物联网技术的电气火灾智能监控系统平台设计

安科瑞陈伟 acrelchenwei

为了提高电气火灾监控效果，该文设计了基于无线通信技术的电气火灾智能监控系统。根据无线通信技术设计无线通信网络，由ZigBee主站、ZigBee从站等构成，通过剩余电流探测器与开关电压调节器实现电气火灾剩余电流的监控、通过自适应算法实施信号滤波处理，基于模糊神经网络设计预警算法实施电气火灾预警遥。测试结果表明，无线通信网络的丢包率较低，信号强，整体信号测量误差低，报警相对误差低，报警响应时间短，施加浪涌脉冲后运行稳定。

在建筑中，电气设备的线路需要布设在墙体中,存在易燃隐患.还存在施工产品质量有高有低、安装不规范等多种问题。根据相关统计数据电气原因所引发的火灾事故在各种火灾事故中一直占据着很高比例,电气火灾早已成为一种令人闻之色变的事故灾害。

因此对电气火灾进行监控一直是一个重点研究问题。其中在发生接地短路故障时,电流热量不断积聚.在引燃周围物体后,就会造成火灾网。这种方式具备隐秘性、突发性以及随机性等特点,往往很难防范。通过电气火灾智能监控系统能够实现更加全面的电气火灾监控,受到各行各业的推崇,成功帮助各种建筑与场所实现电气火灾的预防与预警。随着建筑规模越来越大,现有的监控系统缺陷越来越明显.为此本文设计了基于无线通信技术的电气火灾智能监控系统,并分析其性能。

无线通信网络由 ZigBee 主站、ZigBee 从站、总线、上位机单元构成,运行流程如下:ZigBee 主站与总线相连，上位机单元向总线发送信息后,主站会收到发送的信息。而一些监控设备也与总线相连同样会接收到发送的信息并进行处理。ZigBee 主站在收到信息后,会通过无线通信网络向 ZigBee 从站发送信息,由从站向与从站相连的监控设备发送接收信息四。而信息的回送过程则刚好与发送过程相反。其中总线选用的是 485 总线，上位机单元中选用的上位机为 OptiPlex-2x,选用的服务器为 IPC610L 多扩展双千兆网口上位机服务器问。在 ZigBee主站、ZigBee 从站搭建的无线通信网络中，节点使用的 ZigBee 芯片设计具体如下:首先配置高性能的无线收发器与高性能的 CPU 内核.CPU 内核选用的是 32-bit RISC。并在芯片中植入 3 种网络协议栈包括 JenNet,ZigBee,IEEE823.15.2。配置多种数字应用接口,包括 Comparators,DAC,12-bit ADC,PWMTimers,GPIO ,2-Wire Serial(12C),SPI,UARTs,并配置 96K的 RAM 与192K的 ROM。在 ROM 中对成熟底层协议栈进行固化.在 RAM 中对网络协议栈进行固化。*后配置 128-bit 的 AES 加密器件与多个低成本外扩器件.包括 1个串行 FLASH、5 个电容1 个晶振问。ZigBee 芯片作为主控芯片,为节点配置其他单元,完成 ZigBee 节点的设计

其中供电单元通过电压调节器为 ZigBee 芯片提供 1.8 V 电源。并设计一种 USB 供电方式为其他器件供电。在 USB 供电方式中,选用 LD1117-3.3 V芯片对 USB 的 5 V 电压进行转换,将其转换为3.3 V.在射频单元中.使用的无线射频芯片为CC2541F256芯片上搭载的片载系统为 2.4 GHz Bluetooth。并为无线射频芯片配置一些外部组件,包括 5 通道直接内存访问、红外生成电路等网。

蓝牙单元使用的蓝牙芯片为 BXM 芯片通过该芯片实现 ZigBee 节点之间的通信。为芯片配置接收管脚与 UART串口发送脚。24 MHz 晶振选用的是 TCXO 温补晶振,将其接入 ZigBee 芯片中,通过3225 贴片进行封装。在 ZigBee 协议栈中，使用的ZigBee 协议为 Z-Wave。ZigBee 主站与 ZigBee 从站均由协调器与 ZigBee 节点构成。其中协调器能够构建无线网络.对无线网络的运行进行维护。并发现其他节点想要加入无线网络的请求,具备自动组织的功能网。协调器的工作流程设计具体如下:

1)对 ZigBee 芯片与外设进行初始化处理.

2)对 ZigBee 协议栈进行初始化处理:

3)构建 ZigBee 网络:

4)对缺省参数进行配置:

5)监听 ZigBee 网络,在 ZigBee 网络中接收数据并对数据包进行解析:

6)将数据封装为串口数据包,通过总线向上位机发送数据;

7)在监听 ZigBee 网络的同时对总线进行监听.在总线中接收数据并对数据包进行解析:

8)将数封装为 ZigBee 数据包，通过 ZigBee 网络向 ZigBee 从站发送数据。

在监控模块中.通过剩余电流探测器与开关电压调节器实现电气火灾剩余电流的监控。其中剩余电流探测器能够实现自检、DI 消防、按键切换、声光报警、液晶显示以及剩余电流报警功能l10。剩余电流探测器的设计具体如下:设计了一种控制芯片,能够实现外部信号采集、实时数据显示、信号转换以及开关状态显示等功能”。芯片的设计具体如下:配置多个中断源.通过中断的方式将芯片切换至低功耗运行模式。配置 16 位精简指令集,使芯片具有多样化的寻址方式与更加灵活的程序编写方式。通过多个寄存器开展运算处理,具体包括功能选择寄存器、输人寄存器、方向寄存器、输出寄存器。通过8 MHz 晶体进行驱动.使芯片达到 125 ns 的指令周期。为芯片配置以下片内外设:2k的 BRAM、60 k的BFLASHROM、多个 I/0 端口、硬件双串口 USARTI与 USARTO 以及看门狗电路。在剩余电流采集电路中,通过电压传感器进行剩余电流的测量,选择的电压传感器为毫安级别精密度的电压传感器。剩余电流采集电路的电路设计如图 2 所示。选用的液晶显示模块为 AMPIRE12864。将AMPIRE12864 接入到控制芯片中.实现参数查询界面、DIDO 状态、报警动作值、剩余电流实时值的显示。

对于基于无线通信技术的电气火灾智能监控系统,在搭建的无线通信网络下对其进行多方面的性能测试。测试在某建筑中展开.实验建筑是一个大型建筑,建筑中的电气设备很多,分布在建筑的各层各处.急需开展电气火灾智能监控。首先在实验建筑中搭建设计的无线通信网络。在搭建的无线通信网络下采集实验建筑一段时间的剩余电流信号、工作电压信号、工作电流信号以及电气线路温度信号作为实验数据。

采集的信号信息如下.剩余电流信号范围:0.23~0.87 mA.数据量:1.5 GB:电流电压信号范围:135210 V.数据量:2.6 GB:工作电流信号:105~189 A数据量:2.3 GB:电气线路温度信号:15.28~41.20 C.数据量:1.2 GB

对采集的各种信号进行滤波处理,处理后信号的数据量信息如下:剩余电流信号数据量:1.3 GB电流电压信号数据量:2.5 GB:工作电流信号数据量:2.0 GB:电气线路温度信号数据量:1.1 GB。

Acre1-6000电气火灾监控系统，是根据国家现行规范标准由安科瑞电气股份有限公司研发的全数字化独立运行的系统，已通过国家消防电子产品质量监督检验中心的消防电子产品试验认证，并且均通过严格的EMC电磁兼容试验，保证了该系列产品在低压配电系统中的安全正常运行，现均已批量生产并在全国得到广泛地应用。该系统通过对剩余电流、过电流、过电压、温度和故障电弧等信号的采集与监视，实现对电气火灾的早期预防和报警，当必要时还能联动切除被检测到剩余电流、温度和故障电弧等超标的配电回路;并根据用户的需求，还可以满足与AcreIEMS企业微电网管理云平台或火灾自动报警系统等进行数据交换和共享。

适用于智能楼宇、高层公寓、宾馆、饭店、商厦、工矿企业、国家重点消防单位以及石油化工、文教卫生、金融、电信等领域。

为了改善电气火灾智能监控性能.设计了基于无线通信技术的电气火灾智能监控系统,并分析了其应用效果。试验结果表明,本文系统可以实现大型建筑电气火灾的实时监控,并且系统运行稳定可靠。