基于無線通信技術(shù)的老舊小區(qū)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及產(chǎn)品選型

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

0 引言

   老舊小區(qū)住戶多,線路錯(cuò)綜復(fù)雜，隨著家中電器設(shè)備增加，用電負(fù)荷迅速大，與此同時(shí)，老舊小區(qū)由于缺乏維護(hù)，線路老化、破損等問題也不可避免會(huì)相繼出現(xiàn)，維護(hù)管理難度增加,隱藏著較大安全隱患。相關(guān)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，近3年內(nèi),在老舊小區(qū)中由電氣故障引發(fā)的火災(zāi)事件日益增多。因此，各地相繼出臺了針對老舊小區(qū)改造的方案和指導(dǎo)意見，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(qū)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(zhèn)老舊小區(qū)改造技術(shù)導(dǎo)則》（試行）。這些方案中都提出了要在老舊小區(qū)安裝消防報(bào)警設(shè)備,構(gòu)建智慧安全小區(qū)。然而，通過查閱國內(nèi)外關(guān)于建筑電氣火災(zāi)監(jiān)控技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前大部分小區(qū)大多采用了有線傳輸方式實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)監(jiān)控,有線傳輸安裝調(diào)試周期長，需要專人值守，增加了人工成本，在某些特殊的場景中,此類有線裝置還會(huì)影響小區(qū)的美觀性。無線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成和操作簡單,可一臺消防主機(jī)和多個(gè)探測器相連，無需破壞裝修結(jié)構(gòu)。

  基于以上兩類監(jiān)控方式優(yōu)缺點(diǎn)的對比，本文提出采用無線監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測的設(shè)想,該系統(tǒng)可及時(shí)獲得溫度、漏電流信息，進(jìn)行預(yù)警從而減少線路故障引起的火災(zāi)發(fā)生。根據(jù)上述設(shè)想，本文設(shè)計(jì)了一款多功能、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，為更好滿足無線通信要求,還引入了超長距低功耗無線傳輸技術(shù)，彌補(bǔ)了以往監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷,且可以降低施工難度，更好滿足小區(qū)改造需要。

1 室內(nèi)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

  火災(zāi)監(jiān)控的系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)包含了眾多硬件模塊，如溫度傳感器、電流互感器模塊等,這些模塊通過特定的方式組合起來滿足總體功能要求。

  系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號傳輸采用遠(yuǎn)距離無線電（long range radio,LoRa）傳輸方式,該方式采用了當(dāng)前較為成熟的擴(kuò)頻技術(shù),具有超長距低功耗的優(yōu)點(diǎn),相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)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(qiáng)，且輻射范圍更廣。

  在實(shí)際應(yīng)用中，如果線路出現(xiàn)異常，則電氣火災(zāi)探測器中相關(guān)器件會(huì)快速響應(yīng),并收集線路溫度和漏電流數(shù)據(jù)。之后獲取到的信息會(huì)經(jīng)過轉(zhuǎn)換、濾波、放大等處理，如果處理后的數(shù)據(jù)超出閾值范圍，則控制系統(tǒng)進(jìn)行判斷并發(fā)送控制指令，使得報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)，同時(shí)顯示報(bào)警實(shí)時(shí)值。在系統(tǒng)中設(shè)置了芯片SX1262,傳感器收集到信號后，采用LoRa無線傳輸技術(shù)將其傳輸至控制單元，控制器即時(shí)做出響應(yīng)并發(fā)岀警報(bào)指令,在此過程中，數(shù)據(jù)會(huì)在屏幕上顯示出來,以幫助管理者有效應(yīng)對處理。

2 電氣火災(zāi)探測器的硬件設(shè)計(jì)

  結(jié)合前期的需求分析，此處對硬件模塊進(jìn)行了設(shè)置，有MCU、無線通信電路、通信接口等。系統(tǒng)采用了單片機(jī)，其通過相關(guān)的引腳與其他模塊集成，通過通信接口與無線通信電路連接,由于單片機(jī)可編程，提高了系統(tǒng)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(yùn)行速度快。另外,其采用特定的方式與相應(yīng)的無線模塊TTL電平連接，這種設(shè)計(jì)方法易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單,穩(wěn)定性高,能夠在不同的場合中發(fā)揮作用。

2.2信號采樣電路

  該電路由多個(gè)硬件模塊構(gòu)成，如采樣回路、信號濾波電路等，它們的集成可以實(shí)現(xiàn)有效的采樣。測溫采樣回路如圖2所示。具體原理如下:基準(zhǔn)電壓Uref通過分壓電阻以及其他一系列器件構(gòu)成相應(yīng)的采樣回路。電壓跟隨器做緩沖級，其特點(diǎn)是系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)能夠高輸入電阻、低輸出電阻。采用這種設(shè)計(jì)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(yùn)行過程中， 單片機(jī)通過CHI控制開關(guān)管導(dǎo)通。在系統(tǒng)中設(shè)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SPI通信接口傳輸給無線通信電路，這種信號的傳輸無需接線，相應(yīng)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做為無線通信電路與MCU連接，實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配，因此在系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，可在很大程度上減少、消高頻信號反射。單片機(jī)中還設(shè)置一個(gè)NRESET（復(fù)位引腳）接口，主要功能是初始化參數(shù),低電平有效；另外,還設(shè)置有一些其他接口（MOSI、MISO）,它們在數(shù)據(jù)的傳輸中起著重要作用。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(tǒng)接口，通過人機(jī)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(xiàn)遠(yuǎn)程、可靠、實(shí)時(shí)的連接。

2.4無線通信電路

  系統(tǒng)中的傳感器和單片機(jī)通過相關(guān)引腳集成，采用LoRa無線傳輸技術(shù)進(jìn)行信息傳輸，該模塊的電路原理如圖4所示。結(jié)合實(shí)際情況并經(jīng)過對比分析，選擇SX1262作為通信元件，該元件集成度高、功耗低、抗干擾性強(qiáng)，可在較寬的頻率范圍實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，同時(shí)，這款產(chǎn)品的靈敏度可達(dá)-148 dBm,因此在長距離通信中起著非常關(guān)鍵的作用。晶振電路為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號。同時(shí)還需要配備一個(gè)功率放大器來實(shí)現(xiàn)功率的放大。對于收發(fā)電路，如圖4所示引入了一、二回路來構(gòu)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(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^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(gòu)成相應(yīng)的并聯(lián)諧振電路,在具體設(shè)計(jì)時(shí)，可結(jié)合實(shí)際需要來調(diào)整元件的參數(shù)以達(dá)到*佳發(fā)射狀態(tài)。

2.4.2 接收電路

  設(shè)計(jì)的接收電路如圖6所示，其中SAWFilter是聲表面波濾波器，在系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，該模塊輸入端將無線信號轉(zhuǎn)換為聲信號在空氣中傳播,輸出端有電壓效應(yīng)將聲信號轉(zhuǎn)換成無線信號。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功補(bǔ)償。

3 無線電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

  結(jié)合前期的需求分析，設(shè)置了采集監(jiān)控、無線通信等模塊，在Keil開發(fā)環(huán)境下采用C語言設(shè)計(jì)了與硬件適應(yīng)的流程，具體如下:

3.1 現(xiàn)場采集監(jiān)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(bào)警顯示等功能，相應(yīng)的工作流程圖如圖7所示。由圖7可知,上電后系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化操作，其中有單片機(jī)、探測器的復(fù)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(shù)據(jù)收集，并與探測數(shù)值比較，若沒有超過,返回繼續(xù)采集數(shù)據(jù);若超過預(yù)定值,則顯示報(bào)警、顯示屏顯示數(shù)據(jù)。

3.2無線通信流程設(shè)計(jì)

  無線通信模塊芯片（SX1262）具有四種工作模式，分別是正常、喚醒、省電和休眠模式。通過對寄存器寫入指令選擇相應(yīng)的工作模式。對芯片、系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器等進(jìn)行復(fù)位，對信號寬帶、發(fā)送功率等進(jìn)行核驗(yàn)。在寄存器工作參數(shù)選擇工作模式后進(jìn)入循環(huán)主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jiān)控主機(jī)設(shè)計(jì)

  本研究中，引入了目前較成熟的LoRa技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)。監(jiān)控主機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，采用調(diào)度算法實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù),其優(yōu)勢還體現(xiàn)在以下方面:可靠、維護(hù)方便、易于擴(kuò)充。通過界面可效地完成人機(jī)交互，完成說明、設(shè)置、退出等操作。探測器將數(shù)據(jù)傳輸過來,監(jiān)控主機(jī)經(jīng)過核驗(yàn)，超過閾值, 顯示并報(bào)警,起到了預(yù)警后工作人員現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的可能性。

4 測試結(jié)果

  經(jīng)過遴選對比，本次測試選取了系統(tǒng)采集底板和無線通信硬件電路板，實(shí)物如圖9和圖10所示，匹配了設(shè)計(jì)的監(jiān)控主機(jī)。組裝完成后,選擇了福建省漳州市某新村老舊小區(qū)的無線電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)為測試對象，以是否正常發(fā)送火災(zāi)預(yù)警信號進(jìn)行了應(yīng)用調(diào)試。在測試中,將溫度報(bào)警閾值設(shè)置為60℃，相應(yīng)的電流報(bào)警閾值為300 mA,引入串口調(diào)試助手實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。*終結(jié)果顯示，該系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，穿越3堵墻后*遠(yuǎn)通信距離可達(dá)1.2 km,可以快速做出響應(yīng),具有較高的實(shí)用性。

5 安科瑞電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

5.1 概述

  Acre1-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，是根據(jù)*心的消防電子產(chǎn)品試驗(yàn)認(rèn)證，并且均通過嚴(yán)格的EMC電磁兼容試驗(yàn)，保證了該系列產(chǎn)品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運(yùn)行，現(xiàn)均已批量生產(chǎn)并在全國得到廣泛地應(yīng)用。該系統(tǒng)通過對剩余電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對電氣火災(zāi)的早期預(yù)防和報(bào)警，當(dāng)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(biāo)的配電回路;并根據(jù)用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺或火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享。

5.2 應(yīng)用場合

  適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、石油化工、文教衛(wèi)生、金融、電信等領(lǐng)域。

5.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4 系統(tǒng)功能

  監(jiān)控設(shè)備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報(bào)警時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號，同時(shí)設(shè)備上紅色“報(bào)警”指示燈亮，顯示屏指示報(bào)警部位及報(bào)警類型，記錄報(bào)警時(shí)間，聲光報(bào)警一直保持，直至按設(shè)備的“復(fù)位”按鈕或觸摸屏的“復(fù)位”按鍵遠(yuǎn)程對探測器實(shí)現(xiàn)復(fù)位。對于聲音報(bào)警信號也可以使用觸摸屏“消聲”按鍵手動(dòng)消。

  當(dāng)被監(jiān)測回路報(bào)警時(shí)，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護(hù)電路或其他設(shè)備，當(dāng)報(bào)警消后，控制輸出繼電器釋放。

  通訊故障報(bào)警：當(dāng)監(jiān)控設(shè)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(jiān)控畫面中相應(yīng)的探測器顯示故障提示，同時(shí)設(shè)備上的黃色“故障”指示燈亮，并發(fā)出故障報(bào)警聲音。電源故障報(bào)警：當(dāng)主電源或備用電源發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控設(shè)備也發(fā)出聲光報(bào)警信號并顯示故障信息，可進(jìn)入相應(yīng)的界面查看詳細(xì)信息并可解除報(bào)警聲響。

  當(dāng)發(fā)生剩余電流、超溫報(bào)警或通訊、電源故障時(shí)，將報(bào)警部位、故障信息、報(bào)警時(shí)間等信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)報(bào)警解除、排除故障時(shí)，同樣予以記錄。歷史數(shù)據(jù)提供多種便捷、快速的查詢方法。

5.5 配置方案

6 結(jié)語

  設(shè)計(jì)了一款實(shí)用的老舊小區(qū)無線電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)的一些不足，由于無需布線，線路簡單美觀,不會(huì)對建筑物結(jié)構(gòu)層造成破壞，而且能夠?qū)崟r(shí)對老舊小區(qū)的電表箱實(shí)行24小時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，一旦出現(xiàn)異常，可馬上自動(dòng)報(bào)警或預(yù)警。結(jié)合測試結(jié)果可知,該系統(tǒng)基本達(dá)到預(yù)期效果，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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