刘良旭(1987—)，工程师，研究方向：高速公路机电工程施工与管理；

郑义恒(1982—)，工程师，研究方向：高速公路机电工程施工与管理。

0 引言

到2020年，我们国家公路的总长度高达500万km，其中包含的隧道长度将近2 000 km[1]。为了适应经济社会的发展，高速公路里程和隧道里程还会呈现逐年增长的情况。由此带来了一个较大的问题，即发生在公路隧道内的火灾事故也越来越多。根据大数据的统计结果表明，隧道内火灾发生的次数与车流量及隧道里程的关系为：10～17次/(亿车·km)，如此规模的火灾事故带来了较大规模的车辆损坏和驾乘人员伤亡事故，从而带来较大的经济损失[2]。在隧道火灾发生的初期，铺设在隧道内的消防管道成为火情控制的第一道防线。因此，消防管道的水压是否达到标准，成为火灾发生时能否在第一时间控制火情的重要条件之一。

鉴于此，本文设计了一套公路隧道消防管网水压远程监控预警系统。

1 系统方案

本方案总体系统组成框图如图1所示。设计分为四个层级，包括最底层水压监测、数据传输网络、数据管理服务器后台和应用层软件平台。

感知层水压监测终端由消防管网水压检测、传送智能控制模块及水压传感器组成，传感器检测每个节点水压是否正常，智能模块由LORA网络构成无线传感器网络，最终将数据汇总于汇聚节点[3]。

汇聚节点将测得的水压数据通过4 G网络或者有线网络将数据发送给后台服务器。

服务器可部署在道路监控部门的机房，也可部署在云端。后台的数据库存储各个节点上传的基础数据，同时和前端进行数据交换。管理人员既能通过登录网页进行管理，也可利用APP进行各项操作。

图1 公路隧道消防管网水压远程预警系统构架图

2 智能水压采集终端设计

智能水压采集终端组成如图2所示，包括水压传感器、处理电路、单片机、Lora模块。

图2 智能水压采集终端组成示意图

2.1 水压传感器

按照规范，隧道消防栓的栓口的压力必须处于0.4～1.0 MPa之间，经过减压稳压消防栓减弱之后，栓口的压力下降到0.25～0.3 MPa范围，相当于25～30 m的水柱压力[4]。因此，水压检测采用SP-350-A型传感器，外观如图3所示。

图3 水压传感器外观示例图

这种传感器为工业级精度，能稳定可靠地输出电流信号。精度等级为0.2%，量程范围0～2 MPa。传感器的供电方式为3.3 VDC，采样输出信号为0～3 V的电压，防护等级IP65，工作电流为70 μA。此传感器输出的信号最终在单片机内完成模数转换变成数字信号，从而得到准确的水压值。

2.2 单片机

系统采用低功耗的MSP430F133单片机，该芯片供电电压为范围为1.8～3.6 V，最显著的特点就是它的低功耗性能，备用状态下电流可低至1.6 μa，内置12位AD转换器可实现水压信号的读取，包含USART可完成LORA模块的数据通讯。2个16 bit计时器。主频8 Mhz完全满足此应用的需求。

2.3 LORA模块

为了将各个检测节点构成无线传感网，选用LORA模块来实现数据的组网及传输，型号为ET30Z。该模块的核心器件是SEMTECH公司SX1262射频芯片。其实质是一个无线UART模块，可设置为多种传输方式，采用基于LoRa协议的扩频通信技术，工作频段为220.125～236.125 MHz。该模块采样TTL电平输出，具有较强的适应性，能兼容3.3 V或者5 V单片机的IO电压。休眠电流为2 μa，发送数据为530 ma。该模块具有传输距离远、速更快、功耗低、体积小的特点。支持空中唤醒、无线配置、载波监听、自动中继、通信密钥等功能，支持分包长度设定，可提供定制开发服务。

在中继组网的形式下，可实现远距离的数据传输。中继组网如图4所示。

图4 中继组网示意图

模块与单片机的连接如图5所示。图中，M1M0为模块的工作模式选择端口，两者的电平组合可以选择4种不同的工作模式，需要指出的是这两个引脚不能悬空。RXD、TXD作为TTL串口与单片机交换数据。AUX用于指示模块当前的工作状态，在实际应用中当收到数据时可以用于触发单片机，上电自检初始化期间输出低电平。VCC供电范围为3.3～5.5 V。ANT引脚为天线接口，匹配50欧天线。

图5 LORA模块与单片机的连接示意图

所有数据采集终端的信号汇聚到主节点之后再通过4 G模块将底层数据传回后台服务器。本设计选用E840-TTL-4G05，它是一款能在多个频段工作的分集接收模块。模块可利用AT指令进行各种参数设置，即可快速地实现单片机串口与公网的双向数据交互。

文章来源：《消防界(电子版)》 网址: http://www.xfjzz.cn/qikandaodu/2021/0218/574.html