淺談無線網絡技術的電氣火災監控系統

 

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：電氣火災系統的良好應用能夠顯著降低建筑物內部出現電氣火災的現象，同時能夠切實保證建筑物的安全和質量。隨著我國相關技術的發展和進步，越來越多復雜的電氣技術和設備應用在建筑內部的電路中，增加了出現電氣火災的概率，對建筑物發揮積極作用以及建筑物使用者的安全造成了極為消極的影響。而應用LoRa無線通信技術應用在電氣火災監控系統中能夠顯著降低電氣火災的出現概率，實現預防電氣火災的目標。該無線通信技術的應用傳輸距離較遠，穿墻的效果較好，同時因為功耗較低所以能夠被高質量的應用在電氣火災監控系統中。因此主要從電氣火災系統的構成以及原理和內部硬件軟件設計進行入手，進而闡釋電氣火災監控系統的設計措施。

關鍵詞：LoRa；無線通信技術；電氣火災監控系統

一、前言

   隨著我國科學技術的發展進步，建筑物內部的電氣線路越來越復雜，同時電氣線路中的設備復雜程度也在顯著增加，一方面這種復雜的電氣線路帶給居民生活以及生產的便利條件，另一方面這種復雜的電氣線路也明顯增加了出現電氣火災的概率。因此電氣火災監控系統的應用十分重要，電氣火災監控系統能夠監控電氣線路中運行的溫度、漏電現象以及漏電流的大小，進而對可能會出現火災的部分進行預警。在傳統的電氣火災監控系統中應用的通信技術多數是 CAN 總線式傳輸，這種通信技術在現階段復雜電氣電路的背景下存在布線困難、建設成本大以及硬件工作質量有限的問題。因此在后續研發電氣火災監控系統的過程中，應該重視無線通信技術以及通信距離的要求，通過這種方式來提高電氣火災監控系統的運行質量，降低電氣火災的出現概率。

二、電氣火災監控系統的構成以及原理

    基于 LoRa 無線通信技術的電氣火災監控系統主要是由溫度傳感器、漏電電流傳感器、電氣火災探測器、無線傳輸系統以及監控主系統構成。該電氣火災系統的主要應用原理就是如果電氣線路內部出現了短路或者漏電的現象，電氣火災探測器能夠通過溫度傳感器以及電流傳感器對線路中出現的溫度以及漏電電流數據進行采集。數據經過處理之后傳遞給電氣火災監控主系統，如果線路的溫度或者是漏電電流超過系統預設的預警閾值，那么探測器中的主控芯片能夠將報警信息傳遞給主控系統，并且實時顯示報警值。在設計電氣火災監控系統的過程中，應該在探測器內部和監控主系統中放置良好的無線發射芯片，這樣探測器也能通過 LoRa 無線通信技術將報警信息傳遞給值班人員，并且清晰顯示預警位置和數據，從而為值班人員落實良好的控制措施奠定堅實基礎。此外，在我國信息技術和互聯網技術的發展背景下，能夠將大數據技術以及智能控制設備應用在電氣火災監測系統中，通過大數據技術的應用能夠對經常出現超過預警閾值的部分進行數據收集和綜合分析，這樣值班人員能夠通過數據分析來對設備運行的壽命和質量進行綜合考量，對于不滿足監控要求的設備進行及時的更換和維修，既能夠提高電氣火災監控系統的運行質量，同時也能夠有*降低電氣火災的出現概率。將智能設備應用在電氣火災監控系統中，能有*保證對出現的數據異常進行智能化處理，從而切實提高電氣火災監控系統的應用質量和價值。

三、電氣火災監控系統內部硬件設計措施

（1）微控制單元

    在對電氣火災監控系統進行硬件設計的過程中，主要的內容包括微控制單元、信號采集通路、通信接口以及無線通信電路，這些硬件設備設計的主要目標就是保證數據信號能夠被準確的采集，及時的傳遞給電氣火災監控的主系統，以此降低電氣火災出現的概率和電氣火災出現后對生產和生活造成的消極影響。在設計電氣火災監控系統的微控制單元時，主要選擇的是基于ARMCortex-M 內核的 32 位微控制器，其內部的系統儲存器規格是 64KB，具有的優勢是高速運行內存，能夠實現快速傳遞數據信息的目標，同時還能夠存儲一定的預警信息。該芯片工作的電壓是 2～6V，能夠在 85℃以下進行工作，因此這種芯片對工作環境的要求較低、功耗小、運算速度快，同時因為其結構簡單所以芯片的穩定性較高。設計人員能夠使用這種微控制單元來按照實際生活和工作的需求設置不同的控制模式，進而滿足探測電氣火災監控系統多樣化工作的要求。但是這種微控制單元的應用也有一定的缺點，那就是不能夠實現數據的長時間保存，因此在使用這種微控制單元進行數據收集和傳輸的過程中，技術人員能夠在微控制單元周圍設置一定的信息儲存單元，這樣能夠更好地發揮數據異常監控和電氣火災監控系統運行的積極作用。在設置的信息存儲單元中，應該設置定期清理數據的工作模式，這樣能有*延長信息存儲單元的使用壽命，通常設置三個月或者半年清理即可。

（2）信號采集電路

    信號采集電路主要內容有信號采樣回路、預算放大器、基準電源、電壓跟隨器以及信號濾波電路等。不同的電路工作模式和工作目標都是不同的。例如測溫采樣回路電路的主要工作模式就是能夠通過電路設計來對內部線路的運行溫度進行測量，通過這種方式來將相關溫度數據傳遞給微控制單元，進而提高微控制單元對溫度的控制和預警力度。而電流傳感器主要的工作模式是對出現短路或者是漏電電流的大小進行及時監測，將監測的數據傳遞給信號采集電路，進而將異常數據快速傳遞給主控制單元，實現及時的預警目標。具體的工作模式就是通過分壓電阻、開關管和溫度傳感器先形成采樣回路，然后電壓跟隨器落實緩沖級以及隔離級，這樣一方面能夠實現高輸入電阻、低輸出電阻的目標，同時能夠讓前后級之間的電路互不影響，同時還能夠降低采集溫度信號的電壓干擾力度，對保證溫度信號采集和傳遞的準確性具有積極影響。在采集數據的過程中微控制單元通過控制開關管導通，在溫度傳感器上產生的電壓信號直接進入濾波電路，經過降低干擾以及放大之后將信號接入微控制單元進行數據處理，實現對溫度的充分監控。信號采集電路的工作原理就是在將信息技術進行收集之后，結合預定的工作模式對數據進行篩選，對于異常數據使用放大方式來進行傳輸，同時在傳輸的過程中要降低其他外界因素對放大信號的干擾，保證微控制單元接收到數據信息的準確性和可靠性。這樣能充分發揮數據的應用優勢，同時還能降低數據在采集過程中占用的計算空間，提高微控制單元的控制質量和效率。除了應用測溫式電氣火災監控探測器，在設計系統的過程中，技術人員還能夠使用電弧式電子火災監控探測器。使用這種探測器能夠避免電弧能*導致的可燃物火災出現，對于電弧進行的監控。在使用該探測器的過程中，技術人員能夠將這種探測器配備在配電線路的末端，這樣能有*提高電弧出現的監測，從而降低火災事故的出現概率，對電弧的出現進行監控。目前來看，我國現有的電弧式電氣火災探測器應用質量和水平較低，不能充分滿足多數建筑物的火災預防要求。因此選擇電弧式電氣火災探測器時能夠引進的檢測方法和探測器，通過這種方式來提高電弧檢測的質量，強化輔助監控，進而保證電弧式電氣火災監控探測器能夠有*運行。

（3）通信接口

    經過微控制單元處理之后的數據信息會通過通信接口傳遞給無線通信設備進行數據傳輸，在設計通信接口的過程中應該注意設計無線通信設備和微控制單元之間的連接，注意設計匹配阻抗功能的設計，這樣能夠有*減少和消*數據信息在傳輸過程中出現的信號反射。例如引腳能夠設置為復位引腳，通過這種方式來初始化參數，保證低電平有*。同時要設置良好的同步串行接口，這樣能夠充分保證無線通信設備和微控制單元之間的數據傳輸質量和效率。在對通信接口進行設計的過程中，主要是由片式電阻陣列以及無線通信和控制單元之間的連接部分組成。因此通信接口的應用不僅僅是進行數據的傳輸，同時還具有消*外界影響因素對數據不良影響的作用。片式電阻陣列的使用能夠有*減少高頻信號反射，同時能夠降低傳輸數據的失真，較好地實現微控制單元和無線通信電路之間數據傳輸的目標。

（4）無線通信

   電路無線通信電路的設計能夠分為發射電路和接收電路兩種。在電氣火災監控系統的設計中，電氣火災探測器和監控主系統之間的通信使用基于 LoRa 的無線數據傳輸技術。相較于有線通信電路，無線通信電路對數據傳輸的性要求更高，因為無線數據傳輸過程中受到不良因素影響的程度較大，一旦在數據傳輸中出現消極影響，既有可能會導致值班人員對設備工作狀態進行誤判，*終增加電氣火災的出現概率，同時對值班人員的工作質量也會起到不良影響。在選擇數據收發器時應該重視集成度、低功耗以及多頻段，這樣既能夠實現超遠距離的通信目標，同時也能夠降低通信過程中受到的外來干擾，從而保證數據傳輸的質量和效率。其中晶振電路能夠為系統提供時間信號，通過雙重匹配回路的形式來組成收發電路，進而切實提高無線通信抗干擾能力以及穩定可靠性。在發射電路進行設計的過程中，數據要經過濾波處理從而實現降低外部高頻信號對數據傳輸干擾的目標，降低信噪比。C28 和 L8 形成了串聯諧振電路，而另外的電阻形成兩組并聯諧振電路，所以在信息傳遞和傳輸的過程中能夠根據不同的通信頻率來調整內部電子元件的參數，這樣能夠保證數據發送實現*佳狀態。在對接收電路進行設計的過程中，應該重視對通信頻率外信號的過濾功能設計，在工作的過程中將輸入端的無線信號轉化為聲信號在介質表面進行傳輸，而輸出端能夠通過將這種聲信號轉換為無線信號進行接收和傳遞。在設計過程中能夠使用 SX1278 發射芯片，這種發射芯片的優點是集成度高、功耗低、頻段多，既能夠實現遠距離的戶數傳輸任務，同時抗干擾的能力又比較強，能夠使用多種不同頻段進行數據傳輸。此外這種發射芯片的靈敏度較高，能夠滿足絕大多數電氣火災監控系統運行和數據傳輸的要求。在使用這種芯片的過程中，應該重視芯片的配套設備應用，保證芯片的供電穩定，從而保證芯片能夠在實際運行的過程中充分發揮積極作用，提高數據傳輸的抗干擾能力和穩定性。

四、電氣火災監控系統內部軟件設計措施

（1）數據采集軟件設計

    數據采集軟件的設計目標就是實現硬件設備對數據的采集，現階段能夠應用在數據采集軟件設計中的程序語言相對較多，例如 C 語言、Java 語言和爬蟲語言，通常情況下使用 C 語言能夠更好的滿足電氣火災監控系統軟件設計的相關要求。在電氣火災監控系統運行的過程中，數據采集軟件能夠影響的設備主要有溫度傳感器、電流傳感器以及電氣火災探測器，通過傳感器來對相關數據和信號進行充分的采集，同時數據采集軟件應該具有良好的數據存儲功能。在通電之后，軟件應該先進行初始化操作，將相關數據和參數調整到*佳的數據采集狀態，比如微型控制單元的工作復位以及探測器的工作復位，同時對屏幕進行清屏操作。在初始化完成之后針對各種傳感器發送啟動命令，在傳感器將相關數據進行采集之后和探測器內部設定的預警數值進行比對，如果沒有超過相關閾值，那么重復采集數據和比對的工作，如果超過閾值，應該進行報警并且顯示當時的數值，將相關數據進行上傳。在數據上傳的過程中，能夠在數據上傳時使用數據捆綁的形式進行發送，這樣能顯著減低數據的傳輸量，同時對接受和使用數據具有十分積極的意義。在整體軟件設計的過程中，應該保證軟件能夠對監測到的電流信息準確性。除了能夠從硬件設施角度入手，技術人員還能夠在軟件層面設置數據檢測，在對同一時間發送過來的數據包進行至少三次檢查，通過這種方式能有*的提高軟件工作報警的準確性，對于降低電氣火災檢測系統工作失誤能夠起到積極作用，同時對提高電氣火災監控系統的應用質量也能起到重要的意義。

（2）數據傳輸軟件設計

    數據傳輸軟件設計中應該為數據傳輸軟件設置喚醒、休眠、正常三種工作模式。其中休眠對應的是數據采集軟件開始工作前的模式，喚醒和正常是相關數據信息超過預設閾值時的工作模式。通過在軟件中寄存的相關指令來選擇對應的工作模式，數據傳輸軟件在工作時應該對定時器以及系統時間等內容進行初始化，保證數據傳輸軟件能夠和數據采集軟件工作步調一致。在寄存工作參數中選擇對應的工作模式后進行工作，將數據進行無線發送，在每次發送成功之后進入休眠期等待下次命令，這樣還能顯著降低功耗。數據傳輸軟件的設計目標主要有三點，分別是數據傳輸的質量、數據傳輸的速度以及數據傳輸之后數據的應用。在對數據傳輸軟件設計的過程中，除了能夠通過寄存器的設置來保證數據傳輸軟件的應用質量之外，為了提高數據傳輸的質量能夠通過逆變反應在數據傳輸軟件兩端設置數據加密解密或者是捆綁以及分包的工作模式，這樣一方面能顯著提高數據傳輸的完整性和高質量，另一方面能夠切實提高數據傳輸的速度，對于滿足數據傳輸目標能夠起到積極的作用。此外，在數據傳輸軟件工作的過程中，可能會存在工作模式和數據采集工作模式不相符的問題，因此應該設置良好的軟件自啟動工作模式，在發現不相符時及時重啟，通過這種方式能有*提高數據傳輸軟件和數據采集軟件的匹配程度，保證整體電氣火災監控系統的穩定高質量運行。

（3）監控系統軟件設計

    *后就是設計人員應該對監控軟件和主系統進行良好的設計，既能夠通過自定義的通信協議采用 LoRa技來實現收發數據，同時也能夠直接采用 LoRa 技術實現數據的接收和傳遞。例如監控主機能夠使用模塊化設計來保證報警以及故障信息能夠在監視屏幕中進行實時的顯示。在人機交互界面應該采用觸摸屏，這樣能夠提高值班人員和監控系統的交互性，實現良好的設置、進入以及退出等功能。此外，設計人員還能夠設置便攜式的電氣火災監控系統，一旦在系統運行的過程中發現監控的參數超過閾值時，能夠及時在工作人員的信息終端中進行報警，這樣也能夠發揮出電氣火災監控系統的積極作用。監控主系統除了具備報警信息監督和傳輸以及報警功能，還應該具備良好的檢驗功能，通過歷史數據記錄來對報警閾值進行一定的調整，保證報警閾值能夠在合理的區間內，這樣也能夠有*的提高系統對電氣火災出現的預見性，從而切實提高電氣火災監控系統的工作質量和效率。因為大數據的技術難以實現在電氣火災監控系統內部設置，因此應該將大數據技術設置在主監控系統或者值班人員的便攜式管理設備中，通過大數據技術來對出現異常數據部位的數據進行規模的數據分析和計算，例如在電氣火災監控系統中發現某位置出現溫度過熱的情況，經過大數據計算和分析之后發現這個位置出現溫度過熱情況次數較高，說明傳統的電氣線路已經不能夠滿足安全使用的要求。然后，大數據技術能夠將分析結構及時傳遞給值班管理人員，值班管理人員經過對該部位的檢查之后對該部位的電氣線路進行更換，這樣能顯著降低電氣火災現象的出現概率，同時對提高電氣火災監控系統的應用質量和效率能夠起到積極的推動作用。

（4）無線通信

    電氣火災監控系統設計注意事項首先應該避免監控系統的應用對居民的正常生活造成消極影響。因此技術人員在設計無線通信電氣火災監控系統的過程中應該將整體的火災預警報警系統作為獨立的子系統，這樣還能夠實現降低無線通信傳輸信號干擾因素的目標。電氣火災監控系統所發出的電子信號只能代表電氣系統中可能存在的隱患，不能夠直接判斷電氣火災的發生，因此電氣監控系統在設計的過程中應該結合電氣火災自動報警系統，這樣既能夠實現預警目標，同時能夠幫助值班人員或者是居民正確處理火災情況，提高火災預防工作的質量和效率。電氣火災監控系統在報警時需要保證電源的穩定，不然可能會因為誤觸導致居民生活受到影響，因此需要保證無線通信以及電氣火災監控系統的穩定運行。其次就是在設計無線通信電氣活在監控系統的過程中，應該重視提高保護裝置的合理應用。為了保證無線通信設備能夠在火災情況以及預警情況中發揮積極的作用，應該對無線通信裝置進行保護，也就是要對無線通信接口、微控制單元以及數據傳輸模塊進行充分的保護，在其外部設置絕緣防水防火的材料，這樣無線通信功能即便是遇到情況也能夠正常使用，不僅能夠有*效的提高電氣火災的預警質量和效率，同時還能夠切實提高無線通信的穩定性，對于降低信號傳輸過程中的影響因素也能起到積極作用。*后就是要設置良好的應急處理軟件功能，這種軟件主要就是應用在無線通信設備或者是微控制單元出現故障的情況下，保證軟件以及硬件設備能及時重啟，需要該軟件實現切斷傳感器和相關設備之間的通信連接，以此降低重啟后設備出現異常或者是誤差的現象。結合以上注意事項能有*的提高電氣火災系統的應用質量，對提高建筑物使用體驗以及保證居民健康安全和保證居民正常的生活節奏能夠起到極為積極的作用。

五、安科瑞電氣火災監控系統

（1）概述

   Acre1-6000電氣火災監控系統，是根據現行規范標準由安科瑞電氣股份有限公司研發的全數字化獨立運行的系統，已通過消防電子產品質量監督檢驗中*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。

（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、消防單位以及石油化工、文教衛生、金融、電信等領域。

（3）系統結構

（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*。

    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*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）配置方案

六、結語

   總而言之，將LoRa無線通信技術應用在電氣火災監控系統中，能夠顯著提高監控系統運行的質量和效率，同時具有建設成本低、數據傳輸距離遠和能耗較低的優點，因此既能夠充分滿足電氣火災監控系統建設運行的要求，同時能夠滿足用戶對生活生產的要求。經過測試發現，這種電氣火災監控系統的信號傳輸性能可靠，監控系統中數據顯示準確，能夠切實應用在實際的生產和生活中，進而對提高我國居民生產和生活質量起到積極的促*作用。

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作者介紹

未曉妃，安科瑞電氣股份有限公司，178 2117 0311,主要研究方向為微電網能效管理和環保安全用電。