1 研究背景
上海市黄浦区共有200多所中、小学及幼儿园学校，因学校建设年代不一，建筑消防设施配置不同，消防设备设施的新旧程度也各有差别，以及各学校的消防安全管理人大部分是由教职工兼任，导致黄浦区教育局安全中心对辖区的消防安全管理工作开展难度很大，且效果甚微。
借助物联网技术的发展，黄浦区教育局对辖区42所学校中、小学及幼儿园整体开展“上海市黄浦区校园消防设施物联网项目”建设，并通过消防设施物联网为数据基础，进而建设校园应急救援管理平台和校园消防安全标准化管理体系，以此来提升学校的消防安全管理水平。
建设消防设施物联网是提升学校消防安全管理水平的第一步，也是关键一步，只有基础数据真实、稳定、可靠，才能实现实时监测、实现以数据驱动人员管理，从而开展消防运维管理工作。
开展消防设施物联网建设，重要工作是对学校原有的消防系统进行改造，在原有的消防设备设施上加装传感器、传输设备，并将消防设备设施的运行状态、参数、报警信息等实时上传至消防设施物联网安全管理平台进行监测和分析、处置。并对学校没有消防设施的消防盲区，增加无线的火灾自动报警系统，同时进行本地和远程监管。
2 校园消防设施物联网建设内容
2.1 校园消防设施物联网系统架构
本次建设的校园消防设施物联网系统从上到下分为三层，即应用层、传输层、感知层，如图1：
图1 校园消防物联网系统架构
2.1.1 应用层
应用层主要是承载为学校管理人员提供如消防巡查、检查，消防隐患整改，消防设施维护保养、安全教育培训、消防应急演练、消防档案管理等日常消防运维管理的各项功能，并可支持将数据上传至消防监管平台或第三方管理平台。
2.1.2 传输层
传输层主要是根据学校现场环境，通过有线以太网、无线4G、NB-IOT、自组网LoRa或SmartNode等方式将感知设备采集的数据上传至系统平台；
2.1.3 感知层
感知层是在学校的建筑消防设备设施的关键部分，主要是由设置在消防设备设施上的用户信息传输装置、消防风机/水泵信息采集装置、压力传感器、液位传感器等感知设备构成，以此采集学校消防设备设施的运行状态和相关参数。见图2：
图2 校园消防设施物联网感知层示意图
2.2 校园消防设施物联网监测对象
2.2.1 火灾自动报警系统
(1) 设置有火灾自动报警系统的学校
对于有火灾自动报警系统的学校，根据上海市地方标准《消防设施物联网系统技术标准》规定，通过用户信息传输装置，将火灾自动报警主机里的火警、故障、动作、屏蔽等相关信息，上传至学校的消防设施物联网应用管理平台。
(2) 没有设置火灾自动报警系统的学校
对于没有火灾自动报警系统的学校，考虑到布管布线对学校办公室、教室的影响，则采用无线的火灾自动报警主机、感烟探测器、感温探测器、手动报警按钮、声光警报器等设备，这样的方案不但减少对现有学校建筑的破坏，不影响美观，还大大减少了现场的施工人力成本，缩短了施工工期。
无线火灾自动报警系统通过自组网的方式，形成报警主机与探测设备、报警及警报设备之间的通讯，报警主机则通过4G通讯方式向消防设施物联网平台上传数据。
2.2.2 消防给水及消火栓系统
对于配置消防给水及消火栓系统的学校，则通过信息采集装置采集消防水泵的电源、手/自动、启/停、故障状态信息，通过压力采集器采集消防水泵进/出总管压力以及试验消火栓的压力，通过液位采集器采集消防水池、高位消防水箱的液位信息。
对于配置自动喷水灭火系统的学校，则通过信息采集装置采集消防水泵的电源、手/自动、启/停、故障状态信息，通过压力采集器采集消防水泵进/出总管压力以及系统最不利点喷头的压力信息。
2.2.3 机械防排烟系统
学校的防排烟系统，则通过信息采集装置采集消防风机的电源、手/自动、启/停、故障状态信息以及通过风压差传感器采集风机前后管段的风压，以此判断风管的通畅情况。
3 校园消防设施物联网建设难点分析及解决方案
3.1 难点一：无线火灾自动报警设备通讯方式选择
3.1.1 难点简述
由于黄浦区位处上海市中心，不少学校是由原政府办公机构、教堂、名人故居、古文建筑等改建而成，建筑样式多样，内部结构相对复杂，为了不破坏现场建筑结构、不影响现场美观，只能采用无线通讯传输方案，因此，对无线通讯方式的选择，则是本项目的建设难点之一。
3.1.2 解决方案
经过整理，常规的低功耗无线通讯方式有NB-Iot通讯、LoRa通讯和SmartNode通讯。
关于NB-IoT通讯，经过对42个教学点的现场NB-Iot信号测试，现场不少区域存在网络盲区，甚至有几个学校没有信号覆盖，故在本次方案中，放弃了NB-Iot通讯方案。
经过研究，采用在校园自己搭建无线局域网的方案进行设备间通讯和数据传输，才能实现无线火灾自动报警系统的正常可靠的工作。在自组网的网络类型的选择上，需要在LoRa通讯和SmartNode通讯中选择。
关于LoRa通讯，它有这样几个特点：
1) LoRa设备由于采用电池供电，一般的应用场景，是发完数据，马上关闭电源，一天只发几次，以达到省电的目的；但现场的无线火灾报警主机与无线声光警报器的联动，却需要双向数据互动，耗电较大，LoRa设备的电池使用寿命难以达到3年的规范要求的使用寿命；
2) LoRa的专利限制，LoRa是美国一家公司的独家专利，产品在某些情况下使用可能会受到约束；另外LoRa独有的调制信号，在战争时可能会成为特定的标志性靶点，因此在一些关键领域国内还是不推荐使用，对于学校虽没有相关的政策要求，但是还是要尽量去规避这种风险；
关于SmartNode通讯，它也有如下特点：
1) SmartNode 通讯方式属于国内技术，是基于窄带的无线通讯技术，可以解决空旷区域2千米内的区域信号覆盖，并且支持通过中继设备进行信号覆盖和拓展；
2) SmartNode 技术具有较优秀的传输速率，以及实时不间断的信号监听能力，可实现设备与基站间的双向通讯功能，例如联动无线声光警报器、控制输出模块等设备与报警主机之间双向通讯；
3) 自组局域网内，通过平台设定，可以设置每个接入的节点数不大于150-200个点，保证信息传输畅通。对于无线火灾自动报警系统来讲，按回路分配设备，一个回路出现故障，不会影响另一个回路，提高了系统的可靠性；
3.1.3 结论
因此，经过LoRa和SmartNode通讯方式的特点对比，采用SmartNode是实现无线火灾自动报警系统正常可靠的工作的更优选择，所以我们最终的方案也采用了此类通讯方案，以此来解决学校现场消防设施物联网设备间通讯信号和数据传输的问题。
经过在校园实地测试，现场设置的基站功率在0.05W时，可兼顾能耗和传输信号稳定性的双重要求。如图：
图3 SmartNode信号空旷区域传输距离测试
最后经过调试、验收以及运维工作中的观察验证，采用SmartNode 通讯确实也达到了预期的效果。因此采用SmartNode 通讯技术在学校、宿舍楼、养老院、园区等要求及时报警性的小区域场合其应用稳定可靠，优势明显。
3.2 难点二：消防水系统压力报警值的设定
3.2.1 难点简述
因42所学校涉及中学、小学、幼儿园，建筑性质有一类高层、二类高层、单、多层建筑，所以对于不同性质的建筑，消防给水系统及消火栓系统、自动喷水灭火系统设置在不同部位的压力传感器，设定的报警值也不尽相同，但因为相关规范并没有明确的规定具体限值，所以设定报警值也成了本项目的一个难点工作。
3.2.2 解决方案
在消火栓系统中，压力传感器主要设置在消火栓泵的进、出口管道上和最不利点消火栓处，分别监测的是供水侧的管网压力和系统最不利点消火栓压力（本文提到的压力均为静水压力）；在自动喷水灭火系统中，压力传感器主要设置在喷淋泵的进、出口管道上和最不利点喷头处，分别监测的是供水侧的管网压力和系统最不利点喷头的压力。所以，对于消防水系统，需要设定的压力报警值总结起来有四个：水泵进口压力、水泵出口压力、最不利点消火栓处压力（消火栓系统）、最不利点喷头压力（自动喷水灭火系统）。
1）水泵进口管道压力报警值设定：
设定消防水泵进口压力报警值主要是监测系统的消防水源的情况，确保消防供水的可靠性，设定报警值主要分两种情况：
① 消防水系统由消防水池/水箱供水，这种情况水泵进水管压力就等约于消防水池/水箱的高度产生的压力（10m水柱=0.1MPa），而水箱液位是通过液位传感器进行监测的，再设定水泵进水压力报警值就意义不大；
② 消防水系统由市政管网供水，此时就需要对水泵进水管压力进行监测，但其报警值相关规范并没有明确的规定，经过查阅各类相关规范，判定与之最接近的，是规范对市政消火栓管网压力的要求，所以最终选择参照《消防给水及消火栓系统技术规范》 （GB50974-2014）中对设置在市政给水管网上的市政消火栓的工作压力不小于0.14MPa的要求参考设定了市政供水情况下，消防水泵进口管道的压力报警值。
2）水泵出口管道压力报警值设定：
消防水泵出口管道压力在相关规范上也没有明确的规定，经过查阅相关资料和现场实地考察，消防水泵出口管道压力的设定也分两种情况：
① 压力传感器设置在水泵出口的止回阀前端，因为消防水泵进出口是相通的，此时测得的压力和水泵进水口压力基本相同；
② 压力传感器设置在水泵出口的止回阀后端，则此时测得的压力值是属于系统侧的最大压力值。因为在 《消防给水及消火栓系统技术规范》 （GB50974-2014）和《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084-2017）中有规定系统最不利点的静水压力值的最低值，最不利点一般情况下都是在建筑的最高楼层，那么水泵出口的静水压力的最低报警值就约等于系统最不利点压力最小值加上整个系统管网的水的自重对水泵出水口的压力传感器产生的压力值（不考虑阻力损失），而整个系统管网的水的自重产生的压力就约等于末端压力传感器到水泵出口设置的压力传感器的高差。
举个例子：根据规范规定，一类高层公共建筑的最不利点消火栓处的静水压力不应小于0.1MPa，一栋一类高层建筑，最不利点消火栓处到水泵出口压力传感器的高差是60m，按照10m水柱=0.1MPa计算，二者之间产生的压力差就是0.6MPa，再加上最不利点消火栓规定的0.1MPa的压力，则此建筑的水泵出水口的静水压力值就不应低于0.6MPa+0.1MPa=0.7MPa，如果水泵出口的静水压力值低于0.7MPa，因为高度差固定，则此建筑最不利点消火栓处的静水压力就低于0.1MPa，这是违反相关规范规定的。
因此，通过规范规定的最不利点压力值和最不利点与水泵出水口处的高度差，就可以推断出消防水泵出水口的静水压力值的报警限值的设定方法。
3）最不利点消火栓和喷头处的压力报警值设定：
在《消防给水及消火栓系统技术规范》 （GB50974-2014）和《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084-2017） 中有规定系统最不利点的静水压力值，所以此部分设定压力报警值相对简单。
3.2.3 结论
最后，因42所学校建筑情况各不相同，无法得到一个统一的设定值，但根据前面的推断，可以得到一个通用的设定标准，不但对此项目适用，也可用于其他的校园消防设施物联网系统压力报警值的设定，具体见表1：
表1 校园建筑消防物联网水系统压力报警值设定标准
4 校园消防设施物联网建设成果
通过对上海市黄浦区42所中、小学、幼儿园进行消防设施物联网建设，将校园内的原有的消防设备设施以及新增的无线火灾报警系统进行实时监测，并将采集到的设备状态信息和现场的消防安全管理工作情况通过消防设施物联网应用管理平台上报至辖区教育局安全中心和辖区消防支队大数据中心。从系统实施监管、现场工作人员处理、学校相关主管监督、上级部门监管督查等多方面共同提升校园安全管理水平，为学生提供一个安全、良好的学习环境。
5 结论与建议
综上所述，消防设施物联网在校园中的应用是实现校园数字化消防安全管理的第一步，也是建设校园应急救援管理平台和校园消防安全标准化管理体系的基础工作。对于建筑性质、使用场景不一的学校，选择合适的通讯方式，设定准确、合理的监测报警值，采集准确、全面的消防设备设施的数据信息等，是校园进行数字化消防安全管理的基础和重要依据，也是让数字化消防安全管理系统成为提升校园消防安全管理水平重要工具的有力保障。
参考文献
[1] 《城市消防远程监控系统技术规范》GB50440-2007
[2] 《消防设施物联网系统技术标准》J14149-2018
[3] 《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-2013
[4] 《消防给水及消火栓系统技术规范》GB50974-2014
[5] 《自动喷水灭火系统设计规范》GB50084-2017
