设的指令获取传感器采集到的数值，实施框图如图2.14所示。

3、无线通讯系统设计

无线通讯系统的设计是整个系统的核心。无线通信系统通过建立与无线手持终端通信的通道，来传输监测到的数据。另外数据的加工处理、传输加密也是由无线通讯系统完成。如图3.1所示

(1)无线通信通道的建立

无线通讯通道是数据传输的基础，本系统采用基于wi-fi协议的无线通讯方式，此系统在初始化的过程中初始为不显示连接名称(ssd)的无线接入点(ap模式)等待连接，手持设备终端作为无线站点(sta)通过扫描设备二维码获取设备的连接名称和密码或者输如设备的编号连接设备，建立连接。当手持设备终端连上本系统后，会自动得到系统分配的ip地址，这个地址作为通讯的唯一地址，双方通过约定好的端口号(port)，建立tcp连接。就此无线通信通道建立完成，等待数据传输。

(2)数据处理加密

无线通讯的数据安全问题一直备受关注，本系统拟采用google的数据通信框架protocolbuffer对传输的数据进行序列化，即使被截获，没有编码的序列也获取不到数据。

googleprotocolbuffer(简称protobuf)是google公司内部的混合语言数据标准，目前已经正在使用的有超过48,162种报文格式定义和超过12,183个.proto文件。他们用于rpc系统和持续数据存储系统。

protocolbuffers是一种轻便高效的结构化数据存储格式，可以用于结构化数据串行化，或者说序列化。它很适合做数据存储或rpc数据交换格式。可用于通讯协议、数据存储等领域的语言无关、平台无关、可扩展的序列化结构数据格式。目前提供了c++、java、python三种语言的api

protocolbuffer简单的说通过约定收发双方编解码的方式对传输的协议进行序列化，序列化后的数据采用二进制的方式进行传输，这样既简单了协议的指定过程，又使得传输的安全大大提高。