一种消火栓给水装置水压采集监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及一种消防设施物联网监测，特别涉及一种消火栓给水装置水压采集监测系统及监测方法。
背景技术
消防设施的关键参数采集是消防物联网平台的基础，是“智慧消防”建设的重中之重。通过对消防设施进行水压采集和监测，可以在压力不足等情况发生时，及时向工作人员报警以做出快速决策和处理，保证消防设施完好性和可靠性，提高消防救援效率。
在物联网监测技术中，设备的续航、成本、体积是最需考虑的三点属性。传统的传感器远程监测装备存在安装困难、续航能力差、成本高、体积大等显著问题。同时，传统压力检测设备安装在管道，与被测介质直接接触，可能对水质安全有影响。上述问题导致无线监控系统在消防设施领域少有实用案例。传统的液位采集方法是通过人工打开液位计进水阀，观察浮标的升起高度，读取水箱/水池的液位高度，依据水箱/水池的截面积，计算实际储水量，判断储水量是否能满足消防用水量要求。传统的人工巡检方法反馈消防液位信息的实时性差、精度不足，存在很多隐患，带来许多安全风险，经常出现消防救援现场缺水甚至无水可用的情况，只能通过远程调水补水，同时，人员工作量繁多、效率低下，也造成了许多人为因素造成的安全隐患，降低消防救援效率。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明提供一种消火栓给水系统水压采集监测平台及监测方法，采用凹模压力传感器采集、NB-IoT无线通信传输、数据可视化分析技术实现消防设施水压和液位的采集监测，解决上述问题的同时节省大量数据传输线路，降低后期维护成本,具体技术方案是，一种消火栓给水装置水压采集监测系统，包括数据采集处理装置、物联网云平台和数据可视化平台、通信传输单元、供电单元，其中物联网云平台由设备接口、区域服务器和中心服务器串接组成，数据可视化平台由可视化分析系统同时单向连接监控主机、Web端界面、移动端界面组成，通信传输单元采用NB-IoT通信模组，供电单元采用锂亚电池和HPC供电结构，其特征在于：所述的数据采集处理装置，包括传感器采集装置和数据处理单元，传感器采集装置包括压力传导装置和带机械保护构的压力传感器，压力传导装置包括传导管、密封垫、橡胶隔膜、螺纹紧固件、密封盘和中空螺丝，传导管为两端有凸台、内中空的管子，橡胶隔膜为凸起的帽型，密封盘中心固定有带中空管的中空螺丝，密封盘固定于传导管一端凸台的平端面上，橡胶隔膜和密封盘之间通过密封垫用螺纹紧固件紧固成密封结构，传导管内填充用于传递压力的防冻液体，防冻液体可采用酒精或普通防冻剂，带机械保护结构的压力传感器包括玻璃球控制阀、外壳、压力传感器, 外壳内有阶梯通孔, 前开口为介质入口，玻璃球控制阀、压力传感器依次置于阶梯通孔中，后盖固定于外壳后端口，并使压力传感器的传输线引出外壳外，压力传导装置的无橡胶隔膜一端密封固定于带机械保护结构的压力传感器处，所述的数据处理单元，包括传感器接口、A/D转换芯片、主控芯片、通信模块、显示屏、指示灯，主控芯片分别与A/D转换芯片、通信模块双向连接，并分别与显示屏、指示灯单向连接，传感器接口与A/D转换芯片单向连接，传感器采集装置和数据处理单元单向连接，数据采集处理装置与通信传输单元单向连接，通信传输单元与物联网云平台的设备接口双向连接，物联网云平台的中心服务器与数据可视化平台的可视化分析系统单向连接、监控主机与物联网云平台的设备接口单向连接，电源模块与数据采集处理单元、通信传输单元单向连接，数据采集处理装置的带机械保护结构的压力传感器安装在消火栓帽盖底部、压力传导装置的橡胶隔膜外高度与额定消火栓水面相等。
监测方法的流程为，一、压力传导装置的橡胶隔膜将被测水压引至安装消火栓帽盖底部的压力传感器测量；二、数据处理单元根据压力传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，并计算得出液位数据；三、通信传输单元通过NB-IoT模组连接消防设施和运营商NB基站，将采集的水压数据上传至物联网云平台服务器，信号输出模式分为，日常监测模式：当各消防设施水压和液位数据未超出设定阈值时，传感器采集装置长期处于休眠低功耗状态，采集的水压和液位数据每隔一定周期时间通过NB-IoT网络模组上报物联网云平台服务器，每隔一定周期时间物联网云中心服务器以常规数据形式进行数据存留，物联网云中心服务器可以设置采集装置的数据上传周期，报警触发模式：当消防水压超出设定的压力范围如消防设施、传感器发生故障时，或当压力传感器监测到水压的变化范围小于正常的取水压力如消火栓出现漏水、渗水甚至无水情况导致水压不足时，或当传感器监测到水压的变化范围大于正常的取水压力如消火栓出现管道爆裂风险时，压力传感器通过模拟量阈值触发、模拟量速度触发、正脉冲触发、负脉冲触发、脉冲频率触发方式向物联网云平台主动报警，报警数据模式：在消防设施水压或液位数据超出所设阈值时，压力传感器采集到的消防设施水压或液位数据及时通过NB-IoT网络模组向物联网云平台服务器上报，四、物联网云中心服务器将数据以报警数据形式进行数据存留；五、数据可视化平台进行数据整理，利用可视化分析系统开发消防设施水压监测界面，将采集数据通过二维组态、三维模型和GIS形式向监控主机屏幕、Web端界面、移动端界面发送。
本发明的有益效果是，安装简单高效，适用性强，代替了传统的远程监测和人工巡检方式，监控人员和消防队员能实时获取消防设施水压和液位数据，提高了消防设施的可靠性和完好性，解决了现有设备体积大、续航能力差、安装布线复杂、影响被测水质等问题。
附图说明
图1为本发明的系统组成示意图；
图2为本发明的数据采集处理单元示意图；
图3为本发明的压力传感器示意图；
图4为本发明的压力传导装置前视轴测图；
图5为本发明的压力传导装置后视轴测图；
图6为本发明的消火栓给水装置示意图；
图7为本发明的系统工作流程图。
具体实施方式
结合附图和具体实施方案对本发明进一步说明。
如附图1～图6所示，一种消火栓给水装置水压采集监测系统，包括数据采集处理装置、物联网云平台和数据可视化平台、通信传输单元、供电单元，通信传输单元采用NB-IoT通信模组，供电单元采用锂亚电池和HPC供电结构，数据采集处理装置，包括传感器采集装置和数据处理单元，传感器采集装置包括压力传导装置和带机械保护构的压力传感器，压力传导装置包括传导管8、密封垫9、橡胶隔膜10、螺纹紧固件11、密封盘12和中空螺丝13。
实施例一，
被测压力通过介质入口1进入压力传感器4内部，压力直接作用于传感器4的凹形膜片，产生与水压成正比的微位移，使电桥桥臂电阻值发生变化，产生差动电压信号，即基于压阻效应实现压力信号到电信号的转换，再由信号调制电路检测到电阻值变化，转换输出对应水压力的标准模拟信号，玻璃球形控制阀2设计直径5.5mm，用于在凹膜传感器破裂时封堵出口，避免水压超过凹膜承受能力后造成介质泄露和降压回流问题，压力传感器外壳3和后壳5结构用于提高压力传感器4的防护等级和防止外部冲击，避免对压力传感器4性能和使用寿命造成影响。传输线用于压力传感器4供电和电压信号输出。
数据采集处理单元包括模拟量/数字量转换芯片，将压力传感器采集到的模拟电压转换为数字信号，再计算得出液位数据。主控芯片调用AT指令集驱动NB-IoT模组，通过LWM2M或CoAP协议将采集的水压和液位状态信息上传至物联网云中心服务器。主控芯片选择STM32L4系列MCU，主控芯片通过SPI或UART协议与模数转换器、NB-IoT模组通信。
通信传输单元NB-IoT模组选择NB35-A通信板，通过NB-IoT模组连接消防设施和运营商NB基站，将采集的水压数据上传至物联网云平台中心服务器。
电源模块采用锂亚电池和HPC供电结构，无需电源线，为压力传感器、数据采集处理单元和通信传输单元器件供电。
在本实施例中，监测终端在物联网云平台的基础上，利用可视化分析系统开发消防设施水压监测界面，将采集数据通过二维组态、三维模型和GIS形式可视化显示。
压力传导装置，将被测管道内的水压值引至压力传感器测量采集，保证设备安装周期短，且无需改变消火栓的外观，采集装置安装在消火栓的帽盖底部，为了提高密封性与压力传导的精确性，压力传导装置包括橡胶隔膜10和密封盘12，橡胶隔膜10设计为凸起的帽型，橡胶隔膜10和密封盘12之间通过密封垫9与螺纹紧固件11构成密封结构，密封结构内固定有带中空管的中空螺丝13，用于向压力传感器传递压力，填充有用于传递压力的防冻液体，防冻液体可采用酒精或普通防冻剂，其中填充酒精可避免管道结冰的问题。
如图6所示，消防栓给水装置，包括供水管道14、消防栓体15、出水口15和消防栓帽盖17，被测管道内的水压值经压力传导装置引至压力传感器采集装置19，压力传感器采集装置19消防栓帽盖17底部。
如图7所示，系统水压和液位采集监测流程，
一、压力传导装置的橡胶隔膜10将被测水压引至安装消火栓帽盖底部的压力传感器测量；
二、数据处理单元根据压力传感器采集到的模拟信号转换为数字信号，并计算得出液位数据；
三、通信传输单元通过NB-IoT模组连接消防设施和运营商NB基站，将采集的水压数据上传至物联网云平台服务器，信号输出模式分为，
日常监测模式：当各消防设施水压和液位数据未超出设定阈值时，传感器采集装置长期处于休眠低功耗状态，采集的水压和液位数据每隔一定周期时间通过NB-IoT网络模组上报物联网云平台服务器，每隔一定周期时间物联网云中心服务器以常规数据形式进行数据存留，物联网云中心服务器可以设置采集装置的数据上传周期，
报警触发模式：当消防水压超出设定的压力范围如消防设施、传感器发生故障时，或当压力传感器监测到水压的变化范围小于正常的取水压力如消火栓出现漏水、渗水甚至无水情况导致水压不足时，或当传感器监测到水压的变化范围大于正常的取水压力如消火栓出现管道爆裂风险时，压力传感器通过模拟量阈值触发、模拟量速度触发、正脉冲触发、负脉冲触发、脉冲频率触发方式向物联网云平台主动报警，
报警数据模式：在消防设施水压或液位数据超出所设阈值时，压力传感器采集到的消防设施水压或液位数据及时通过NB-IoT网络模组向物联网云平台服务器上报，
四、物联网云中心服务器将数据以报警数据形式进行数据存留；
五、数据可视化平台进行数据整理，利用可视化分析系统开发消防设施水压监测界面，将采集数据通过二维组态、三维模型和GIS形式向监控主机屏幕、Web端界面、移动端界面发送。
优点：
1、水压采集装置可安装率高。针对现有市政和室内消火栓的安装过程不需要挖土破路，仅需要在消火栓芯上进行安装改造。
2、水压采集装置结构设计精巧。设计了小型化的压力传感器，解决了市面压力传感器体积大、耗电高，容易受水锤效应而失效漏水等问题，在高灵敏度的前提下可以耐受20倍正常水压的水锤效应。同时解决了消火栓的流量计数问题。设备外壳结构设计合理，防水性能达到IP67等级。
3、水压采集设备不影响被测水质安全。通过在压力传感器中安装玻璃球形控制阀，在传感器凹模破裂时堵住出口避免液体介质接触和降压回流问题。
4、水压采集设备续航能力突出。采用NB-IoT通讯方式、锂亚电池供电和HPC供电结构；在日常监测时每日至少上传1个数据报文在告警信息或消火栓使用状态时，实时报送水压状态数据，能达到5至7年免电池维护的续航能力。
摘要
本发明涉及一种消火栓给水装置水压采集监测系统及监测方法，包括数据采集处理装置、物联网云平台和数据可视化平台、通信传输单元、供电单元，数据采集采用压力传导装置和压力传感器置于消火栓顶盖使压力传导装置高度与阙值相同，以日常监测模式、报警触发模式、报警数据模式输出，经数据处理装置、物联网云平台和数据可视化平台，可将采集数据通过二维组态、三维模型和GIS形式向监控主机屏幕、Web端界面、移动端界面发送，效果是，安装简单高效，适用性强，代替了传统的远程监测和人工巡检方式，能实时获取消防设施水压和液位数据，提高了消防设施的可靠性和完好性，解决了现有设备体积大、续航能力差、安装布线复杂、影响被测水质等问题。
