基于NB-IoT的高校智慧消防装备管理系统的设计与实现

杨文 田景富 黄达 蔡伟明 刘锡兵 骆连冠

关键词：智慧消防；NB-LoT；大数据；物联网

0 引言

高校消防安全关乎高校全体师生生命财产的安全，是一切教学活动的根本保障，而消防装备作为消防安全体系中的核心物资资源，管理和使用好是保障的基础。所谓智慧消防，就是利用物联网、移动“互联网+”等最新技术，配合大数据云计算平台、火警智能研判等专业应用，实现高校消防的智能化，提高信息传递的效率，保障消防设施的完好率[1]。

当前，高校的消防装备的管理方法比较落后，对于消防装备管理和使用过程中还比较多采用人工方式进行操作，消防装备中包括消防水池、消防管道、消防泵、消防栓、灭火器等设备，因设施种类复杂、数量多，给各类消防装备的管理带来了非常大的困难，如灭火器的定期维护、消防水带的定期检查、消防设备调拨等装备信息无法技术获取。为进一步加强消防设施的管理，及时掌握各类消防设施的情况，建设集消防地点管理、消防设备管理、重点设备实时监控、消防备件管理、养护管理以及大数据看板等功能为一体的智慧消防装备管理系统，将可以实质性地提高高校的整体消防安全，有效提高消防相关的工作效率，确保高校消防安全。

1 系统需求分析

高校消防装备主要包括消防管道设施（包括管道、消防栓、泵机、喷淋设施等）、灭火器两大类，因高校各类建筑建设时间不同、归属产权不同，建筑内的消防管道设施也存在很大差异，消防管网错综复杂，部分地下管道老化、漏水、缺水等情况频繁发生；此外，高校各类教室、实训室等场所的灭火器数量众多，灭火器具有体积小、易移位、须定期保养、更换等特性，时常发生师生随意变换灭火器位置、调换新旧灭火器的情况。目前高校消防装备的管理主要依靠安排部分安保人员定期巡检，巡检工作量非常大，且依靠纸质巡检登记表进行登记汇总，难以及时、有效发现消防装备的各类隐患，考虑各大运营商的NB-IOT信号均已覆盖校园，系统采用NB-IOT物联网协议传输数据，对现有的消防管道开孔安装智能NB-IOT压力变送器，对校园内教学楼、实训楼、图书馆、学生宿舍等场所的消防管道进行水压远程监测，将消防装备的地点、分类、设备、养护数据实时采集，发送到智慧消防系统进行管理应用。

2 系统设计主要原则

本项目的设计以需求为牵引，应用为导向，采用通用的访问权限控制、信息标准、组件开发标准的设计，考虑系统建设的先进性、标准化、安全性等要求。充分考虑智慧消防装备管理的实际需要，将目前最迫切的消防管道水压监测、消防泵机状态监测、消防设备的盘点和养护进行信息化智能化的管理，让管理部门可以及时掌握总体消防安全情况，进一步提高高校的消防安全。依托网络化的装备物资储备供应信息系统运用自动识别、物资可视化系统、电子数据交换系统等物联网技术，在实时掌握物资需求、准确掌控保障资源的基础上，实现装备物资的“实时感知、精确保障”[2]。同时，设计方案留有一定的余地，即在设计中构造明晰的结构体系，后续可将更多的消防设施通过物联网接入到系统，最终可打造一体化的智能消防系统。

3 系统功能

3.1 系统架构

考虑校园面积和各建筑中各类无线信号的覆盖，本项目采用NB-IOT协议传输管道压力变送器数据，无须额外部署信号接收装置，经过运营商基站和云平台将数据传输到WEB服务器。由WEB服务器将数据转存到数据库服务器，并将数据展示给PC客户端和大数据展示屏。系统架构如图1所示。

3.2.1 系统设置模块

系统设置模块是整个业务系统的关键，包括系统运行配置、系统参数、操作日志、用户权限管理等功能。系统采用D-RBAC 访问控制模型，是在传统的RBAC模型（基于角色的访问控制）的基础上，引入数据授权的概念，使不同的角色在灵活授权可访问节点的基础上，增加了可访问数据的授权管理，使得系统的访问控制更加灵活可控。

3.2.2 养护管理模块

按照实际工作情况，管理员制定各类设施设备的养护计划，养护计划包括养护类型、关联设施设备、养护周期、养护要求、涉及人员等信息。如每五年对灭火器进行一次养护。安保人员通过养护任务界面查询当前需要执行的养护信息，查询养护信息无异议的，接受任务，执行养护任务，任务执行完毕后，在线反馈执行情况。系统自动汇总养护的记录，以供后续的明细查询。管理员按照实际工作情况，制定各类设施设备的巡检计划，养护计划包括巡检地点、所在地点设备信息、设备巡检要求等信息。安保人员通过巡检任务界面查询当前需要执行的巡检信息，查询巡检信息无异议的，接受任务，并使用手机端巡检软件执行巡检任务，任务执行完毕后，在线反馈执行情况。系统自动汇总巡检的记录，以供后续的明细查询。

3.2.3 备件管理

统一管理备件，建立在线备件台账，备件出库、入库申请和审批，以及备件的定期盘点。

备件台账列出所有在库备件的信息，以及各类备件的筛选、搜索、汇总等操作。管理员录入或批量导入备件的入库信息。安保人员（使用人）在线申请备件出库使用，由管理员审核。备件盘点对在库的备件进行盘点，打印盤点明细，录入盘点异常情况等。管理员按照设备分类的大类、小类等进行分类，以供备件入库录入信息时使用。

3.2.4 设备管理

将消防相关设备统一录入系统进行管理，包括消防栓、灭火器、应急灯等设备，并选择系统上已经设置好的消防地点。设备台账列出所有在库设备的信息，以及各类设备的筛选、搜索、汇总等操作。设备监控，通过NB-IOT物联网设备将消防管道水压、消防泵机运行状态定时上传到后台，通过设备监控页面查看详细数据， 实现对消防水系统的主动管理， 系统通过调取现场视频、智能报警、数据信息等多种方式， 快速发现系统异常及故障， 为联网建筑消防水系统的检查、维护和保养等工作带来巨大帮助， 可有效减少消防管理部门现场检查次数、降低工作强度、提高工作效率[3]。设备调拨，对需要调拨的设备，由安保人员（使用人）在系统上提出申请，由设备管理员进行调拨审核。设备盘点，对在账设备进行清点，打印盘点明细，录入盘点异常情况的操作。标签打印，批量打印设备的标签，特殊材质标签（如PVC预制编号标签）可将预制标签的编号与设备关联。设备分类，管理员按照消防设备的大类、小类等进行分类，以供设备管理中选择。

3.2.5 消防點管理

将消防相关的地点进行统一编号管理，如消防栓位置、灭火器位置、消防泵机位置，按照楼栋、楼层、方向进行编号，以便后续可以快速掌握相关地点数量和位置。编号后，可在后台批量打印位置标签。将消防相关地点按照楼栋、楼层进行大致分类，并标注具体的地理位置信息。可对分类信息进行增删改查操作。根据地点分类的范围，标记具体的消防相关地点，并将所有地点进行编号管理。批量打印消防地点的标签，特殊材质标签（如PVC预制编号标签）可将预制标签的编号与地点关联。

3.2.6 大数据面板

通过大屏幕展示学校消防装备的整体运行情况、设备在库情况、备件在库情况、养护任务提醒、养护执行情况等大数据统计数据[4]。大数据面板效果如图3所示：

面向安保人员，在执行养护和巡检任务时，使用微信小程序登录管理系统，可通过微信小程序调用手机摄像头扫描地点或设备的标签，查看详细信息，以及执行养护、巡检任务，上报执行情况。

4 安全设计

4.1 身份鉴别和访问控制

系统采用基于D-RBAC的访问控制模型，即基于角色和数据授权的访问控制模式，可灵活调整用户访问节点的权限以及和查阅数据的范围，遵循对用户分配最小权限的原则[5]。系统默认开启密码复杂度功能，密码长度应不小于8位，应包含数字、字母和特殊字符。在连续3次登录失败后系统将自动锁定该用户15分钟。同一用户不允许多地点同时登录，同一用户重复登录时，将自动退出前面登录的用户。如果用户15分钟后没有任何操作，将触发超时响应自动退出功能，自动退出当前账户。

4.2 数据保密性

系统使用足够强度的单向散列算法创建密码后存储，实现鉴别信息的存储保密性。本项目仅部署在校园网使用，不对外网开放，确保数据的安全，学校相关人员在网络访问时，须通过学校现有的VPN系统进行访问。

4.3 安全审计

所有用户在系统上的行为均可完整记录，包括操作时间、操作类型、访问IP地址等信息。

4.4 数据备份

定期对程序源代码及数据库进行异地备份，确保数据安全。

5 结束语

高校智慧消防装备管理系统基于NB-LoT技术自动获取消防管道水压数据，基于微信小程序获取养护和巡检数据，并建立设备及备件数据库，通过大数据展板及时动态地展现相关信息，对于数据异常提供自动报警功能，较好地解决了消防装备管理问题，并对系统安全进行了严密的设计，整体提高了管理效率，提升了安全效能，具有较好的可推广和复制性。