基于無線網絡的古建筑電氣火災報警系統技術

胡 浩

云南先驅建筑工程有限公司，云南昆明 650500

古代建筑不僅是國家遺產，也是傳統文化的物質載體，對促進我國傳統文化的發展起著至關重要的作用。與現代建筑相比，古建筑具有十分顯著的特點，絕大多數古代建筑的主體結構都是由純木材或磚瓦組成。然而，這種建筑物像火柴一樣非常容易燃燒。電氣火災報警系統可以十分準確監控電線的實時故障和異常狀態，及時發現電火災隱患，并且報警，以此來提醒有關人員消除該隱患，避免發生重大的火災。然而，傳統的電氣火災預警系統大多數都采用有線網絡進行數據傳輸，其敷設線路和維護成本較高。鉆孔對古建筑造成十分嚴重的破壞，老化線的現象將對監測火災造成不利的影響。隨著無線傳感器網絡（WSN）技術的飛速發展，無線傳感器網絡應用于實施監控古建筑電火災將成為現實。因此，設計基于Jen Net無線技術的電氣火災監控系統，提高防火可靠性是非常及時和必要的。

古建筑電氣防火報警系統是指當檢測到的受保護的電路參數超過設定警報閾值時，可以發出報警信號并且指示出報警位置的自動裝置。目前，建筑電氣報警系統主要采用RS-485總線和CAN總線進行數據傳輸，其是無法實現數據傳輸的有線網絡，敷設線受到限制。在本文中，我們研究了剩余電流電氣火災監測系統，并設計了一種新型的電火災預警系統基于無線傳感器網絡技術，將傳統的RS-485總線與Jen Net無線通信技術相結合，解決了古建筑電氣火災監控系統中敷設線路的局限性問題，非常適合監測古建筑的電火災。

1 古建筑電氣火災分析

中國古代建筑中木結構火災負荷載重大約是現代建筑的33倍。建筑物的耐火等級為三級或者四級，耐火性能非常差。古代建筑的大多為群體建筑，建筑所處的位置通風性良好，并且有充足的氧氣，木質建筑十分干燥。當火災發生時，建筑物的內部散熱較為緩慢，由于溫度上升過快，因此容易發生火災。又因為建筑物彼此相鄰過近，并且沒有防火隔離帶，如若發生火災，控制不及時，會蔓延至整個建筑群體。古建筑電氣火災產生的原因有如下幾點：漏電火災、短路火災、過負荷火災、接觸電阻過大火災。古建筑電氣火災有如下慘痛的案列：

2003年1月20 日，位于武當山的遇真宮因電氣發生火災，燒毀遇真宮主殿三間，建筑面積達236m2。

2007年3月7 日，位于貴州銅仁的“川主宮”，其是國家級文物保護單位，因為配電箱內線路發生故障引發電氣火災，燒毀古建筑達850m2，造成無法挽回的慘重損失。

2014年1月11 日，位于云南迪慶藏族自治州州府，香格里拉縣的古建筑群發生大火，除造成房屋、商鋪和基礎建筑設施等受災外，此次火災還造成古城內部分文物及其它佛教文化藝術品燒毀，據初步統計火災燒毀房屋100多間，初步計算已造成經濟損失多達1億元，此次火災產生的原因也是由于用電不慎引起的電氣火災。

2 電氣火災監測系統的通信結構

2.1 Jen Net協議

由英國Jennic開發的基于IEEE 802.15.4的Jen Net協議，被廣泛應用于該領域，無線監控作為一個低功率的無線網絡協議。Jen Net協議可以進一步簡化應用程序和開發的過程，Zig Bee協議作為一種替代協議，比實際操作簡單，通過集成智能網絡、路由功能自我修復。傳統的低功耗無線傳感器網絡很短、節點不穩定，但基于IEEE 802.15.4的Jen Net協議突破交流距離的極限，高智慧和靈活性的珍網使網絡更適應動態更改，如節點連接和節點退出。

2.2 電氣火災監測系統的通信結構

在本技術中，將有線傳輸網絡與無線傳輸網絡相結合，并將Jen Net無線網絡添加到RS-485總線上，設計成電氣火災監控系統。電氣火災監控系統的通信結構由RS-485總線和無線傳感器網絡組成。無線傳感器網絡（WSN）選擇網絡樹拓撲結構，由終端節點、路由節點和協調器節點組成。在接線有限的情況下，我們使用終端節點作為電氣火災監測檢測器的一部分，用于收集剩余電流、溫度和濕度的數據，并通過Jen Net無線傳感器網絡與路由節點和協調器節點進行通信。與此同時，由于Jen Net從站路由節點負責路由數據，當Jen Net主站協調器節點工作時，連接RS -485總線的數據采集單元直接連接計算機，將數據傳輸到中央控制器。

圖1 電氣火災監測系統的通信結構

在電氣火災監控系統中，上位機通過RS-485總線與Jen Net主站進行的通信。當中央控制器接收到報警信號時，首先它會判斷是否需要發出命令來中斷電路，然后在斷開上級電路后盡量減少火災帶來的損失。如果現場人員接到電氣火災監測探測器的報警，應打斷上級電路，立即采取相應措施，及時有效地控制火災的發生。

2.3 Jen Net網絡拓撲結構

Jen Net網絡主要支持兩種網絡拓撲結構：星形拓撲和樹拓撲結構。星形拓撲包含一個協調節點和多個終端，其結構相對簡單。樹拓撲包含所有三種類型的節點。路由器和終端設備作為子節點連接到協調器節點，每個路由器還可以由其他路由節點或終端節點作為自身的子節點，最終形成多層結構。在這種設計中，我們選擇樹形拓撲作為Jen Net網絡結構。

圖2 網絡拓撲結構

3 電氣火災報警探測器的設計

探測器的設計是電氣火災報警系統的重要組成部分，硬件采用模塊化設計，分別為無線微控制器模塊、剩余電流采集模塊、溫度采集模塊、電源模塊、聲光報警模塊。

本設計主要介紹了無線微控制器、剩余電流的采集、溫度和濕度的采集。剩余電流傳感器和溫濕度傳感器可以自動收集物體的信息，然后上傳到無線處理器，用于存儲數據和控制傳感器節點。當發現異常數據后，無線處理器啟動聲光報警，完成節點間的通信。電源模塊主要為每個模塊提供電源。

圖3 探測器結構

3.1 剩余電流采集模塊

剩余電流的檢測是監測電氣火災系統的一個重要指標。剩余電流是通過剩余電流保護裝置的主回路的電流矢量，換句話說，是漏電電流。在正常狀態下，回路的剩余電流與故障狀態的剩余電流不同。在正常工作條件下，剩余電流通常是正常的帶電導體的漏電流。事實上，所有的電氣設備和電源電路都有剩余電流，這是線路或設備固有的。異常剩余電流，即故障剩余電流，主要是指電路漏電，導致相線與地之間短路。當異常剩余電流達到一定程度時，就可能產生電弧或電火花，甚至導致火災。異常剩余電流的原因復雜多樣，如電線絕緣老化、電氣設備的損壞、線路的人為誤接，容易導致異常剩余電流。正常的剩余電流一般不會導致電火花，剩余電流是由異常剩余電流引起的。因此，一些早期發現和消除異常剩余電流故障可以防止電火災發生。

為了探測古代建筑的電氣火災，探測器安裝在配電線路或配電箱的入口。火災探測器可收集低壓配電線路和周圍溫度信號的剩余電流信號。通過微機處理分析，將信號上傳到處理電路和微計算機上，與預設的剩余電流報警值和溫度報警值進行比較。如果測量值高于設置值，聲音和光報警模塊發送警報信號，并將警報信號上傳到上計算機。配電箱中通常安裝電氣火災監測檢測器。如果JN5148模塊也應包括在配電箱中，天線必須從配電箱中伸出，否則，鐵殼的屏蔽效應將大大降低無線信號的衰減。

在這種設計中，我們選擇AKH-0.66 L-35型作為剩余電流互感器，專門用于采集火災報警系統的剩余電流，電流互感器輸出數字信號，輸出電壓為0～1 V。

3.2 溫濕度采集模塊

在發生電氣火災之前，線路的溫度會大幅上升，相反，濕度會急劇下降。根據溫度和濕度的變化，通過收集外部電氣火災監測系統的溫度和濕度確定是否有火災。我們使用數字溫濕度傳感器SHT11作為溫濕度檢測器，SHT11是SMT型傳感器芯片，傳感器和處理電路集成在一個微型電路板上。SHT11的工作電壓低于3.3V，其平均工作電流極低，具有精度高、功耗低的特點（如圖4所示）。

圖4 HT11溫濕度采集模塊

3.3 無線微處理器模塊

無線射頻控制器可以集成到一個芯片中，大大降低了產品的體積。 因此，本設計采用JN5148芯片作為無線傳感器節點的核心，采用Jen Net協議實現多個無線網絡節點的數據傳輸。JN5148由Jennic公司推出，體積小、功耗低、嵌入了一個增強型低功耗32位CPU，包含128 KB ROM，128 KB RAM。 因此，非常適合于無線傳感器網絡的低功耗和低成本的要求。

Jen Net協議定義了三種類型的節點，協調器、路由器和終端設備。所有三種類型的節點的硬件都是基于JN5148的，功能區分是由特定程序設置的。在這個設計中，協調者是Jen Net主站，在無線網絡系統初始化中起著重要的作用。路由器作為無線網絡上的Jen Net的從站，主要功能是將信息不斷傳輸到另一個節點。終端設備作為電氣火災探測器的重要組成部分，其主要任務是在發送或接收終端設備數據后收集數據并進行自身控制，不能作為父節點允許其他節點連接，也不能傳遞其他節點發送的數據。

圖5 JN5148：無線微處理器模塊

3.4 協調器的主要工作流程

協調器是一種關鍵的節點類型，無論在什么網絡拓撲中，網絡都需要有一個唯一的協調節點。網絡層協調節點的功能是：選擇網絡頻道（一般是最安靜的頻道）、啟動網絡、加入其他節點、提供路由信息和安全管理等。協調器節點可以建立和維護網絡運行，并自動查找其他節點加入網絡的請求，具有自動功能。它的工作流程如圖6所示。

圖6 Jen Net協調器工作流程

4 系統功能測試

我們在房間內安排多個Jen Net節點，形成了一個樹狀結構，并通過Rs - 485總線將Jen Net主站連接到電火花早期預警系統的中央控制器。在實驗中，建筑電氣實驗臺產生故障剩余電流，同時，設置中央控制器和終端節點探測器的報警值。在終端節點檢測到剩余電流后，通過Jen Net無線網絡將數據上傳到從站，然后由Jen Net無線網絡上傳到Jen Net主站，最后通過RS-485總線上傳到中央控制器。經過測試，電氣火災報警系統可以正常工作，終端檢測器的數據和報警信號可以通過中央控制器的管理軟件進行觀察，檢測器也可以產生聲光報警信號。當數據異常時，起初，終端節點檢測器的蜂鳴器將報警，之后上位機的管理軟件將通知主管。受通信條件影響的時間間隔分別在5s和7s，測試結果在預期中。如果我們用人造火逐漸靠近終端節點檢測器的溫濕度模塊，測試結果與之前的測試結果相同。

5 結語

在本設計中，在電氣火災報警系統的數據傳輸方面，我們將Jen Net無線網絡作為電纜傳輸的一部分添加到RS-485電纜傳輸網絡。最終根據古建筑的特點，結合有線傳輸和無線傳輸的優點，采用Jen Net無線通信方式，在有限布線的情況下，使用主站和中央控制器之間的電纜通信來彌補缺陷和不足。Jen Net網絡數據傳輸采用點對點通信，這種智能無線火災預警系統可以解決傳統有線監控系統的很多不足，諸如布線復雜的缺陷，造成建筑物的破壞等，無線火災預警系統特別是對古建筑早期的火災的探測具有顯著的效果。

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