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,設計了一種基于無線傳輸技術的老舊小區電氣火災監控系統。該系統利用監測線路產生的發熱（溫度）和闞值（電流）大小，采用無線通信技術將報警信息傳給監控主機，監控主機發出指令，將信息傳達到值班人員，從而預防老舊小區電氣火災的發生。通過測試，該系統穩定性好，穿墻能力強，傳輸遠。
關鍵詞：老舊小區；電氣火災監控;無線通信
0 引言
老舊小區住戶多,線路錯綜復雜，隨著家中電器設備增加，用電負荷迅速增大，與此同時，老舊小區由于缺乏維護，線路老化、破損等問題也不可避免會相繼出現，維護管理難度增加,隱藏著較大安全隱患。相關調查研究發現，近3年內,在老舊小區中由電氣故障引發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，如福建省人民政府辦公廳2020年3月發布《關于福建省老舊小區改造實施方案的通知》，廣東省于2021年5月發布《廣東省城鎮老舊小區改造技術導則》（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，通過查閱國內外關于建筑電氣火災監控技術的相關文獻發現，當前大部分小區大多采用了有線傳輸方式實現對火災監控,有線傳輸安裝調試周期長，需要專人值守，增加了人工成本，在某些特殊的場景中,此類有線裝置還會影響小區的美觀性。無線監測系統構成和操作簡單,可一臺消防主機和多個探測器相連，無需破壞裝修結構。
基于以上兩類監控方式優缺點的對比，本文提出采用無線監控系統進行監測的設想,該系統可及時獲得溫度、漏電流信息，進行預警從而減少線路故障引起的火災發生。根據上述設想，本文設計了一款多功能、電氣火災監控系統，為更好滿足無線通信要求,還引入了超長距低功耗無線傳輸技術，彌補了以往監測系統的缺陷,且可以降低施工難度，更好滿足小區改造需要。
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,這些模塊通過特定的方式組合起來滿足總體功能要求。
系統的數據信號傳輸采用遠距離無線電（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,具有超長距低功耗的優點,相關研究發現其傳輸距離在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。
在實際應用中，如果線路出現異常，則電氣火災探測器中相關器件會快速響應,并收集線路溫度和漏電流數據。之后獲取到的信息會經過轉換、濾波、放大等處理，如果處理后的數據超出閾值范圍，則控制系統進行判斷并發送控制指令，使得報警電路發出警報，同時顯示報警實時值。在系統中設置了芯片SX1262,傳感器收集到信號后，采用LoRa無線傳輸技術將其傳輸至控制單元，控制器即時做出響應并發岀警報指令,在此過程中，數據會在屏幕上顯示出來,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，此處對硬件模塊進行了設置，有MCU、無線通信電路、通信接口等。系統采用了單片機，其通過相關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,由于單片機可編程，提高了系統的自動化水平。
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線模塊TTL電平連接，這種設計方法易于實現，結構簡單,穩定性高,能夠在不同的場合中發揮作用。
2.2信號采樣電路
該電路由多個硬件模塊構成，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，其特點是系統正常運行時能夠高輸入電阻、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,此時電壓不會對其產生影響。在其運行過程中， 單片機通過CHI控制開關管導通。在系統中設置有溫度傳感器,其收集到的信息會被傳輸至信號濾波電路,之后再經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，實現阻抗的匹配，因此在系統正常運行過程中，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重要作用。此外,SCK接口是同步時鐘，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，通過人機交互接口與物理進程進行交互，使用網絡化空間還可以實現遠程、可靠、實時的連接。
2.4無線通信電路
系統中的傳感器和單片機通過相關引腳集成，采用LoRa無線傳輸技術進行信息傳輸，該模塊的電路原理如圖4所示。結合實際情況并經過對比分析，選擇SX1262作為通信元件，該元件集成度高、功耗低、抗干擾性強，可在較寬的頻率范圍實現信息的傳輸，同時，這款產品的靈敏度可達-148 dBm,因此在長距離通信中起著非常關鍵的作用。晶振電路為系統提供時鐘信號。同時還需要配備一個功率放大器來實現功率的放大。對于收發電路，如圖4所示引入了第一、二回路來構建,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 發射電路
數據在傳輸的過程中要進行濾波，這一操作能夠有效降低信噪比。發射電路模塊的電路圖如圖5所示。工作原理為:C28與L8組成串聯諧振電路，其他模塊構成相應的并聯諧振電路,在具體設計時，可結合實際需要來調整元件的參數以達到*佳發射狀態。
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，在系統正常運行過程中，該模塊輸入端將無線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償。
3 無線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、無線通信等模塊，在Keil開發環境下采用C語言設計了與硬件適應的流程，具體如下:
3.1 現場采集監控層
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，探測器發出控制啟動命令，溫度傳感器等進行數據收集，并與探測數值比較，若沒有超過,返回繼續采集數據;若超過預定值,則顯示報警、顯示屏顯示數據。
3.2無線通信流程設計
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的工作模式。對芯片、系統時鐘、定時器等進行復位，對信號寬帶、發送功率等進行核驗。在寄存器工作參數選擇工作模式后進入循環主程序進行數據的發送,每一個小組發送成功后進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技術收發數據。監控主機采用模塊化設計，采用調度算法實時顯示數據,其優勢還體現在以下方面:可靠、維護方便、易于擴充。通過界面可高效地完成人機交互，完成說明、設置、退出等操作。探測器將數據傳輸過來,監控主機經過核驗，超過閾值, 顯示并報警,起到了預警后工作人員現場發現火災的可能性。
4 測試結果
經過遴選對比，本次測試選取了系統采集底板和無線通信硬件電路板，實物如圖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線電氣火災監控系統為測試對象，以是否正常發送火災預警信號進行了應用調試。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品試驗認證，并且均通過嚴格的EMC電磁兼容試驗，保證了該系列產品在低壓配電系統中的安全正常運行，現均已批量生產并在全國得到廣泛地應用。該系統通過對剩余電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與監視，實現對電氣火災的早期預防和報警，當必要時還能聯動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;并根據用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業微電網管理云平臺或火災自動報警系統等進行數據交換和共享。
5.2 應用場合
適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業、國家重點消防單位以及石油化工、文教衛生、金融、電信等領域。
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，報警時發出聲、光報警信號，同時設備上紅色“報警"指示燈亮，顯示屏指示報警部位及報警類型，記錄報警時間，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"按鍵手動消除。
當被監測回路報警時，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生通訊故障或探測器本身發生故障時，監控畫面中相應的探測器顯示故障提示，同時設備上的黃色“故障"指示燈亮，并發出故障報警聲音。電源故障報警：當主電源或備用電源發生故障時，監控設備也發出聲光報警信號并顯示故障信息，可進入相應的界面查看詳細信息并可解除報警聲響。
當發生剩余電流、超溫報警或通訊、電源故障時，將報警部位、故障信息、報警時間等信息存儲在數據庫中，當報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。歷史數據提供多種便捷、快速的查詢方法。
5.5 配置方案
應用 場合 | 型號 | 產品照片 | 功能 |
消防控制室 | Acrel-6000/B | 適用于1~4條通信總線多可連接256個探測器，可適用于壁掛安裝的場所。 | |
Acrel-6000/Q | 適用于大型組網，壁掛式監控主機數量較多且需集中查看的場所，主要監測壁掛主機信息。 | ||
一、二級 低壓配電 | ARCM200L-Z2 | 三相(I、U、kW、Kvar、kWh、Kvar h、Hz、cos中)，視在電能、四象限電能計量，單回路剩余電流監測，4路溫度監測，2路繼電器輸出，4路開關量輸入，事件記錄，內置時鐘，點陣式LCD顯示，2路獨立RS 485/Modbus通訊 | |
ARCM200L-J8 | 8路剩余電流監測，2路繼電器輸出，4路開關量輸入，事件記錄，內置時鐘，點陣式LCD顯示，1路RS 485/Modbus通訊 | ||
ARCM 300-J1 | 1路剩余電流監測，4路溫度監測，1路繼電器輸出，事件記錄，LCD顯示，1路RS 485/Modbus通訊 | ||
AAFD-□ | 檢測末端線路的故障電弧，485通訊，導軌式安裝。 | ||
ASCP200-□ | 短路限流保護、過載保護、內部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監測、線纜溫度監測，1路RS 485通訊，1路GPRS或NB無線通訊，額定電流為0-40A可設。 | ||
短路限流保護、過載保護、內部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監測、線纜溫度監測，1路RS485通訊，1路NB或4G無線通訊，額定電流為0-63A可設。 | |||
配套 附件 | AKH-0.66 | 測量型互感器，采集交流電流信號 | |
AKH-0.66/L | 剩余電流互感器，采集剩余電流信號 | ||
ARCM-NTC | 溫度傳感器，采集線纜或配電箱體溫度 |
6 結語
設計了一款實用的老舊小區無線電氣火災監控系統，彌補了傳統檢測系統的一些不足，由于無需布線，線路簡單美觀,不會對建筑物結構層造成破壞，而且能夠實時對老舊小區的電表箱實行24小時動態監測，一旦出現異常，可馬上自動報警或預警。結合測試結果可知,該系統基本達到預期效果，具有較高的應用價值。
參考文獻
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[5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.5版.
作者簡介：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和應用。
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