1 應用背景

2016年唐山市承辦世界園藝博覽會，為提高城市整體環(huán)境質量，市政府決定新增150輛灑水車用于道路灑水及園林綠化，加上原有霧霾治理噴灑車與其它綠化企業(yè)灑水車，唐山市區(qū)內工作的灑水車輛每日可達到500輛。數(shù)量如此多的灑水車輛給取水管理增加了難度，如果建立統(tǒng)一的取水站，會投入很大的建設成本，灑水車排隊取水也會對交通及市容造成一定的影響，且不利于車輛的連續(xù)作業(yè)。

以往，灑水車均在馬路邊的消火栓上取水，這樣無形中縮短了消火栓的使用壽命。消火栓的主要功能是為消防車提供補給水，為消防部門迅速、高效地完成滅火工作發(fā)揮著極其重要的作用。火災來臨時，消火栓不好用甚至不能用，會給消防部門的滅火工作造成極大的影響，可能導致錯過滅火最佳時機，造成人民生命、財產的重大損失。同時，灑水車無序取水，也造成了取水量無法計量，自來水公司沒有具體數(shù)據(jù)征收水費的尷尬局面。

消防用水屬于公益水，而在許多商戶及個人眼中，消火栓的水就是“不要錢的水”。偷接消火栓、私用公益水現(xiàn)象嚴重，不僅會造成大量的水資源流失，還會降低消防管道水壓，給公共安全帶來隱患。由于消火栓分布地域較廣，管理執(zhí)法人員不能及時監(jiān)管所有消火栓，即使被盜用，執(zhí)法人員也很難取證，導致違法人員逍遙法外。

基于以上背景，唐山市自來水公司對消火栓的管理提出了新模式，并聯(lián)合相關研究中心研發(fā)了2款新產品：

（1）DATA–6241刷卡計量取水裝置。自來水公司新增了專用取水栓且通體刷成綠色，與紅色的消火栓區(qū)別開來，在取水栓頂部安裝DATA–6241刷卡計量取水裝置，取水車輛只有通過刷IC卡才能開閥取水。

（2）DATA–6242消火栓防盜水報警裝置。在紅色消火栓的出水口安裝DATA–6242消火栓防盜水報警裝置，自動監(jiān)控消火栓用水狀態(tài)。

以上2款產品（見圖1）均已申請了發(fā)明專利，目前正在受理中。

2 刷卡計量取水栓監(jiān)管系統(tǒng)

專用取水栓由消火栓改造而成：① 在閥桿上加裝電動鎖止裝置（裝置利用棘輪、棘爪原理控制閥桿的旋轉，并具有開關狀態(tài)反饋功能）；② 使用DATA–6241替換原有頂部蓋帽，使用電纜與電動鎖止裝置連接。

改造好的取水栓具備IC卡識別和刷卡解鎖功能，取水人員需使用專用IC卡解鎖后，才能開閥取水。取水時，井下計量設備自動計量取水量。

取水栓一般安裝在馬路邊，現(xiàn)場取電、布線很麻煩，電子設備露天使用還要防水、防潮。因此，DATA–6241采用微功耗工作模式，定時采集和傳輸數(shù)據(jù)，閑時休眠，忙時喚醒。產品內置4節(jié)大容量鋰電池（14AH），能夠保證10000次的取水動作正常運行。設備自動采集電池電壓，電壓過低時自動報警。

DATA–6241采用上下兩層結構設計，上層內安裝PCB電路板及鋰電池，采用2道硅膠密封圈及多個不銹鋼螺釘緊固，防水等級達到IP68；下層采取遮罩式設計，用來保護電動鎖止裝置，電動鎖止裝置經(jīng)試驗可在水中可靠工作，完全適應現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。同時DATA–6241集成了GPRS、433M和藍牙3種無線通信功能，充分利用各種網(wǎng)絡的優(yōu)勢構成成套系統(tǒng)，并采用了獨特的防水設計，防護等級達到了IP68。

GPRS具備遠距離數(shù)據(jù)傳輸功能，可將現(xiàn)場多個傳感器的數(shù)據(jù)遠程傳輸至數(shù)據(jù)監(jiān)管中心；433M具備中距離數(shù)據(jù)傳輸功能，不產生通訊費用，通過它可采集井下計量設備的數(shù)據(jù)，避免了布線的麻煩；藍牙具備短距離傳輸功能，傳輸速度快，通過手機APP可對設備進行升級維護。

在每個取水栓旁的閥門井內安裝計量裝置（水表或流量計）和壓力變送器。 計量裝置用來計量取水戶的單次取水量以及取水栓的瞬時、累計流量。壓力變送器用來采集管道壓力數(shù)據(jù)，它可以檢測管道是否有水以及水壓的大小，用以確定取水栓是否可以正常使用。計量裝置和壓力變送器都具備傳輸接口，能夠通過標準的4~20mA、RS485、脈沖等信號進行數(shù)據(jù)傳輸。閥門井內另需安裝一臺IP68防護等級的RTU設備，即 DATA–7601微功耗采集終端。該設備具備多種變送器信號采集接口，還具備433M無線傳輸功能，能夠與井上的DATA–6241刷卡計量取水裝置進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。

使用流程： 灑水車取水時，取水人員先將車上取水帶連接至取水栓出水口，將IC卡置于取水栓的刷卡區(qū)內，這時系統(tǒng)會自動驗證IC卡芯片中的身份信息，身份合法則自動打開電動鎖止裝置，并通知井下DATA–7601微功耗采集終端準備采集數(shù)據(jù)。此時取水人員可使用專用開閥扳手打開取水栓閥門給車輛加水。電動鎖止裝置延時若干秒（可設置）后自動上鎖，但不影響取水栓的關閉，為下一次刷卡取水做好準備。取完水后，取水人員用扳手關閉取水閥門。井下DATA–7601微功耗采集終端檢測井下計量裝置沒有瞬時流量后，將此次用水數(shù)據(jù)傳輸至DATA–6241刷卡計量取水裝置，DATA–6241再通過GPRS遠程傳輸至數(shù)據(jù)監(jiān)管中心，至此完成一次取水作業(yè)。刷卡計量取水栓監(jiān)管系統(tǒng)現(xiàn)場設備以及網(wǎng)絡拓撲見圖2。

3 消火栓報警監(jiān)管系統(tǒng)

常用消火栓有3個出水口，1個100mm口徑、2個65mm口徑，每個出水口均安裝一個悶蓋。悶蓋是一個附屬裝置，起到了封堵出水口的作用，只要密封效果達到原有悶蓋的標準，更換它不會影響消火栓的正常使用。因此，DATA–6242消火栓防盜水報警裝置的外形就設計成一個消火栓悶蓋形狀，通過替代消火栓原有悶蓋，可實現(xiàn)消火栓用水報警功能，而且不改變消防部門的使用功能。

消火栓防盜水報警裝置內部集成了微功耗電子電路和2節(jié)大容量鋰電池，同時具備GPRS、藍牙、433M無線通信功能，并且產品的防護等級同樣做到了IP68。消火栓正常工作時，不管是正常取水還是非法用水，用戶從哪個出水口取水，消火栓報警裝置均可以檢測到，并自動向數(shù)據(jù)監(jiān)管中心報警。

工作原理：①當有人在100mm出水口用水，在擰動消火栓防盜水報警裝置時，裝置中的傾斜開關發(fā)生位置偏離并導通，觸發(fā)消火栓防盜水報警裝置，并將報警信息通過GPRS網(wǎng)絡遠傳至數(shù)據(jù)監(jiān)管中心，實現(xiàn)及時報警；②當有人在65mm出水口用水時，出水后消火栓內的水壓觸發(fā)消火栓防盜水報警裝置內的微動開關閉合，同樣使該裝置將報警信息遠傳至數(shù)據(jù)監(jiān)管中心；③消火栓防盜水報警裝置還可以配合井下DATA–7601微功耗采集終端，采集消防管道壓力，壓力不足時及時報警，保證消火栓的正常使用。消火栓報警監(jiān)管系統(tǒng)現(xiàn)場設備及網(wǎng)絡拓撲見圖3。

4 消火栓相關產品監(jiān)管平臺

由于取水栓與消火栓的水源均來自消防管道，為便于統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺的建設應該包括以上兩個系統(tǒng)，只有將兩個系統(tǒng)結合到一起，才能實現(xiàn)完全監(jiān)管消防管道及相關設施的目標。

該系統(tǒng)將數(shù)量眾多、分布分散的取水栓和消火栓通過GPRS網(wǎng)絡鏈接起來，結構簡單，維護方便。

管理人員在監(jiān)管平臺上通過地圖或列表，可實時監(jiān)控區(qū)域內所有取水栓和消火栓的用水情況，能夠看到：哪個用戶幾點幾時在哪個取水栓取了多少水、是否有用戶非法開取水栓取水；哪個消火栓在用水，通過與消防部門結合確認是真實火警還是有不法人員在偷水；消防管道整體的壓力情況，哪條管道壓力過高或過低等情況，以便于及時采取措施。

監(jiān)管平臺將詳細監(jiān)管數(shù)據(jù)自動保存在數(shù)據(jù)庫中，便于自來水公司隨時查詢消防管道用水信息，并方便與取水用戶進行費用結算。平臺網(wǎng)絡拓撲見圖4。

5 應用效果

唐山自來水公司在唐山市區(qū)范圍內一共安裝取水栓40個，并計劃將市區(qū)內所有消火栓都安裝防盜水報警裝置。現(xiàn)場數(shù)據(jù)均報送至唐山自來水監(jiān)管平臺上，這樣就能統(tǒng)一管理所有的取水栓和消火栓，完全實現(xiàn)了集中監(jiān)測各取水單位的取水量、有效監(jiān)控取水栓和消火栓使用狀態(tài)、及時甄別消防用水和非法盜水情況。