摘 要：為了防范于未然，提前預警老舊小區(qū)電氣火災,設計了一種基于無線傳輸技術(shù)的老舊小區(qū)電氣火災監(jiān)控系統(tǒng),。該系統(tǒng)利用監(jiān)測線路產(chǎn)生的發(fā)熱（溫度）和闞值（電流）大小，采用無線通信技術(shù)將報警信息傳給監(jiān)控主機，監(jiān)控主機發(fā)出指令，將信息傳達到值班人員，從而預防老舊小區(qū)電氣火災的發(fā)生,。通過測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好,，穿墻能力強，傳輸遠,。

關(guān)鍵詞：老舊小區(qū),；電氣火災監(jiān)控;無線通信

0 引言

老舊小區(qū)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(qū)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(xiàn)，維護管理難度增加,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)導則》（試行）,。這些方案中都提出了要在老舊小區(qū)安裝消防報警設備,構(gòu)建智慧安全小區(qū),。然而，通過查閱國內(nèi)外關(guān)于建筑電氣火災監(jiān)控技術(shù)的相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn),，當前大部分小區(qū)大多采用了有線傳輸方式實現(xiàn)對火災監(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,可一臺消防主機和多個探測器相連,，無需破壞裝修結(jié)構(gòu)。

基于以上兩類監(jiān)控方式優(yōu)缺點的對比,，本文提出采用無線監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)測的設想,該系統(tǒng)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(fā)生,。根據(jù)上述設想,，本文設計了一款多功能、電氣火災監(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)電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

火災監(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(shù),具有超長距低功耗的優(yōu)點,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,，且輻射范圍更廣。

在實際應用中,，如果線路出現(xiàn)異常,，則電氣火災探測器中相關(guān)器件會快速響應,并收集線路溫度和漏電流數(shù)據(jù)。之后獲取到的信息會經(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)進行判斷并發(fā)送控制指令,，使得報警電路發(fā)出警報，同時顯示報警實時值,。在系統(tǒng)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(shù)將其傳輸至控制單元，控制器即時做出響應并發(fā)岀警報指令,在此過程中,，數(shù)據(jù)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(jié)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(tǒng)采用了單片機,，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,由于單片機可編程，提高了系統(tǒng)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(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:基準電壓Uref通過分壓電阻以及其他一系列器件構(gòu)成相應的采樣回路。電壓跟隨器做緩沖級,，其特點是系統(tǒng)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(chǎn)生影響,。在其運行過程中， 單片機通過CHI控制開關(guān)管導通,。在系統(tǒng)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(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(xiàn)阻抗的匹配,，因此在系統(tǒng)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(shù),低電平有效；另外,還設置有一些其他接口（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,，通過人機交互接口與物理進程進行交互,，使用網(wǎng)絡化空間還可以實現(xiàn)遠程、可靠,、實時的連接,。

2.4無線通信電路

系統(tǒng)中的傳感器和單片機通過相關(guān)引腳集成，采用LoRa無線傳輸技術(shù)進行信息傳輸,，該模塊的電路原理如圖4所示,。結(jié)合實際情況并經(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,，可在較寬的頻率范圍實現(xiàn)信息的傳輸,，同時，這款產(chǎn)品的靈敏度可達-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)提供時鐘信號,。同時還需要配備一個功率放大器來實現(xiàn)功率的放大。對于收發(fā)電路,，如圖4所示引入了第一,、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)成相應的并聯(lián)諧振電路,在具體設計時,，可結(jié)合實際需要來調(diào)整元件的參數(shù)以達到*佳發(fā)射狀態(tài)。

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(tǒng)正常運行過程中，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償,。

3 無線電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)流程設計

結(jié)合前期的需求分析，設置了采集監(jiān)控,、無線通信等模塊,，在Keil開發(fā)環(huán)境下采用C語言設計了與硬件適應的流程，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(tǒng)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(fā)出控制啟動命令,，溫度傳感器等進行數(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);若超過預定值,則顯示報警,、顯示屏顯示數(shù)據(jù),。

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(tǒng)時鐘、定時器等進行復位,，對信號寬帶,、發(fā)送功率等進行核驗。在寄存器工作參數(shù)選擇工作模式后進入循環(huán)主程序進行數(shù)據(jù)的發(fā)送,每一個小組發(fā)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(jiān)控主機設計

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)控主機采用模塊化設計,，采用調(diào)度算法實時顯示數(shù)據(jù),其優(yōu)勢還體現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸過來,監(jiān)控主機經(jīng)過核驗,，超過閾值, 顯示并報警,起到了預警后工作人員現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)火災的可能性,。

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,，實物如圖9和圖10所示,，匹配了設計的監(jiān)控主機。組裝完成后,選擇了福建省漳州市某新村老舊小區(qū)的無線電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)為測試對象，以是否正常發(fā)送火災預警信號進行了應用調(diào)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(diào)試助手實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。*終結(jié)果顯示,，該系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)

5.1 概述

Acre1-6000電氣火災監(jiān)控系統(tǒng),，是根據(jù)中心的消防電子產(chǎn)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(chǎn)品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運行,，現(xiàn)均已批量生產(chǎn)并在全國得到廣泛地應用,。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，實現(xiàn)對電氣火災的早期預防和報警,，當必要時還能聯(lián)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(jù)用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺或火災自動報警系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)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(yè),、國家重點消防單位以及石油化工,、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)控設備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息,，報警時發(fā)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(xiàn)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(jiān)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(jiān)控設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,，監(jiān)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(fā)出故障報警聲音,。電源故障報警：當主電源或備用電源發(fā)生故障時，監(jiān)控設備也發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)庫中,，當報警解除、排除故障時,，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,。

6 結(jié)語

設計了一款實用的老舊小區(qū)無線電氣火災監(jiān)控系統(tǒng),，彌補了傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)的一些不足，由于無需布線,，線路簡單美觀,不會對建筑物結(jié)構(gòu)層造成破壞,，而且能夠?qū)崟r對老舊小區(qū)的電表箱實行24小時動態(tài)監(jiān)測，一旦出現(xiàn)異常,，可馬上自動報警或預警,。結(jié)合測試結(jié)果可知,該系統(tǒng)基本達到預期效果，具有較高的應用價值,。

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