CN110989453B

CN110989453B - 一种室外消火栓监控***及其检测方法

Info

Publication number: CN110989453B
Application number: CN201911321212.9A
Authority: CN
Inventors: 李继宝; 何元生; 卢政强; 万子敬; 冯旭
Original assignee: Tianjin Fire Research Institute of MEM
Current assignee: Tianjin Fire Research Institute of MEM
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-07-06
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: CN110989453A

Abstract

本发明公开了一种室外消火栓监控***及其检测方法。***包括测量模块、控制模块、通讯模块、供电模块、数据管理及数据分析模块、终端访问模块。测量模块采用多个高精度传感器共同测量，尤其是采用的微型涡轮流量计，在误差精度小于1%的情况下，20元的成本实现大尺寸流量计的功能。采用的阀门开闭传感器即有效提供水资源安全保护，又能快速响应用水需求。通讯模块有效的将物联网终端设备报数时间均匀分配到报数周期的时段内，避免可能导致的网络拥塞。数据管理及数据分析模块基于机器学习的异常检测算法和聚类分析算法实现消火栓数据的特征直观解读、异常精准检测、分类统一管理。有效实现了消火栓的科学管理、全面及时监控，降低管理难度。

Description

一种室外消火栓监控***及其检测方法

技术领域

本发明涉及消火栓，尤其涉及一种室外消火栓监控***及其检测方法。

背景技术

消火栓作为一种固定式消防设施，主要是供消防车从市政给水管网或室外消防给水管网取水实施灭火，也可以直接连接水带、水枪出水灭火。发生火灾时，消火栓可迅速实施灭火救援，同时可给消防车补给水满足火场供水需求，提高灭火救援的成功率。当火灾险情发生时，消火栓***对火情控制起到重要作用，是扑救火灾的重要消防设施之一。消火栓的优劣直接影响着灭火效率，事关群众的生命财产安全。

目前市政消火栓现状主要表现为数量众多、分布广而散，许多室外消火栓设施陈旧且无人维护，并且由于社会中的一些不良行为，造成消火栓出现无水或者损坏问题，对灭火救援是一个巨大的打击。消火栓缺乏科学有效的管理措施，传统的消火栓监控手段依靠人工现场查验，耗时耗力，却无法及时有效地发现消火栓出现的问题并解决存在问题。因此，研究实现对消火栓的统一管理，并能实时监测消火栓的变化状况是当前的市场需求，更是消防救援工作的迫切需要。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题和缺陷，本发明的目的是提供一种室外消火栓监控***及其检测方法，以解决消火栓管理困难的问题，实现对城市消火栓有效的状态监控、数据管理、行为预测、及时报警以及科学管理。

本发明采取的技术方案是：一种室外消火栓监控***，其特征在于，所述监控***包括测量模块、控制模块、通讯模块、供电模块、数据管理及数据分析模块、终端访问模块；所述测量模块、控制模块、通讯模块及供电模块集成安装于消火栓终端设备本体；所述测量模块包括检测消防水压的压力传感器、检测及防止消火栓阀门异常开启的阀门开闭传感器、检测消防水用水的流量传感器、检测消火栓倾斜的倾角传感器、检测盖帽开闭的磁力传感器及检测消火栓被遮蔽状态的两个光敏传感器，以实现消火栓状态的全面准确监控；

所述的控制模块包括单片机；通讯模块包括NB-IOT通讯设备；数据管理及数据分析模块包括云端服务器；终端访问模块包括WEB终端和APP终端；所述的供电模块分别与测量模块、控制模块、通讯模块连接；云端服务器与NB-IOT通讯设备远程通讯连接；同时云端服务器分别连接WEB终端和APP终端。

本发明所述的流量传感器采用微型涡轮流量计，微型涡轮流量计安装于消火栓体内，位于整个消火栓管道的中游偏下游位置，并固定于消火栓体内芯杆周围。

本发明所述阀门开闭传感器主体包括检测消火栓阀门开启的阀门微动传感器和防止消火栓阀门非法开启的智能电子锁。

本发明所述一种采用室外消火栓监控***进行检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：

一、所述测量模块采用微型涡轮流量计对大口径的消火栓腔体管道截面部分区域进行测量，利用流量倍乘法原理，并基于区域面积与整个截面面积的比例，将测量结果进行流量倍乘，实现整个管道截面的流量测量计算。

二、所述通讯模块采用物联网端口分散报数的方法实现消火栓物联网端口有序报数。

三、所述数据管理及数据分析模块采用基于机器学习的异常检测算法和聚类分析算法对数据进行分析；建立用水统计模型、维修状况统计模型、人为因素破坏统计模型、救援维修时效统计模型，实现采集数据的直观分析。

四、所述测量模块采用阀门开闭传感器，其中智能电子锁处于常闭状态时，保证消火栓的消防水出口闭合，为水资源提供有效的安全保护；通过电子钥匙进行远程控制，控制方式如下：电子钥匙的授权用户通过终端访问模块查看电子锁状态，并发出开锁或关锁请求；请求数据经云平台验证审核处理后，发送至消防栓本体监控***；请求数据由消火栓本体的控制模块处理后，控制智能电子锁，完成电子锁快速开启和关闭，实现阀门的快速操控，避免用水延误。

本发明所述微型涡轮流量计测量区域面积为测量位置处消火栓管道截面积的1/n，基于微型流量计测量获得的区域流量值Q_l，通过计算式：Q_t＝n·Q_l，计算得到整个消火栓管道内的水总流量Q_t。

本发明所述消火栓物联网端口有序报数是针对各消火栓终端设备，利用各个终端设备号N及所设定的报数周期T_报数，消火栓设备的控制器通过计算式：t_报数＝N％(60·T_报数)，获得以分钟为单位的设备报数时间t_报数，其中T_报数为以小时为单位的报数周期，通过公式实现该设备与其他终端设备有效地均匀分散到报数周期上，实现消火栓物联网端口有序报数。

本发明所述消火栓物联网端口有序报数执行以下操作：将接收到的新设定的报数周期数据和录入的设备号信息与原始数据进行对比；存在数据更改的情况下，将更改数据存档，并进行新的端口报数时间确定；将新的报数时间替换预设报数时间；以此完成报数时间的更新，并投入到设备报数过程中使用。

本发明所述的基于机器学习的异常检测算法采用Isolation Forest算法异常检测模型对测量模块采集的数据进行分析；测量模块的多个传感器在同一时刻获得的检测数据作为输入特征向量的多个特征维度，建立基于Isolation Forest算法异常检测模型，实现对消火栓状态微小异常变化精准检测；Isolation Forest异常检测模型将定期依据云端数据库异常样本的变化进行模型更新，实现异常检测精度快速有效提升。

本发明所述基于聚类分析算法采用基于Kmeans的消火栓特征聚类分析方法对消火栓进行聚类；基于存储数据，利用统计模型对各消火栓行为进行分析。

本发明的有益效果为：本发明设计基于消火栓本体、云端以及访问终端的室外消火栓监控***，针对传感数据、用户行为数据等数据完成数据分析管理，实现消火栓运行特征的直观解读以及异常问题的及时报警，实现对消火栓状态的全面及时有效监控以及科学管理。

本***的技术优势在于：

1、流量计测量准确、成本低：采用多个高精度传感器共同测量，实现消火栓状态的全面准确监控。尤其是采用的微型涡轮流量计，其安装位置的测量区域流体流动状态稳定，流速变化小，避免了入口水流不稳、出口空气旋柱等入口及出口效应影响。通过水流标定测量试验，本发明提出方法的误差精度小于1％。在与成本4千元以上的电磁流量计等大尺寸流量计精度比较无明显差异的情况下，微型涡轮流量计成本不足20元，同时产品小巧，便于嵌入消火栓腔体。

2、水资源有效保护：本***的阀门开闭传感器包括阀门微动传感器和智能电子锁，在有效监测消火栓阀门状态的同时，能够有效防止消火栓阀门非法开启。非授权开阀用户无法开关消火栓阀门，有效杜绝水源偷盗的行为，同时能防止消火栓为源头的水资源污染，如恶意水源投毒等恐怖袭击事件。同时，智能电子锁可实现快速的阀门开启，提供火场供水需求快速响应，不造成用水延误。

3、分散报数避免网络拥塞，提高工作效率：本发明的消火栓设备报数时间的获得是基于终端设备对应的唯一身份编号——设备号，报数时间具有独有性，降低了重复性。面对未来物联网终端数量爆发式增长，该方法均能够有效得将所有的设备报数时间均匀分配到报数周期的时段内，避免可能导致的网络拥塞。当云端服务器设定的报数周期更新或终端设备更替时，所有涉及变化的消火栓设备能快速重新计算报数时间，迅速完成报数时间设定，提高工作效率，降低时间及人力成本。

4、消火栓异常检测准确：Isolation Forest算法是一种只需少量甚至无异常数据作为样本就能实现训练生成模型并应用的异常检测算法，算法具有良好的精度，十分适合于初期可用异常样本过少的消火栓监控***。本发明的***利用消火栓的多维度状态特征能够实现消火栓微小异常变化的精准检测，及时对问题进行定位和解决。

5、消火栓科学分类管理：基于用水统计、维修状况统计、人为因素破坏统计、救援维修时效统计等分析结果，根据各消火栓的特征表现可分别采取有效的针对性举措，如针对部分水量过度的消火栓，探究是否因监控***采用的传感器与所在区域环境不相适应原因，以改善消火栓存在性状况；基于Kmeans的消火栓特征聚类分析结果，针对多类别的消火栓实现分类统一管理，降低管理压力和难度；如针对损坏频繁或偷盗水严重的消火栓采用防护强度更高的消火栓类型，针对***检测异常警报后出工检查速度较慢的消火栓区域增强巡检力量等措施。本***实现消火栓本体、云端及终端三部分有机联动，有效实现了消火栓的科学管理、全面及时监控，降低管理难度。

附图说明

图1为本发明的***结构示意图；

图2为本发明中微型涡轮流量计安装位置示意图；

图3为本发明中微型涡轮流量计安装位置处的消火栓管横截面示意图；

图4为本发明中智能电子锁控制流程图；

图5为本发明中物联网端口分散报数方法流程图；

图6为本发明中消火栓本体检测***测量模块电路原理图；

图7为本发明中消火栓本体检测***供电模块电路原理图；

图8为本发明中消火栓本体检测***控制模块电路原理图；

图9为本发明中消火栓本体检测***通讯模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，本发明的一种室外消火栓监控***分为测量模块、控制模块、通讯模块、供电模块、数据管理及数据分析模块、终端访问模块几个部分。其中，测量模块、控制模块、通讯模块及供电模块集成安装于消火栓终端设备本体，组成消火栓本体检测***。数据管理及数据分析模块位于云端服务器。

消火栓本体的***电路如图6-9所示。测量模块通过多组测量电路对压力传感器、阀门开闭传感器、流量传感器、倾角传感器、磁力传感器及光敏传感器等多个类型传感器测量信号进行采集。采集的信号连接至控制模块的控制芯片(即单片机)，成为待传输信号。控制芯片与通讯模块的通讯主芯片(即GSM/GPRS模块芯片)通过串口相连，与通讯模块进行数据交换，实现待传输的信号发送及云平台信号接收至控制芯片。供电模块通过电压降压及滤波，获得VA、VM、VB等电压，实现对控制芯片、通讯主芯片、采集电路及时钟电路等进行供电。

位于消火栓本体的控制模块，与测量模块、通讯模块及供电模块相连接，实现控制信号采集与处理、控制数据发送与接收等消火栓本体检测***控制工作。

测量模块包括检测消防水压的压力传感器、检测及防止消火栓阀门异常开启的阀门开闭传感器、检测消防水用水的流量传感器、检测消火栓倾斜的倾角传感器、检测盖帽开闭的磁力传感器及测消火栓被遮蔽状态的两个光敏传感器。流量传感器选用四分口径的微型涡轮流量仪表。

如图2所示，将微型涡轮流量计1安装于消火栓外壳4内，远离管道的入口3与出口2位置，位于整个消火栓管道的中游偏下游位置，防止流体入口及出口效应对测量的影响，有助于传感器测量准确性。

如图3所示，微型涡轮流量计1放置于消火栓芯杆5一侧。由于芯杆5周围的流体中夹杂气体较少，流体流速变化较小，流动状态较为稳定，因此放置于芯杆周围同样有助于传感器测量。

微型涡轮流量计的标定过程是在消防车注水的过程进行。标定过程如下：

1、脉冲示数值复位。

2、消防车注水。打开并固定阀门位置，完成该流速下的注水标定试验。注水过程保持水流速稳定。

3、计量脉冲数。固定流速下的标定试验，完成数千升水的注水工作，并记录注水完成后的脉冲数值m。

4、标定流量u计算。Q为标定的注水量，通过式u＝Q/m的计算，得到该流速下每个脉冲发生过程记录下的流量数，即标定流量u。

5、重新调节阀门，获得新的注水流速。重复以上过程，完成新的流速下标定流量u的获取。

表1为进行注水试验后记录的部分标定数值变化结果。表中可见，标定的流量变化范围在0.1275升至0.1295升间变化，其误差精度小于1％。与市场应用的电磁流量计等传感器精度无明显差异。标定结果脉冲参数为0.1285升。

表1注水标定试验结果

流量计记录的流量脉冲数存放于8位六十四进制数中。测量过程中，基于微型涡轮流量计测量获得流量脉冲数，并与标定流量u(这里获得的流量值是Ql＝u*脉冲数)相乘，获得区域流量值Ql。通过计算式Q_t＝n·Q_l，可以计算得到整个消火栓管道内的水总流量Qt。由于本发明采用的是四分口径的微型涡轮流量计仪表，通过计算整个管道截面积与流量计所占面积之间的比例，可获得n＝30.8。

阀门开闭传感器安装于消火栓阀门接口位置处，其主体包括检测消火栓阀门开启的阀门微动传感器和防止消火栓阀门非法开启的智能电子锁。智能电子锁使消火栓阀门处于常闭状态，保证消火栓的消防水出口闭合，杜绝水源偷盗的行为，防止消火栓为源头的水资源污染，为水资源提供有效的安全保护。

智能电子锁的开启和关闭通过电子钥匙进行远程控制实现。如图4所示，其流程为：1、电子钥匙的授权用户通过终端访问模块查看电子锁状态，并发出开锁或关锁请求；2、经云平台对用户信息验证处理后，请求数据发送至消防栓本体监控***；3、请求数据由消火栓本体的控制模块处理后，控制智能电子锁，完成电子锁快速开启或关闭，实现阀门的有效操控。智能电子锁能实现消火栓开启及关闭请求的快速响应，不造成用水延误。

通讯模块设备实现了消火栓本体的监控***与云端服务器之间的通信。传统的物联网设备终端报送数据流程如图5中“设备报数过程”所示。当物联网终端经过一个报数周期后，终端设备开始计时，并在到达报数时间后，由***设备的无线发送模块发送报数数据。当数据发送完毕后，***开始等待一下个报数周期，周而复始。物联网技术应用中，通常一台服务器连接着数万个物联网设备端口，在未准确设置各终端设备的端口报数时间时，极易出现多个终端同时进行端口报数，造成网络数据拥塞，甚至网络瘫痪。

因此，本发明的通讯模块针对图5中的“设备报数过程”进行改进，增加了“报数时间计算及更新过程”模块，提出一种有效的物联网端口报数时间分配方法，能够使各终端设备报数时间均匀分散在报数时间周期内，解决海量终端报数信息导致的网络拥塞问题。

本发明端口报数时间的确定方式为：

(1)存储终端设备的设备号及物联网端口报数周期信息

通过终端设备录入存储设备设备号及终端设备接收服务器设定端口报数周期的方式，终端嵌入式设备获得并存储设备号及报数周期信息。

(2)获取物联网终端设备端口的设备号及物联网端口报数周期信息

通过提取前期存储的设备号及报数周期信息，可获得所需的计算信息。

(3)计算获得设备报数时间

将设备号进行预处理，转化为整数类型数据N。报数周期T报数为以小时为单位的数据。嵌入式设备通过t_报数＝N％(60·T_报数)计算式，获得准确的以分钟为单位的设备报数时间t_报数。

利用计算获得的该设备报数时间，接入到设备报数过程中，实现***报数时间的分配设定。当出现服务器设定的报数周期更变或物联网终端设备更替的情况时，所涉及变化的终端设备进行如图5中“报数时间计算及更新过程”的操作。

将接收到的新设定的报数周期数据或录入的设备号信息与原始数据进行对比。

存在数据更改的情况下，将更改数据存档，并进行新的端口报数时间确定。将新的报数时间替换预设报数时间。以此完成报数时间的更新，并投入到设备报数过程中使用。

终端访问模块分为WEB终端访问***和APP终端访问***。终端访问模块不仅实现了用户在WEB端查看消火栓动态以及数据模型分析结果，也帮助外勤巡检的使用者利用手机APP实时监控消火栓的状态变化。同时，利用终端访问模块，授权用户可在***中进行警报解除、消火栓检查维修更换等操作而不造成***误报，有效实现消火栓的便捷维护以及***误报率的降低。用户在终端***管理操作的行为及用户日志填写等信息将发送至云端存储，交由数据管理及数据分析模块完成数据分析。

终端访问模块基于用户授权机制，消火栓可实现新的用途。针对部分取水不便的地区，授权用户通过终端申请用水，并将消火栓连接水管完成如绿化、清洁卫生等工作，***对用水量进行记录，并发送至云端。

数据管理及数据分析模块位于云端服务器，云端***完成终端设备传输数据、用户数据以及行为日志等数据的存储管理，同时对存储数据完成数据分析及行为预测。

针对消火栓终端测量模块获得的消火栓状态数据，利用Isolation Forest算法进行消火栓状态异常检测。算法模型建立，首先将多个传感器在同一时刻获得的检测数据作为一个输入样本di的多个特征维度，以此建立数据集D＝{di,i＝1...n}。而后，随机提取数据集D的子集构造某棵iTree。通过构造多个iTree形成iForest。其后，基于已建立的iForest模型，进行异常检测。通过遍历整个iForest的iTree，计算数据d在每颗iTree的路径长度h(d)，最后利用异常分数S(d，n)判断数据d是否异常。S(d，n)判断式如下：

其中，E(h(d))为iTree集合中h(d)的平均值。C(n)为标准化h(d)的值。当S(d，n)越接近1表示是异常点的可能性高，越接近0表示是正常点的可能性比较高，越接近于0.5时表示整个数据集无明显异常值。

针对消火栓终端测量模块获得的消火栓状态数据以及用户终端***获得的消火栓***操作数据，利用Kmeans聚类分析算法实现消火栓特征聚类。

首先，基于数据库存储数据，利用统计模型进行数据统计。对消火栓的用水情况进行统计，包括消防用水及其他用途用水等，建立消火栓用水模型；对消火栓维保情况及原因进行统计，包括人为因素破坏、产品老化等方面，建立消火栓维保模型；对消火栓维修时效进行统计，包括警报发出后的响应时间、响应后到达维修的时效等，建立维保时效模型。

而后，利用第i个消火栓在各类模型的统计数据表现作为第i个消火栓数据点Xi的多个属性，形成数据集X。之后，基于初始随机给定的K个初始类簇中心点C，利用欧式距离公式

计算数据集到各类簇中心点的距离。其中，Xit表示第i个数据的第t个属性，Cj表示第j个类簇中心，Cjt表示第j个类簇中心的第t个属性。将各数据点分配到距离其最近的类簇中心点所在的聚类域内，组成由类簇中心及各划分到该中心的数据组成的K个类簇S。

其后，待所有点分配成功后，基于均值计算公式

重新计算各类簇内所有数据点的平均值，该平均值即定义为类簇的中心，因此可获得新的类簇中心点。其中Sl表示第l个类簇中数据点个数。

之后，计算数据集的各点到新类簇中心点的距离，并将各数据点分配到距离其最近的类簇中心点所在的聚类域内，再计算距离平均值，获得新类簇中心点。基于该步骤，不断更新类簇，最终完成各消火栓聚类，并基于聚类结果进行分类管理。

本发明设计的一种室外消火栓监控***实现消火栓本体、云端及终端的多方联动***。***本体传感器测量精度高，测量准确，实现消火栓状态的多维度监测，并保证用水安全。在避免网络拥塞的前提下，实现消火栓异常快速准确预测、定位，实现对各消火栓分析特征结果的直观解读，完成对消火栓的科学高效管理。

如图6至图9所示，本***控制模块电路采用型号为STC15W4K60S4-YYZ的单片机芯片U2；通讯模块电路采用型号为SIM800C的四频GSM/GPRS模块芯片U3；供电模块电路包括控制模块电路的单片机供电部分、通讯模块电路的四频GSM/GPRS模块供电部分以及时钟电源与模数转换供电部分。

如图7所示，控制模块电路的单片机供电部分的电感L2一端通过电池接口J1的1端接3.6V电压VB，电感L2的另一端连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极连接极性电容C16的正极、电容C17和电容C18的一端，连接后接3.6V电压VM，极性电容C16的负极、电容C17和电容C18的一端连接后接地；电池接口J1的2端接地。

如图7所示，通讯模块电路的四频GSM/GPRS模块供电部分的电感L1的一端接3.6V电压VJ，电感L1的另一端连接极性电容C12的正极、极性电容C13的正极、电容C14的一端、电容C15的一端、二极管D5的阴极，连接后接3.4V电压VG，二极管D5的阳极、电容C15的另一端、电容C14的另一端、极性电容C13的负极、极性电容C12的负极与电感L3的一端连接后接地，电感L3的另一端接地。

时钟电源与模数转换供电部分采用一个场效应管Q3，场效应管Q3的漏极接3.6V电压VB；场效应管Q3的源极与极性电容C11的正极、电容C10的一端连接后接3.6V电压VA，极性电容C11的负极、电容C10的另一端分别接地；场效应管Q3的栅极连接电阻R14和电阻R15的一端，电阻R14的另一端接3.6V电压VM，电阻R15的另一端接至所述单片机芯片U2的41管脚。

如图8所示，控制模块电路还采用一个时钟芯片U6，时钟芯片U6的OSCI管脚连接晶振CRYI和电容C24的一端，电容C24的另一端接地；晶振CRYI的另一端连接时钟芯片U6的OSCO管脚，时钟芯片U6的INT管脚连接电阻R44的一端，同时接至单片机芯片U2的21管脚，电阻R44的另一端接3.6电压VM；时钟芯片U6的VSS管脚接地；时钟芯片U6的VDD管脚连接电容C21的一端、二极管D13和二极管D14的负极，二极管D13的正极连接极性电容C20的正极，同时极性电容C20的正极通过电阻R38连接二极管D12的负极，极性电容C20的负极和电容C21的另一端分别接地；时钟芯片U6的CLKO管脚接地，SCL管脚连接接口J9的3端，SDA管脚连接接口J9的2端，接口J9的1端接地，接口J9的4端通过电阻R42与电阻R43的一端、电阻R45的一端、二极管D14的正极、二极管D12的正极连接，连接后接3.6V电压VA，电阻R43的另一端接至单片机芯片U2的37管脚，电阻R45的另一端接至单片机芯片U2的36管脚。

如图8和图9所示，电阻R30的一端连接单片机芯片U2的6管脚和三极管Q8的发射极，同时单片机芯片U2的6管脚通过电阻R22接3.6V电压VM；电阻R30的另一端接3.6V电压VM，三极管Q8的集电极连接电阻R34和电阻R37的一端，电阻R37的另一端接至四频GSM/GPRS模块芯片U3的2脚，电阻R34的另一端连接电阻R31的一端后接3.6电压VE，电阻R31的另一端连接三极管Q8的基极。

如图8和图9所示，电阻R26的一端接至四频GSM/GPRS模块芯片U3的1管脚和三极管Q5的发射极，电阻R26的另一端连接三极管Q5的基极和电阻R24的一端，电阻R24的另一端接3.6电压VE；三极管Q5的集电极连接电阻R25和电阻R27的一端，电阻R25的另一端接3.6电压VM，电阻R27的另一端接至单片机芯片U2的39管脚。

如图9所示，通讯模块电路还包括sim卡槽U4和TVS管U5，四频GSM/GPRS模块芯片U3的15管脚连接电阻R41和电容C22的一端，电容C22的另一端接地，电阻R41的另一端接至sim卡槽U4和TVS管U5的SIMIO端，四频GSM/GPRS模块芯片U3的16管脚连接电阻R40的一端，电阻R40的另一端接至sim卡槽U4和TVS管U5的SIMCIK端，四频GSM/GPRS模块芯片U3的17管脚连接电阻R39的一端，电阻R39的另一端接至sim卡槽U4和TVS管U5的SIMRST端，四频GSM/GPRS模块芯片U3的18管脚接至sim卡槽U4的SIMVDD端，四频GSM/GPRS模块芯片U3的8管脚、13管脚分别接地，20管脚和21管脚连接后接地；TVS管U5的1端连接电容C23的一端，2端连接电容C23的另一端后接地。

如图8和图9所示，四频GSM/GPRS模块芯片U3的24管脚、25管脚、26管脚、27管脚分别接至接口J8的1端、2端、3端、4端，30管脚和31管脚连接后接地，32管脚连接天线座BNC1的一端，天线座BNC1的另一端接地；四频GSM/GPRS模块芯片U3的33管脚接地；34管脚和35管脚连接后接3.4电压VG，36管脚和37管脚连接后接地，39管脚连接三极管Q4的集电极，三极管Q4的基极连接电阻R21的一端，电阻R21的另一端与电阻R23的一端连接后接至单片机芯片U2的32管脚；电阻R23的另一端与三极管Q4的发射极连接后接地。

如图9所示，四频GSM/GPRS模块芯片U3的40管脚接3.6电压VE，41管脚连接电阻R33的一端，电阻R33的另一端连接电阻R36的一端和三极管Q7的基极，三极管Q7的发射极与电阻R36的另一端连接后接地；三极管Q7的集电极连接发光二极管D11的负极，发光二极管D11的正极通过电阻R29接3.4电压VG。

如图9所示，四频GSM/GPRS模块芯片U3的42管脚连接电阻R32的一端，电阻R32的另一端连接电阻R35的一端和三极管Q6的基极，三极管Q6的发射极与电阻R35的另一端连接后接地；三极管Q6的集电极连接发光二极管D10的负极，发光二极管D10的正极通过电阻R28接3.4电压VG。

如图6和图8所示，第一光敏传感器接口J6的1端连接单片机芯片U2的5管脚和电阻R1的一端，电阻R1的另一端接3.6电压VA，单片机芯片U2的5管脚又通过电容C2与压力传感器接口J6的2端连接，连接后接地。

如图6和图8所示，第二光敏传感器接口J7的1端连接单片机芯片U2的7管脚和电阻R2的一端，电阻R2的另一端接3.6电压VA，单片机芯片U2的7管脚又通过电容C3与压力传感器接口J7的2端连接，连接后接地。

如图6和图8所示，压力传感器接口J4的1端接3.6V电压VA，2端连接单片机芯片U2的4管脚和电容C8的一端，3端连接电容C8的另一端后接地。

如图6和图8所示，流量传感器接口J5的1端与电阻R7的一端连接后接3.6V电压VA，流量传感器接口J5的2端连接电阻R7的另一端、电阻R8和电容C9的一端，电阻R8的另一端接至单片机芯片U2的25管脚，流量传感器接口J5的3端与电容C9的另一端连接后接地。

如图6和图8所示，磁性传感器的电阻R4和电容C5的一端连至单片机芯片U2的20管脚，电阻R4的另一端接3.6V电压VM，电容C5的另一端接地；

如图6和图8所示，倾角传感器的极性电容C1的正极连至单片机芯片U2的20管脚，极性电容C1的负极连接电阻R5的一端、单片机芯片U2的40管脚、电容C6的一端、单刀单掷开关K2的一端，单刀单掷开关K2的另一端与电容C6的另一端连接后接地，电阻R5的另一端接3.6V电压VM。

如图6和图8所示，阀门开闭传感器的单刀单掷开关K3的一端连接单片机芯片U2的24管脚、电阻R6和电容C7的一端，阀门开闭传感器的单刀单掷开关K3的另一端与电容C7的另一端连接后接地，电阻R6的另一端接3.6V电压VM。

Claims

1.一种采用室外消火栓监控***进行检测的方法，其特征在于，所述检测方法包括：

一、测量模块采用微型涡轮流量计对大口径的消火栓腔体管道截面部分区域进行测量，利用流量倍乘法原理，并基于区域面积与整个截面面积的比例，将测量结果进行流量倍乘，实现整个管道截面的流量测量计算；

二、通讯模块采用物联网端口分散报数的方法实现消火栓物联网端口有序报数；

三、数据管理及数据分析模块采用基于机器学习的异常检测算法和聚类分析算法对数据进行分析；建立用水统计模型、维修状况统计模型、人为因素破坏统计模型、救援维修时效统计模型，实现采集数据的直观分析；

四、测量模块采用阀门开闭传感器，其中智能电子锁处于常闭状态时，保证消火栓的消防水出口闭合，为水资源提供有效的安全保护；通过电子钥匙进行远程控制，控制方式如下：电子钥匙的授权用户通过终端访问模块查看电子锁状态，并发出开锁或关锁请求；请求数据经云平台验证审核处理后，发送至消防栓本体监控***；请求数据由消火栓本体的控制模块处理后，控制智能电子锁，完成电子锁快速开启和关闭，实现阀门的快速操控，避免用水延误；步骤二中，所述消火栓物联网端口有序报数是针对各消火栓终端设备，利用各个终端设备号N及所设定的报数周期T_报数，消火栓设备的控制器通过计算式：t_报数＝N％(60·T_报数)，获得以分钟为单位的设备报数时间t_报数，其中T_报数为以小时为单位的报数周期，通过计算式实现该设备与其他终端设备有效地均匀分散到报数周期上，实现消火栓物联网端口有序报数；

所述消火栓物联网端口有序报数方法执行以下操作：将接收到的新设定的报数周期数据和录入的设备号信息与原始数据进行对比；存在数据更改的情况下，将更改数据存档，并进行新的端口报数时间确定；将新的报数时间替换预设报数时间；以此完成报数时间的更新，并投入到设备报数过程中使用；

所述微型涡轮流量计测量区域面积为测量位置处消火栓管道截面积的1/n，基于微型流量计测量获得的区域流量值Q_l，通过计算式：Q_t＝n·Q_l，计算得到整个消火栓管道内的水总流量Q_t；

所述监控***包括测量模块、控制模块、通讯模块、供电模块、数据管理及数据分析模块、终端访问模块；所述测量模块、控制模块、通讯模块及供电模块集成安装于消火栓终端设备本体；所述测量模块包括检测消防水压的压力传感器、检测及防止消火栓阀门异常开启的阀门开闭传感器、检测消防水用水的流量传感器、检测消火栓倾斜的倾角传感器、检测盖帽开闭的磁力传感器及检测消火栓被遮蔽状态的两个光敏传感器，以实现消火栓状态的全面准确监控；

所述控制模块包括单片机；通讯模块包括NB-IOT通讯设备；数据管理及数据分析模块包括云端服务器；终端访问模块包括WEB终端和APP终端；所述供电模块分别与测量模块、控制模块、通讯模块连接；云端服务器与NB-IOT通讯设备远程通讯连接；同时云端服务器分别连接WEB终端和APP终端；

所述流量传感器采用微型涡轮流量计，微型涡轮流量计安装于消火栓体内，位于整个消火栓管道的中游偏下游位置，并固定于消火栓体内芯杆周围；

所述阀门开闭传感器主体包括检测消火栓阀门开启的阀门微动传感器和防止消火栓阀门非法开启的智能电子锁。

2.如权利要求1所述的一种采用室外消火栓监控***进行检测的方法，其特征在于，所述基于机器学习的异常检测算法采用Isolation Forest算法异常检测模型对测量模块采集的数据进行分析；测量模块的多个传感器在同一时刻获得的检测数据作为输入特征向量的多个特征维度，建立基于Isolation Forest算法异常检测模型，实现对消火栓状态微小异常变化精准检测；Isolation Forest异常检测模型将定期依据云端数据库异常样本的变化进行模型更新，实现异常检测精度快速有效提升。

3.如权利要求1所述的一种采用室外消火栓监控***进行检测的方法，其特征在于，所述聚类分析算法采用基于Kmeans的消火栓特征聚类分析方法对消火栓进行聚类；基于存储数据，利用统计模型对各消火栓行为进行分析。