取水栓及消火栓远程实时监管系统的设计与应用案例

1 应用背景

2016年唐山市承办世界园艺博览会，为提高城市整体环境质量，市政府决定新增150辆洒水车用于道路洒水及园林绿化，加上原有雾霾治理喷洒车与其它绿化企业洒水车，唐山市区内工作的洒水车辆每日可达到500辆。数量如此多的洒水车辆给取水管理增加了难度，如果建立统一的取水站，会投入很大的建设成本，洒水车排队取水也会对交通及市容造成一定的影响，且不利于车辆的连续作业。

以往，洒水车均在马路边的消火栓上取水，这样无形中缩短了消火栓的使用寿命。消火栓的主要功能是为消防车提供补给水，为消防部门迅速、高效地完成灭火工作发挥着极其重要的作用。火灾来临时，消火栓不好用甚至不能用，会给消防部门的灭火工作造成极大的影响，可能导致错过灭火最佳时机，造成人民生命、财产的重大损失。同时，洒水车无序取水，也造成了取水量无法计量，自来水公司没有具体数据征收水费的尴尬局面。

消防用水属于公益水，而在许多商户及个人眼中，消火栓的水就是“不要钱的水”。偷接消火栓、私用公益水现象严重，不仅会造成大量的水资源流失，还会降低消防管道水压，给公共安全带来隐患。由于消火栓分布地域较广，管理执法人员不能及时监管所有消火栓，即使被盗用，执法人员也很难取证，导致违法人员逍遥法外。

基于以上背景，唐山市自来水公司对消火栓的管理提出了新模式，并联合相关研究中心研发了2款新产品：

（1）DATA–6241刷卡计量取水装置。自来水公司新增了专用取水栓且通体刷成绿色，与红色的消火栓区别开来，在取水栓顶部安装DATA–6241刷卡计量取水装置，取水车辆只有通过刷IC卡才能开阀取水。

（2）DATA–6242消火栓防盗水报警装置。在红色消火栓的出水口安装DATA–6242消火栓防盗水报警装置，自动监控消火栓用水状态。

以上2款产品（见图1）均已申请了发明专利，目前正在受理中。

2 刷卡计量取水栓监管系统

专用取水栓由消火栓改造而成：① 在阀杆上加装电动锁止装置（装置利用棘轮、棘爪原理控制阀杆的旋转，并具有开关状态反馈功能）；② 使用DATA–6241替换原有顶部盖帽，使用电缆与电动锁止装置连接。

改造好的取水栓具备IC卡识别和刷卡解锁功能，取水人员需使用专用IC卡解锁后，才能开阀取水。取水时，井下计量设备自动计量取水量。

取水栓一般安装在马路边，现场取电、布线很麻烦，电子设备露天使用还要防水、防潮。因此，DATA–6241采用微功耗工作模式，定时采集和传输数据，闲时休眠，忙时唤醒。产品内置4节大容量锂电池（14AH），能够保证10000次的取水动作正常运行。设备自动采集电池电压，电压过低时自动报警。

DATA–6241采用上下两层结构设计，上层内安装PCB电路板及锂电池，采用2道硅胶密封圈及多个不锈钢螺钉紧固，防水等级达到IP68；下层采取遮罩式设计，用来保护电动锁止装置，电动锁止装置经试验可在水中可靠工作，完全适应现场的恶劣环境。同时DATA–6241集成了GPRS、433M和蓝牙3种无线通信功能，充分利用各种网络的优势构成成套系统，并采用了独特的防水设计，防护等级达到了IP68。

GPRS具备远距离数据传输功能，可将现场多个传感器的数据远程传输至数据监管中心；433M具备中距离数据传输功能，不产生通讯费用，通过它可采集井下计量设备的数据，避免了布线的麻烦；蓝牙具备短距离传输功能，传输速度快，通过手机APP可对设备进行升级维护。

在每个取水栓旁的阀门井内安装计量装置（水表或流量计）和压力变送器。 计量装置用来计量取水户的单次取水量以及取水栓的瞬时、累计流量。压力变送器用来采集管道压力数据，它可以检测管道是否有水以及水压的大小，用以确定取水栓是否可以正常使用。计量装置和压力变送器都具备传输接口，能够通过标准的4~20mA、RS485、脉冲等信号进行数据传输。阀门井内另需安装一台IP68防护等级的RTU设备，即 DATA–7601微功耗采集终端。该设备具备多种变送器信号采集接口，还具备433M无线传输功能，能够与井上的DATA–6241刷卡计量取水装置进行双向数据传输。

使用流程： 洒水车取水时，取水人员先将车上取水带连接至取水栓出水口，将IC卡置于取水栓的刷卡区内，这时系统会自动验证IC卡芯片中的身份信息，身份合法则自动打开电动锁止装置，并通知井下DATA–7601微功耗采集终端准备采集数据。此时取水人员可使用专用开阀扳手打开取水栓阀门给车辆加水。电动锁止装置延时若干秒（可设置）后自动上锁，但不影响取水栓的关闭，为下一次刷卡取水做好准备。取完水后，取水人员用扳手关闭取水阀门。井下DATA–7601微功耗采集终端检测井下计量装置没有瞬时流量后，将此次用水数据传输至DATA–6241刷卡计量取水装置，DATA–6241再通过GPRS远程传输至数据监管中心，至此完成一次取水作业。刷卡计量取水栓监管系统现场设备以及网络拓扑见图2。

3 消火栓报警监管系统

常用消火栓有3个出水口，1个100mm口径、2个65mm口径，每个出水口均安装一个闷盖。闷盖是一个附属装置，起到了封堵出水口的作用，只要密封效果达到原有闷盖的标准，更换它不会影响消火栓的正常使用。因此，DATA–6242消火栓防盗水报警装置的外形就设计成一个消火栓闷盖形状，通过替代消火栓原有闷盖，可实现消火栓用水报警功能，而且不改变消防部门的使用功能。

消火栓防盗水报警装置内部集成了微功耗电子电路和2节大容量锂电池，同时具备GPRS、蓝牙、433M无线通信功能，并且产品的防护等级同样做到了IP68。消火栓正常工作时，不管是正常取水还是非法用水，用户从哪个出水口取水，消火栓报警装置均可以检测到，并自动向数据监管中心报警。

工作原理：①当有人在100mm出水口用水，在拧动消火栓防盗水报警装置时，装置中的倾斜开关发生位置偏离并导通，触发消火栓防盗水报警装置，并将报警信息通过GPRS网络远传至数据监管中心，实现及时报警；②当有人在65mm出水口用水时，出水后消火栓内的水压触发消火栓防盗水报警装置内的微动开关闭合，同样使该装置将报警信息远传至数据监管中心；③消火栓防盗水报警装置还可以配合井下DATA–7601微功耗采集终端，采集消防管道压力，压力不足时及时报警，保证消火栓的正常使用。消火栓报警监管系统现场设备及网络拓扑见图3。

4 消火栓相关产品监管平台

由于取水栓与消火栓的水源均来自消防管道，为便于统一管理，数据监管平台的建设应该包括以上两个系统，只有将两个系统结合到一起，才能实现完全监管消防管道及相关设施的目标。

该系统将数量众多、分布分散的取水栓和消火栓通过GPRS网络链接起来，结构简单，维护方便。

管理人员在监管平台上通过地图或列表，可实时监控区域内所有取水栓和消火栓的用水情况，能够看到：哪个用户几点几时在哪个取水栓取了多少水、是否有用户非法开取水栓取水；哪个消火栓在用水，通过与消防部门结合确认是真实火警还是有不法人员在偷水；消防管道整体的压力情况，哪条管道压力过高或过低等情况，以便于及时采取措施。

监管平台将详细监管数据自动保存在数据库中，便于自来水公司随时查询消防管道用水信息，并方便与取水用户进行费用结算。平台网络拓扑见图4。

5 应用效果

唐山自来水公司在唐山市区范围内一共安装取水栓40个，并计划将市区内所有消火栓都安装防盗水报警装置。现场数据均报送至唐山自来水监管平台上，这样就能统一管理所有的取水栓和消火栓，完全实现了集中监测各取水单位的取水量、有效监控取水栓和消火栓使用状态、及时甄别消防用水和非法盗水情况。