一种基于物联网的灭火器设备状况监测装置及其工作方法与流程

本发明及物联网的设备数据采集和监控领域，具体涉及一种基于物联网的灭火器设备状况监测装置及其工作方法。

背景技术：

灭火器作为常见的灭火设施存放在公众场所，可以在火灾初期阶段快速灭火，具有重要作用。然而，当今的灭火器配置存在气压不足、存放环境不合理、分类不当、配置地点不明显等问题，会威胁到灭火器等消防器械的安全功能与使用功能。当下，灭火器的巡检多采用人眼观察的方式排查，周期为30天，价格为50-100元/个，具有排查不及时、人力成本大的缺陷。同时，灭火器的配置也存在不足，目前存在配置地点不明显，配置环境不适宜等问题，极易影响灭火器的应急使用，一旦发生火灾，就会提高火灾危害扩大的风险。因此，如何以较低成本效地解决灭火器设备排查成本高、排查效率低、存放环境不当、假冒伪劣等问题具有重要意义。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于物联网的灭火器设备状况监测装置及其工作方法。

本发明的技术方案如下：一种基于物联网的灭火器设备状况监测装置，包括中央控制与处理模块、nb-iot通信模块、gsm通信模块、环境状况采集模块、灭火器设备压力表盘图像采集模块、运动检测模块和rs232接口模块，所述nb-iot通信模块、gsm通信模块、环境状况采集模块、灭火器设备压力表盘图像采集模块、运动检测模块和rs232接口模块与中央控制与处理模块相连接，所述nb-iot通信模块和gsm通信模块分别通过基站与服务器相连接。

所述nb-iot模块采用m5311模块，nb-iot模块通过uart接口与中央控制与处理模块连接，在使用范围内安装有nb-iot基站，用于将nb-iot模块的通信数据传输至服务器，所述nb-iot模块采用tcpsocket和http协议与服务器进行通信，将环境状况采集模块、灭火器设备压力表盘图像采集模块和运动检测模块采集的数据进行处理，利用json格式实现数据传输。

所述gsm模块通过uart接口与中央控制与处理模块连接，所述的rs232接口模块通过uart总线与中央控制与处理模块和gsm通信模块连接，用于模块间的串口通信，所述gsm模块通过rs232接口模块将环境状况采集模块、灭火器设备压力表盘图像采集模块和运动检测模块采集的数据转换为ip数据，通过2g网络上传到服务器，在使用范围内安装有用于2g通信的gsm基站，用于将gsm模块的通信数据传输至服务器。

所述环境状况采集模块采用dht11模块，通过单总线协议与中央控制与处理模块连接，用于灭火器设备所处环境温度、湿度的采集。

所述灭火器设备压力表盘图像采集模块包括摄像头模块、补光led照明系统、图像处理模块和灭火器环抱机械结构，所述摄像头模块采用4x伸缩变焦镜头，支持usb3.0，用于周期性采集气压计的读数，所述灭火器环抱机械结构能够安装在传统的灭火器上，所述摄像头模块和补光led照明系统固定在灭火器环抱机械结构上，所述图像处理模块分别与摄像头模块和补光led照明系统相连接，能够实时监测画面亮度，动态调整补光led照明系统补光。

一种基于物联网的灭火器设备状况监测装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤一：在灭火器安放区域，部署nb-iot基站或gsm基站用于通信；

步骤二：在灭火器安放区域，安装基于物联网的灭火器设备状况监测与管理装置，根据安装位置配置灭火器设备压力表盘图像采集模块，环境状况采集模块和运动检测模块，用于灭火器设备环境数据采集；

步骤三：根据当前灭火器安放区域的网络信号强度，配置nb-iot模块或gsm模块，实现基于物联网的灭火器设备状况监测与管理装置与服务器的通信，将灭火器设备环境数据按照nb-iot格式或gsm格式发送至服务器。

所述灭火器设备压力表盘图像采集模块的图像采集和传输方法包括如下步骤：

1)中央控制与处理模块下达图像采集命令；

2)灭火器设备压力表盘图像采集模块配置并启动dcmi总线，准备将灭火器设备压力表盘图像采集模块采集的图像数据通过dcmi总线将传给中央控制与处理模块；

3)灭火器设备压力表盘图像采集模块保持dcmi接口的时钟控制信号与中央控制与处理模块的图像数据时钟控制引脚pixclk同步，并根据像素时钟的极性在像素时钟上升沿下降沿发生变化，hsynchref信号指示图像数据行的开始与结束，用于灭火器设备压力表盘图像采集模块传输的图像数据每一行的接收；vsync信号指示帧的开始与结束，用于灭火器设备压力表盘图像采集模块传输的图像数据每一帧的接收；

4)中央控制与处理模块获得灭火器设备压力表盘图像采集模块采集的经过压缩后的图像信息，进行解压缩后获得bmp原始数据格式。

所述灭火器设备压力表盘图像采集模块的图像处理和表盘压力识别算法包括以下步骤：

1)灭火器设备压力表盘图像采集模块通过dcmi接口获得cmos摄像头采集得到的图像数据；

2)灭火器设备压力表盘图像采集模块利用高斯平滑滤波器对图像进行平滑滤波；

3)灭火器设备压力表盘图像采集模块将图像数据由rgb色域转换为hsv色域；

4)灭火器设备压力表盘图像采集模块在hsv色域中，分别标定图像中红色、黄色、绿色像素点数量；

5)灭火器设备压力表盘图像采集模块将图像中红色、黄色、绿色像素点数量分别于基准数量作对比，得到表盘指针所在位置。

所述运动检测模块包括mpu6050加速度传感模块、陀螺仪、加速度计和磁力计，用四元数软件解算姿态，具体步骤包括：

1)中央控制与处理模块通过iic总线读取一次mpu6050加速度传感模块输出的四元数数据；

2)中央控制与处理模块在内置dsp运算单元中定义旋转矩阵，将四元数数据表示为旋转矩阵：

3)中央控制与处理模块在内置dsp运算单元中进行一次反运算，得到四元数携带的姿态信息。

所述步骤三中，基于nb-iot通信模块或gsm通信模块的网络通信流程如下：nb-iot模块或gsm通信模块启动，读取sim卡信息，包括卡号信息和运营商信息等；nb-iot模块或gsm通信模块进行网络注册；网络注册成功后，nb-iot模块或gsm通信模块与服务器建立tcp长连接和http短连接；在tcp长连接和http短连接建立成功后，nb-iot模块或gsm通信模块开始接收服务器通过tcp长连接发送的下行数据，并准备通过http短连接向服务器上报数据。

本发明的有益效果如下：

1.采用了nb-iot或gsm双模块通信，能够增加设备的通信场景；

2.采用了低功耗通信模块，能够提高设备续航能力；

3.采用多传感器融合的环境状况检测方法，能够提高环境监测和评估效果；

4.采用了本地图像处理算法，能够减轻服务器运算负担。

本发明适用于灭火器设备状况的远程监控和管理，能实现对灭火器设备的气压表盘状态读取与分析，实现设备环境数据的采集和基于nb-iot协议的数据通信协议，协同实现对灭火器关键数据的识别，上传至电子记录卡，能以较低成本实现高效远程监管，有利于打破传统消防设备管理人工成本高、监测间隔长、数据流通难的局面。

附图说明

图1是本发明整体的示意图；

图2是本发明的接入流程图；

图中：1-中央控制与处理模块，2-nb-iot通信模块，3-gsm通信模块，4-运动检测模块，5-rs232接口模块，6-环境状况采集模块，7-灭火器设备压力表盘图像采集模块，8-2.4g频段天线系统。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明：

本发明实施例提供的基于物联网的灭火器设备状况监测装置，是通过对环境温湿度、灭火器设备压力表盘等数据的采集和本地处理，并利用nb-iot模块或gsm模块将数据上传至服务器，实现灭火器设备状况的远程监控和管理。另外，本实施例还提供了一种基于上述设备的灭火器设备状况监测与管理工作方法。

实施例1

如图1所示，一种基于物联网的灭火器设备状况监测装置，包括中央控制与处理模块1、nb-iot通信模块2、gsm通信模块3、运动检测模块4、rs232接口模块5、环境状况采集模块6和灭火器设备压力表盘图像采集模块7。所述nb-iot通信模块2、gsm通信模块3、环境状况采集模块6、灭火器设备压力表盘图像采集模块7、运动检测模块4和rs232接口模块5与中央控制与处理模块1相连接，所述中央控制与处理模块1连有2.4g频段天线系统8，所述nb-iot通信模块2和gsm通信模块3分别通过基站与服务器相连接，所述中央控制与处理模块1采用微控制器mcu控制模块。

所述nb-iot模块2采用m5311工业级低功耗模块，所述nb-iot通信模块2通过uart接口与中央控制与处理模块1相连，用于实现nb-iot格式的数据收发，在使用范围内安装有nb-iot基站，nb-iot基站将nb-iot模块的通信数据传输至服务器。所述nb-iot模块采用tcpsocket和http协议与服务器进行通信，将环境状况采集模块、灭火器设备压力表盘图像采集模块和运动检测模块采集的数据进行处理，利用json格式实现数据传输。具体地，nb-iot模块通过socket接口与服务器建立了一个tcp长连接和一个http短连接；在tcp长连接中，nb-iot模块向服务器定时上传表盘压力状况与环境情况，并收服务器下发的控制与查询命令，做出相应应答；在http短连接中，nb-iot模块通过post方法，在httprequestheader中对需要上传的图像数据格式和大小进行规定，采用multipart/form-data类型进行图像上传；上传完毕后，服务器返回一个json格式的应答，告知图像数据接收情况。

所述gsm通信模块3通过uart接口与中央控制与处理模块1相连，用于实现gsm格式的数据收发，在使用范围内安装有用于2g通信的gsm基站，用于将gsm模块的通信数据传输至服务器。

所述运动检测模块4通过iic接口与中央控制与处理模块1相连，采用mpu6050加速度传感模块，包括陀螺仪、加速度计和磁力计，利用四元数软件解算姿态，用于获取灭火器设备的姿态角度和各个方向的运动加速度。

所述运动检测模块4利用四元数软件解算姿态的基本步骤如下：

1)中央控制与处理模块通过iic总线读取一次mpu6050加速度传感模块输出的四元数数据；

2)中央控制与处理模块在内置dsp运算单元中定义旋转矩阵，将四元数数据表示为旋转矩阵：

3)中央控制与处理模块在内置dsp运算单元中进行一次反运算，得到四元数携带的姿态信息。

所述rs232接口模块5通过uart接口与中央控制与处理模块1相连，用于模块间和设备间的串行通信。

环境状况采集模块6通过单总线协议与中央控制与处理模块1相连，采用dht11模块，用于灭火器设备所处环境温度、湿度的采集。

灭火器设备压力表盘图像采集模块7通过dcmi接口与中央控制与处理模块1相连，灭火器设备压力表盘图像采集模块7包括ov5640摄像头模块、补光led照明系统、图像处理模块和灭火器环抱机械结构。ov5640摄像头模块是补光与摄影系统的关键部件，采用4x伸缩变焦镜头，支持usb3.0具有更快的图片传输速度，其高清1/2.7英寸cmos广泛应用于模式识别、工业检测、机器视觉和安全监控等领域。灭火器环抱装置能够便捷的安装在传统的灭火器上，所述灭火器环抱机械结构能够安装在传统的灭火器上，所述图像处理模块分别与摄像头模块和补光led照明系统相连接，摄像头模块利用摄像头周期性采集气压计读数，同时图像处理模块能够实时监测画面亮度，动态补光led照明系统补光，确保摄像头能够在黑暗环境下正常工作，读取灭火器实时状态指标。保证摄像头所采集的图像色彩稳定。灭火器设备压力表盘图像采集模块7的图像采集和传输方法包括如下步骤：

1)中央控制与处理模块下达图像采集命令；

2)灭火器设备压力表盘图像采集模块配置并启动dcmi总线，准备将灭火器设备压力表盘图像采集模块采集的图像数据通过dcmi总线将传给中央控制与处理模块；

3)灭火器设备压力表盘图像采集模块保持dcmi接口的时钟控制信号与中央控制与处理模块的图像数据时钟控制引脚pixclk同步，并根据像素时钟的极性在像素时钟上升沿下降沿发生变化，hsynchref信号指示图像数据行的开始与结束，用于灭火器设备压力表盘图像采集模块传输的图像数据每一行的接收；vsync信号指示帧的开始与结束，用于灭火器设备压力表盘图像采集模块传输的图像数据每一帧的接收；

4)中央控制与处理模块获得灭火器设备压力表盘图像采集模块采集的经过压缩后的图像信息，进行解压缩后获得bmp原始数据格式。

灭火器设备压力表盘图像采集模块7采用了本地化的图像处理和表盘压力识别算法，具体方法包括以下步骤：

1)灭火器设备压力表盘图像采集模块通过dcmi接口获得cmos摄像头采集得到的图像数据；

2)灭火器设备压力表盘图像采集模块利用高斯平滑滤波器对图像进行平滑滤波；

3)灭火器设备压力表盘图像采集模块将图像数据由rgb色域转换为hsv色域；

4)灭火器设备压力表盘图像采集模块在hsv色域中，分别标定图像中红色、黄色、绿色像素点数量；

5)灭火器设备压力表盘图像采集模块将图像中红色、黄色、绿色像素点数量分别于基准数量作对比，得到表盘指针所在位置。

实施例2

一种基于物联网的灭火器设备状况监测的工作方法，包括：

步骤一：在灭火器安放区域，部署nb-iot基站或gsm基站用于通信；

步骤二：在灭火器安放区域，安装基于物联网的灭火器设备状况监测与管理装置。根据安装位置配置灭火器设备压力表盘图像采集模块7，环境状况采集模块6和运动检测模块4，用于灭火器设备环境数据采集。

步骤三：根据当前灭火器安放区域的网络信号强度，选择nb-iot模块或gsm模块，(信号较强时选择nb-iot模块，信号较弱时选择gsm模块)实现基于物联网的灭火器设备状况监测与管理装置与服务器的通信，将灭火器设备环境数据按照nb-iot格式或gsm格式发送至服务器。

所述步骤三中，基于nb-iot通信模块2或gsm通信模块3的网络通信流程如图2所示，具体地，nb-iot模块2或gsm通信模块3启动，读取sim卡信息，包括卡号信息和运营商信息等；nb-iot模块2或gsm通信模块3进行网络注册；网络注册成功后，nb-iot模块2或gsm通信模块3与服务器建立tcp长连接和http短连接；在tcp长连接和http短连接建立成功后，nb-iot模块2或gsm通信模块3开始接收服务器通过tcp长连接发送的下行数据，并准备通过http短连接向服务器上报数据。

本发明适用于灭火器设备状况的远程监控和管理，能实现对灭火器设备的气压表盘状态读取与分析，实现设备环境数据的采集和基于nb-iot协议的数据通信协议，协同实现对灭火器关键数据的识别，数据可上传至电子记录卡，并给定改进方向，以较低成本实现高效远程监管，有利于打破传统消防设备管理人工成本高、监测间隔长、数据流通难的局面。