淺談基於無線通信技術的老舊小區電氣火災監控係統方案設計及產品選型

簡婷

韦德1946网址 上海嘉定201801

摘 要：為(wei) 了防範於(yu) 未然，提前預警老舊小區電氣火災,設計了一種基於(yu) 無線傳(chuan) 輸技術的老舊小區電氣火災監控係統。該係統利用監測線路產(chan) 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(chuan) 給監控主機，監控主機發出指令，將信息傳(chuan) 達到值班人員，從(cong) 而預防老舊小區電氣火災的發生。通過測試，該係統穩定性好，穿牆能力強，傳(chuan) 輸遠。

關(guan) 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,線路錯綜複雜，隨著家中電器設備增加，用電負荷迅速增大，與(yu) 此同時，老舊小區由於(yu) 缺乏維護，線路老化、破損等問題也不可避免會(hui) 相繼出現，維護管理難度增加,隱藏著較大安全隱患。相關(guan) 調查研究發現，近3年內(nei) ,在老舊小區中由電氣故障引發的火災事件日益增多。因此，各地相繼出台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(guan) 於(yu) 福建省老舊小區改造實施方案的通知》，廣東(dong) 省於(yu) 2021年5月發布《廣東(dong) 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(nei) 外關(guan) 於(yu) 建築電氣火災監控技術的相關(guan) 文獻發現，當前大部分小區大多采用了有線傳(chuan) 輸方式實現對火災監控,有線傳(chuan) 輸安裝調試周期長，需要專(zhuan) 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(hui) 影響小區的美觀性。無線監測係統構成和操作簡單,可一台消防主機和多個(ge) 探測器相連，無需破壞裝修結構。

基於(yu) 以上兩(liang) 類監控方式優(you) 缺點的對比，本文提出采用無線監控係統進行監測的設想,該係統可及時獲得溫度、漏電流信息，進行預警從(cong) 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、電氣火災監控係統，為(wei) 更好滿足無線通信要求,還引入了超長距低功耗無線傳(chuan) 輸技術，彌補了以往監測係統的缺陷,且可以降低施工難度，更好滿足小區改造需要。

1 室內(nei) 電氣火災監控係統工作原理

火災監控的係統框圖如圖1所示。本係統包含了眾(zhong) 多硬件模塊，如溫度傳(chuan) 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(ti) 功能要求。

係統的數據信號傳(chuan) 輸采用遠距離無線電（long range radio,LoRa）傳(chuan) 輸方式,該方式采用了當前較為(wei) 成熟的擴頻技術,具有超長距低功耗的優(you) 點,相關(guan) 研究發現其傳(chuan) 輸距離在400 m左右，與(yu) 目前常用的ZigBee相比，其不僅(jin) 穿透能力強，且輻射範圍更廣。

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(guan) 器件會(hui) 快速響應,並收集線路溫度和漏電流數據。之後獲取到的信息會(hui) 經過轉換、濾波、放大等處理，如果處理後的數據超出閾值範圍，則控製係統進行判斷並發送控製指令，使得報警電路發出警報，同時顯示報警實時值。在係統中設置了芯片SX1262,傳(chuan) 感器收集到信號後，采用LoRa無線傳(chuan) 輸技術將其傳(chuan) 輸至控製單元，控製器即時做出響應並發岀警報指令,在此過程中，數據會(hui) 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。係統采用了單片機，其通過相關(guan) 的引腳與(yu) 其他模塊集成，通過通信接口與(yu) 無線通信電路連接,由於(yu) 單片機可編程，提高了係統的自動化水平。

2.1主要控製芯片

MCU采用STM32F103作為(wei) 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(yu) 相應的無線模塊TTL電平連接，這種設計方法易於(yu) 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(ge) 硬件模塊構成，如采樣回路、信號濾波電路等，它們(men) 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(ti) 原理如下:基準電壓Uref通過分壓電阻以及其他一係列器件構成相應的采樣回路。電壓跟隨器做緩衝(chong) 級，其特點是係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、後級電路之間互不影響,此時電壓不會(hui) 對其產(chan) 生影響。在其運行過程中， 單片機通過CHI控製開關(guan) 管導通。在係統中設置有溫度傳(chuan) 感器,其收集到的信息會(hui) 被傳(chuan) 輸至信號濾波電路,之後再經過一係列的處理顯示在屏幕上。

2.3通信接口

信號被處理後，經過SPI通信接口傳(chuan) 輸給無線通信電路，這種信號的傳(chuan) 輸無需接線，相應的通信接口電路如圖3所示。工作原理為(wei) :R13為(wei) 片式電阻陣列，R14做為(wei) 無線通信電路與(yu) MCU連接，實現阻抗的匹配，因此在係統正常運行過程中，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(ge) NRESET（複位引腳）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(men) 在數據的傳(chuan) 輸中起著重要作用。此外,SCK接口是同步時鍾，起到保持通信一致性的作用。FEM_CPS是信息物理通信係統接口，通過人機交互接口與(yu) 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

係統中的傳(chuan) 感器和單片機通過相關(guan) 引腳集成，采用LoRa無線傳(chuan) 輸技術進行信息傳(chuan) 輸，該模塊的電路原理如圖4所示。結合實際情況並經過對比分析，選擇SX1262作為(wei) 通信元件，該元件集成度高、功耗低、抗幹擾性強，可在較寬的頻率範圍實現信息的傳(chuan) 輸，同時，這款產(chan) 品的靈敏度可達-148 dBm,因此在長距離通信中起著非常關(guan) 鍵的作用。晶振電路為(wei) 係統提供時鍾信號。同時還需要配備一個(ge) 功率放大器來實現功率的放大。對於(yu) 收發電路，如圖4所示引入了第一、二回路來構建,不僅(jin) 保證了其可靠性,而且提高了電路的抗幹擾能力。

2.4.1 發射電路

數據在傳(chuan) 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(wei) :C28與(yu) L8組成串聯諧振電路，其他模塊構成相應的並聯諧振電路,在具體(ti) 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是聲表麵波濾波器，在係統正常運行過程中，該模塊輸入端將無線信號轉換為(wei) 聲信號在空氣中傳(chuan) 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(men) 的功能主要是濾波以及無功補償(chang) 。

3 無線電氣火災監控係統流程設計

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(yu) 硬件適應的流程，具體(ti) 如下:

3.1 現場采集監控層

該層包插了不同的傳(chuan) 感器可收集並處理信號，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,上電後係統首先進行初始化操作，其中有單片機、探測器的複位等。初始化完成後，探測器發出控製啟動命令，溫度傳(chuan) 感器等進行數據收集，並與(yu) 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(xie) 入指令選擇相應的工作模式。對芯片、係統時鍾、定時器等進行複位，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後進入循環主程序進行數據的發送,每一個(ge) 小組發送成功後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(you) 勢還體(ti) 現在以下方麵:可靠、維護方便、易於(yu) 擴充。通過界麵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(chuan) 輸過來,監控主機經過核驗，超過閾值, 顯示並報警,起到了預警後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，本次測試選取了係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。組裝完成後,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係統為(wei) 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(wei) 60℃，相應的電流報警閾值為(wei) 300 mA,引入串口調試助手實現數據的傳(chuan) 輸。*終結果顯示，該係統正常運行情況下，穿越3堵牆後*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。

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(you) 勢還體(ti) 現在以下方麵:可靠、維護方便、易於(yu) 擴充。通過界麵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(chuan) 輸過來,監控主機經過核驗，超過閾值, 顯示並報警,起到了預警後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，本次測試選取了係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。組裝完成後,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係統為(wei) 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(wei) 60℃，相應的電流報警閾值為(wei) 300 mA,引入串口調試助手實現數據的傳(chuan) 輸。*終結果顯示，該係統正常運行情況下，穿越3堵牆後*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係統

5.1 概述

Acre1-6000電氣火災監控係統，是根據中心的消防電子產(chan) 品試驗認證，並且均通過嚴(yan) 格的EMC電磁兼容試驗，保證了該係列產(chan) 品在低壓配電係統中的安全正常運行，現均已批量生產(chan) 並在全國得到廣泛地應用。該係統通過對剩餘(yu) 電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與(yu) 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餘(yu) 電流、溫度和故障電弧等超標的配電回路;並根據用戶的需求，還可以滿足與(yu) AcreIEMS企業(ye) 微電網管理雲(yun) 平台或火災自動報警係統等進行數據交換和共享。

5.2 應用場合

適用於(yu) 智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(ye) 、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 係統結構

5.4 係統功能

監控設備能接收多台探測器的剩餘(yu) 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“複位”按鈕或觸摸屏的“複位”按鍵遠程對探測器實現複位。對於(yu) 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，控製輸出繼電器閉合，用於(yu) 控製被保護電路或其他設備，當報警消除後，控製輸出繼電器釋放。

通訊故障報警：當監控設備與(yu) 所接的任一台探測器之間發生通訊故障或探測器本身發生故障時，監控畫麵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，並發出故障報警聲音。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並顯示故障信息，可進入相應的界麵查看詳細信息並可解除報警聲響。

當發生剩餘(yu) 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(chu) 在數據庫中，當報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。曆史數據提供多種便捷、快速的查詢方法。

5.5 配置方案

6 結語

設計了一款實用的老舊小區無線電氣火災監控係統，彌補了傳(chuan) 統檢測係統的一些不足，由於(yu) 無需布線，線路簡單美觀,不會(hui) 對建築物結構層造成破壞，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,該係統基本達到預期效果，具有較高的應用價(jia) 值。

參考文獻

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[4]龔永慶.淺析民用建築火災自動報警係統的設計[J]-建築技術開發,2021,48(1):11 -12.

[5]安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2022.5版.

作者簡介：簡婷，女，現任職於(yu) 韦德1946网址，主要從(cong) 事電氣火災監控係統的研發和應用。