王丹丹

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘 要：為了防范于未然，提前預警老舊小區電氣火災,設計了一種基于無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的老舊小區電氣火災監控系統。該系統利用監測線(xiàn)路產(chǎn)生的發(fā)熱（溫度）和闞值（電流）大小，采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將報警信息傳給監控主機，監控主機發(fā)出指令，將信息傳達到值班人員，從而預防老舊小區電氣火災的發(fā)生。通過(guò)測試，該系統穩定性好，穿墻能力強，傳輸遠。

關(guān)鍵詞：老舊小區；電氣火災監控;無(wú)線(xiàn)通信

0 引言

老舊小區住戶(hù)多,線(xiàn)路錯綜復雜，隨著(zhù)家中電器設備增加，用電負荷迅速增大，與此同時(shí)，老舊小區由于缺乏維護，線(xiàn)路老化、破損等問(wèn)題也不可避免會(huì )相繼出現，維護管理難度增加,隱藏著(zhù)較大安全隱患。相關(guān)調查研究發(fā)現，近3年內,在老舊小區中由電氣故障引發(fā)的火災事件日益增多。因此，各地相繼出臺了針對老舊小區改造的方案和指導意見(jiàn)，如福建省人民政府辦公廳2020年3月發(fā)布《關(guān)于福建省老舊小區改造實(shí)施方案的通知》，廣東省于2021年5月發(fā)布《廣東省城鎮老舊小區改造技術(shù)導則》（試行）。這些方案中都提出了要在老舊小區安裝消防報警設備,構建智慧安全小區。然而，通過(guò)查閱國內外關(guān)于建筑電氣火災監控技術(shù)的相關(guān)文獻發(fā)現，當前大部分小區大多采用了有線(xiàn)傳輸方式實(shí)現對火災監控,有線(xiàn)傳輸安裝調試周期長(cháng)，需要專(zhuān)人值守，增加了人工成本，在某些特殊的場(chǎng)景中,此類(lèi)有線(xiàn)裝置還會(huì )影響小區的美觀(guān)性。無(wú)線(xiàn)監測系統構成和操作簡(jiǎn)單,可一臺消防主機和多個(gè)探測器相連，無(wú)需破壞裝修結構。

基于以上兩類(lèi)監控方式優(yōu)缺點(diǎn)的對比，本文提出采用無(wú)線(xiàn)監控系統進(jìn)行監測的設想,該系統可及時(shí)獲得溫度、漏電流信息，進(jìn)行預警從而減少線(xiàn)路故障引起的火災發(fā)生。根據上述設想，本文設計了一款多功能、電氣火災監控系統，為更好滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信要求,還引入了超長(cháng)距低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，彌補了以往監測系統的缺陷,且可以降低施工難度，更好滿(mǎn)足小區改造需要。

1 室內電氣火災監控系統工作原理

火災監控的系統框圖如圖1所示。本系統包含了眾多硬件模塊，如溫度傳感器、電流互感器模塊等,這些模塊通過(guò)特定的方式組合起來(lái)滿(mǎn)足總體功能要求。

系統的數據信號傳輸采用遠距離無(wú)線(xiàn)電（long range radio,LoRa）傳輸方式,該方式采用了當前較為成熟的擴頻技術(shù),具有超長(cháng)距低功耗的優(yōu)點(diǎn),相關(guān)研究發(fā)現其傳輸距離在400 m左右，與目前常用的ZigBee相比，其不僅穿透能力強，且輻射范圍更廣。

在實(shí)際應用中，如果線(xiàn)路出現異常，則電氣火災探測器中相關(guān)器件會(huì )快速響應,并收集線(xiàn)路溫度和漏電流數據。之后獲取到的信息會(huì )經(jīng)過(guò)轉換、濾波、放大等處理，如果處理后的數據超出閾值范圍，則控制系統進(jìn)行判斷并發(fā)送控制指令，使得報警電路發(fā)出警報，同時(shí)顯示報警實(shí)時(shí)值。在系統中設置了芯片SX1262,傳感器收集到信號后，采用LoRa無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)將其傳輸至控制單元，控制器即時(shí)做出響應并發(fā)岀警報指令,在此過(guò)程中，數據會(huì )在屏幕上顯示出來(lái),以幫助管理者有效應對處理。

2 電氣火災探測器的硬件設計

結合前期的需求分析，此處對硬件模塊進(jìn)行了設置，有MCU、無(wú)線(xiàn)通信電路、通信接口等。系統采用了單片機，其通過(guò)相關(guān)的引腳與其他模塊集成，通過(guò)通信接口與無(wú)線(xiàn)通信電路連接,由于單片機可編程，提高了系統的自動(dòng)化水平。

2.1主要控制芯片

MCU采用STM32F103作為主芯片,該芯片能耗低、運行速度快。另外,其采用特定的方式與相應的無(wú)線(xiàn)模塊TTL電平連接，這種設計方法易于實(shí)現，結構簡(jiǎn)單,穩定性高,能夠在不同的場(chǎng)合中發(fā)揮作用。

2.2信號采樣電路

該電路由多個(gè)硬件模塊構成，如采樣回路、信號濾波電路等，它們的集成可以實(shí)現有效的采樣。測溫采樣回路如圖2所示。具體原理如下:基準電壓Uref通過(guò)分壓電阻以及其他一系列器件構成相應的采樣回路。電壓跟隨器做緩沖級，其特點(diǎn)是系統正常運行時(shí)能夠高輸入電阻、低輸出電阻。采用這種設計能夠使前、后級電路之間互不影響,此時(shí)電壓不會(huì )對其產(chǎn)生影響。在其運行過(guò)程中， 單片機通過(guò)CHI控制開(kāi)關(guān)管導通。在系統中設置有溫度傳感器,其收集到的信息會(huì )被傳輸至信號濾波電路,之后再經(jīng)過(guò)一系列的處理顯示在屏幕上。

2.3通信接口

信號被處理后，經(jīng)過(guò)SPI通信接口傳輸給無(wú)線(xiàn)通信電路，這種信號的傳輸無(wú)需接線(xiàn)，相應的通信接口電路如圖3所示。工作原理為:R13為片式電阻陣列，R14做為無(wú)線(xiàn)通信電路與MCU連接，實(shí)現阻抗的匹配，因此在系統正常運行過(guò)程中，可在很大程度上減少、消除高頻信號反射。單片機中還設置一個(gè)NRESET（復位引腳）接口，主要功能是初始化參數,低電平有效；另外,還設置有一些其他接口（MOSI、MISO）,它們在數據的傳輸中起著(zhù)重要作用。此外,SCK接口是同步時(shí)鐘，起到保持通信一致性的作用。FEM_CPS是信息物理通信系統接口，通過(guò)人機交互接口與物理進(jìn)程進(jìn)行交互，使用網(wǎng)絡(luò )化空間還可以實(shí)現遠程、可靠、實(shí)時(shí)的連接。

2.4無(wú)線(xiàn)通信電路

系統中的傳感器和單片機通過(guò)相關(guān)引腳集成，采用LoRa無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)進(jìn)行信息傳輸，該模塊的電路原理如圖4所示。結合實(shí)際情況并經(jīng)過(guò)對比分析，選擇SX1262作為通信元件，該元件集成度高、功耗低、抗干擾性強，可在較寬的頻率范圍實(shí)現信息的傳輸，同時(shí)，這款產(chǎn)品的靈敏度可達-148 dBm,因此在長(cháng)距離通信中起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用。晶振電路為系統提供時(shí)鐘信號。同時(shí)還需要配備一個(gè)功率放大器來(lái)實(shí)現功率的放大。對于收發(fā)電路，如圖4所示引入了第一、二回路來(lái)構建,不僅保證了其可靠性,而且提高了電路的抗干擾能力。

2.4.1 發(fā)射電路

數據在傳輸的過(guò)程中要進(jìn)行濾波，這一操作能夠有效降低信噪比。發(fā)射電路模塊的電路圖如圖5所示。工作原理為:C28與L8組成串聯(lián)諧振電路，其他模塊構成相應的并聯(lián)諧振電路,在具體設計時(shí)，可結合實(shí)際需要來(lái)調整元件的參數以達到*佳發(fā)射狀態(tài)。

2.4.2 接收電路

設計的接收電路如圖6所示，其中SAWFilter是聲表面波濾波器，在系統正常運行過(guò)程中，該模塊輸入端將無(wú)線(xiàn)信號轉換為聲信號在空氣中傳播,輸出端有電壓效應將聲信號轉換成無(wú)線(xiàn)信號。在這一電路模塊中，L12、L13等組成了濾波電路，它們的功能主要是濾波以及無(wú)功補償。

3 無(wú)線(xiàn)電氣火災監控系統流程設計

結合前期的需求分析，設置了采集監控、無(wú)線(xiàn)通信等模塊，在Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用C語(yǔ)言設計了與硬件適應的流程，具體如下:

3.1 現場(chǎng)采集監控層

該層包插了不同的傳感器可收集并處理信號，同時(shí)具有報警顯示等功能，相應的工作流程圖如圖7所示。由圖7可知,上電后系統首先進(jìn)行初始化操作，其中有單片機、探測器的復位等。初始化完成后，探測器發(fā)出控制啟動(dòng)命令，溫度傳感器等進(jìn)行數據收集，并與探測數值比較，若沒(méi)有超過(guò),返回繼續采集數據;若超過(guò)預定值,則顯示報警、顯示屏顯示數據。

3.2無(wú)線(xiàn)通信流程設計

無(wú)線(xiàn)通信模塊芯片（SX1262）具有四種工作模式，分別是正常、喚醒、省電和休眠模式。通過(guò)對寄存器寫(xiě)入指令選擇相應的工作模式。對芯片、系統時(shí)鐘、定時(shí)器等進(jìn)行復位，對信號寬帶、發(fā)送功率等進(jìn)行核驗。在寄存器工作參數選擇工作模式后進(jìn)入循環(huán)主程序進(jìn)行數據的發(fā)送,每一個(gè)小組發(fā)送成功后進(jìn)入休眠模式等待下一次指令,該流程如圖8所示。

3.3 監控主機設計

本研究中，引入了目前較成熟的LoRa技術(shù)收發(fā)數據。監控主機采用模塊化設計，采用調度算法實(shí)時(shí)顯示數據,其優(yōu)勢還體現在以下方面:可靠、維護方便、易于擴充。通過(guò)界面可高效地完成人機交互，完成說(shuō)明、設置、退出等操作。探測器將數據傳輸過(guò)來(lái),監控主機經(jīng)過(guò)核驗，超過(guò)閾值, 顯示并報警,起到了預警后工作人員現場(chǎng)發(fā)現火災的可能性。

4 測試結果

經(jīng)過(guò)遴選對比，本次測試選取了系統采集底板和無(wú)線(xiàn)通信硬件電路板，實(shí)物如圖9和圖10所示，匹配了設計的監控主機。組裝完成后,選擇了福建省漳州市某新村老舊小區的無(wú)線(xiàn)電氣火災監控系統為測試對象，以是否正常發(fā)送火災預警信號進(jìn)行了應用調試。在測試中,將溫度報警閾值設置為60℃，相應的電流報警閾值為300 mA,引入串口調試助手實(shí)現數據的傳輸。*終結果顯示，該系統正常運行情況下，穿越3堵墻后*遠通信距離可達1.2 km,可以快速做出響應,具有較高的實(shí)用性。

5 安科瑞電氣火災監控系統

5.1 概述

Acre1-6000電氣火災監控系統，是根據中心的消防電子產(chǎn)品試驗認證，并且均通過(guò)嚴格的EMC電磁兼容試驗，保證了該系列產(chǎn)品在低壓配電系統中的安全正常運行，現均已批量生產(chǎn)并在全國得到廣泛地應用。該系統通過(guò)對剩余電流、過(guò)電流、過(guò)電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與監視，實(shí)現對電氣火災的早期預防和報警，當必要時(shí)還能聯(lián)動(dòng)切除被檢測到剩余電流、溫度和故障電弧等超標的配電回路;并根據用戶(hù)的需求，還可以滿(mǎn)足與AcreIEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺或火災自動(dòng)報警系統等進(jìn)行數據交換和共享。

5.2 應用場(chǎng)合

適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、國家重點(diǎn)消防單位以及石油化工、文教衛生、金融、電信等領(lǐng)域。

5.3 系統結構

5.4 系統功能

監控設備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報警時(shí)發(fā)出聲、光報警信號，同時(shí)設備上紅色“報警"指示燈亮，顯示屏指示報警部位及報警類(lèi)型，記錄報警時(shí)間，聲光報警一直保持，直至按設備的“復位"按鈕或觸摸屏的“復位"按鍵遠程對探測器實(shí)現復位。對于聲音報警信號也可以使用觸摸屏“消聲"按鍵手動(dòng)消除。

當被監測回路報警時(shí)，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護電路或其他設備，當報警消除后，控制輸出繼電器釋放。

通訊故障報警：當監控設備與所接的任一臺探測器之間發(fā)生通訊故障或探測器本身發(fā)生故障時(shí)，監控畫(huà)面中相應的探測器顯示故障提示，同時(shí)設備上的黃色“故障"指示燈亮，并發(fā)出故障報警聲音。電源故障報警：當主電源或備用電源發(fā)生故障時(shí)，監控設備也發(fā)出聲光報警信號并顯示故障信息，可進(jìn)入相應的界面查看詳細信息并可解除報警聲響。

當發(fā)生剩余電流、超溫報警或通訊、電源故障時(shí)，將報警部位、故障信息、報警時(shí)間等信息存儲在數據庫中，當報警解除、排除故障時(shí)，同樣予以記錄。歷史數據提供多種便捷、快速的查詢(xún)方法。

5.5 配置方案

6 結語(yǔ)

設計了一款實(shí)用的老舊小區無(wú)線(xiàn)電氣火災監控系統，彌補了傳統檢測系統的一些不足，由于無(wú)需布線(xiàn)，線(xiàn)路簡(jiǎn)單美觀(guān),不會(huì )對建筑物結構層造成破壞，而且能夠實(shí)時(shí)對老舊小區的電表箱實(shí)行24小時(shí)動(dòng)態(tài)監測，一旦出現異常，可馬上自動(dòng)報警或預警。結合測試結果可知,該系統基本達到預期效果，具有較高的應用價(jià)值。

參考文獻

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作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣火災監控系統的研發(fā)和應用。