基于物聯網技術的電氣火災監控系統

朱敦忠 李高宇 袁梅 周紅鍇 吳世貴

摘? 要：電氣火災居各火災之首，電氣線路是引發電氣火災的主要起火源，文章就電氣火災提出基于物聯網技術的電氣火災監控系統。系統由電氣火災監控終端、無線通信協調器和管理服務平臺等組成。電氣火災監控終端負責電氣線路監控;無線通信協調器負責電氣火災監控終端與管理服務平臺之間的數據通信;管理服務平臺主要對電氣終端的電量、電氣線路短路等異常報警。經運行，系統對預防電氣火災的發生具有現實意義。

關鍵詞：電氣線路監控;電量檢測;ZigBee;LoRa

中圖分類號：TP312? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）01-0154-06

Abstract： Electrical fire ranks the first among all fires， and electrical circuit is the main source of causing electrical fire. In this paper， an electrical fire monitoring system based on Internet of Things is proposed. The system is composed of electrical fire monitoring terminal， wireless communication coordinate machine and management service platform. The electrical fire monitoring terminal is responsible for the electrical circuit monitoring， and the wireless communication coordinate machine is responsible for the data communication between the electrical fire monitoring terminal and the management service platform. The management service platform mainly alarms the abnormal situation of electric quantity of electrical terminal and short circuit of electrical circuit and so on. After operation， the system has practical significance to prevent the occurrence of electrical fire.

Keywords： electrical circuit monitoring; electric quantity detection; ZigBee; LoRa

0? 引? 言

根據我國近幾年的火災統計，電氣火災年均發生次數占火災年均總發生次數的30%左右，占重特大火災總發生次數的80%左右，居各火災原因之首，且損失占火災損失的53%左右，而發達國家每年電氣火災發生次數僅占總火災發生次數的8%～13%。電氣線路是引發電氣火災的主要起火源（約占50%），其次是用電器具、電氣設備和用電設備。另外，照明器具過熱也比較突出，主要是日光燈鎮流器長期處于工作狀態，產生過熱或故障。短路是引發電氣火災的主要原因（約占51%），其次是過熱和接觸不良。因此，對電氣線路進行監控避免電氣火災的發生顯得尤為重要，本文就電氣火災提出基于物聯網技術的電氣火災監控系統，通過實時采集電氣線路電量參數及周圍溫度參數等，遇到電氣線路短路等異常情況時，系統及時報警并切斷電氣線路防止進一步惡化，因此，通過電氣火災監控系統預防電氣火災的發生具有現實意義。

1? 系統組網技術分析

本電氣火災監控系統由電氣火災監控終端、無線通信協調器和管理服務平臺等組成，系統組網如圖1所示，系統采用ZigBee、LoRa和以太網技術進行組網和數據通信。考慮到LoRa技術模塊較ZigBee技術模塊在價格上要高，從開源節流角度出發，視電氣火災監控的實際環境情況分三個層面選用不同的數據傳輸網絡，一是在復雜的環境時，如無網絡覆蓋需要穿墻的地下環境，選用LoRa和以太網方式進行數據的傳輸;二是在良好的環境，如室內同一樓層的辦公，場合時將選用低成本的ZigBee技術進行組網和數據通信;三是不同樓層與樓棟之間為保證數據傳輸過程中的完整性、可靠性以及系統安裝的簡易、便捷性，則先將同樓層的ZigBee數據匯聚到每層帶有LoRa技術的協調器，利用LoRa技術具有超高的接收靈敏度（RSSI）、超強信噪比（SNR）和遠距離傳輸的特性進行不同樓層與樓宇之間的數據傳到服務器上。四是用戶利用手機、電腦通過以太網連接到管理平臺查看系統數據。

2? 系統設計

如圖1所示，電氣火災監控系統由電氣火災監控終端、無線通信協調器和管理服務平臺等組成。協調器負責實現終端與管理服務平臺之間數據通信;管理服務平臺主要對電氣終端的電量、電氣線路短路等異常進行報警等管理;電氣火災監控終端主要完成電氣線路的電量參數、環境溫度等數據采集和傳輸，并對電氣線路全方位的監控。

2.1? 管理服務平臺

管理服務平臺主要對電氣終端的電量、電氣線路短路等異常進行報警等管理。一是收集各電氣火災監控終端節點的電量數據及環境溫度等數據值;二是當電氣線路電量、溫度等參數達到預警狀態時，若發生線路異常，則向電氣火災監控終端發送切斷電氣線路指令數據，控制終端執行切斷操作防止進一步惡化。管理服務平臺旨在為用戶、用電單位、安全監管部門及時掌握線路存在的用電安全隱患，達到事前監管，提早介入目的。

2.1.1? 管理服務平臺硬件設計

管理服務平臺系統組成框圖如圖2所示，由處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊、網絡模塊等組成。

處理器模塊是管理服務器硬件的核心部分，處理器模塊通過無線通信模塊完成對電氣火災監控終端數據收集及網絡模塊完成數據上報到服務器，同時接收服務器調向終端發送的各中指令。考慮系統的數據吞吐情況，處理器模塊選用STM32F407IGT6芯片作為核心，該芯片是一款高性能微控制器，有很強的抗干擾能力，可進行一些復雜計算和控制。STM32F407IGT6芯片采用90 nm工藝和ART加速器，芯片程序存儲容量為1 MB，RAM容量為192 kB，工作電壓為1.8 V～3.6 V，工作頻率為168 MHz。另外芯片內集成了單周期DSP指令和FPU（floating point unit，浮點單元），大大的提升了計算能力，滿足系統復雜的計算和控制。同時，芯片內集大量外設于一體（包含2個12位DAC、24個12 bit的ADC，4個USART，2個UART、3個SPI、3個I2C、2個CAN、10/100 Ethernet MAC等接口外設），為系統連接外接模塊（以太網模塊、無線通信RoLa模塊）提供便捷。芯片由符合IEEE 1588 v2標準要求的10/100 Ethernet MAC為系統提供快速以太網連接;USART和UART接口速度高達11.25 Mb/s為系統的無線通信提供快速連接。

網絡模塊采用有Wi-Fi模塊及以太網模塊組成，平臺可通過無線或有線方式連接到服務器。Wi-Fi模塊選用ESP8266芯片為核心，該模塊是一款串口/Wi-Fi透傳模塊，支持無線802.11 b/g/n 標準，內置TCP/IP協議棧，內置板載PCB天線，單電源3.3 V供電，最大的傳輸速率可達460 800 bps;Wi-Fi模塊與處理器模塊的STM32F470IGT6芯片UART接口進行電路連接，可實現管理服務平臺數據通過無線網絡上傳到服務器。以太網模塊選用有串口轉以太網模塊，以太網模塊與處理器模塊的STM32F470IGT6芯片UART接口進行電路連接，可實現管理服務平臺數據通過以太網網絡上傳到服務器。以太網模塊的工作電壓范圍為3.0～3.6V，網口規格為RJ45、10/100 Mbps、交叉直連自適應，串口波特率為600～460.8 k（bps）。

無線通信模塊負責與無線通信協調器之間的數據傳輸。LoRa無線模塊具有傳輸距離遠，速度快，功耗低，抗干擾性強的特點，同時還支持空中喚醒、無線配置、載波監聽、自動中繼、通信密鑰等功能，所以無線通信模塊選用LoRa模塊完成。無線通信LoRa模塊選用SX1278芯片為核心的無線通信LoRa模塊。SX1278芯片基于擴頻跳頻技術，在穩定性、抗干擾能力以及接收靈敏度上都超越現有的GFSK射頻模塊。同時SX1278芯片芯片工作在410～441 MHz頻段，兼容3.3 V與5 V的IO口電壓，具有低功耗、高性能、遠距離等特點，支持空中喚醒、無線配置、載波監聽、自動中繼、通信密鑰等功能，多種傳輸方式可以實現組網和中繼功能，滿足不通暢時自組網與外界通信的需求。無線通信LoRa模塊與處理器模塊的STM32F470IGT6芯片串行接口進行電路連接，通過軟件對模塊進行控制即可實現與無線協調器之間數據交互。

電源模塊主要由AC轉DC電路、穩壓電路、濾波電路等組成。其中AC轉DC電路選用AC轉DC高壓降壓芯片XD308H（即U1），市電與AC轉DC高壓降壓芯片XD308H輸入端連接，通過XD308H完成AC到DC轉換即AC 220 V降壓到DC 5 V電源。穩壓電路選用AMS1117為線性穩壓器（LDO），該芯片固定輸出電壓3.3 V，典型低壓差1.1 V。高壓降壓芯片XD308H的5v電源輸出與穩壓芯片AMS1117的輸入相連接，再經濾波電路后即可得到3.3 V直流電源。該直流電源為系統的處理器模塊、無線通信模塊、網絡模塊等提供供電電源。

管理服務平臺的電路原理圖如圖3所示。

2.1.2? 管理服務平臺軟件設計

管理服務平臺軟件程序流程如圖4所示。設備開機初始化后，首先獲取電氣火災監控終端的數據并上報服務器，然后接收來自服務器判定電氣火災監控終端線路是否正常指令，若收到終端設備異常指令，則向終端設備發送報警和切斷線路電源指令操作。若收到正常指令，則繼續重新獲取各電氣火災監控終端的數據并上報服務器。

2.2? 無線通信協調器

協調器采用ZigBee、LoRa技術方式實現終端與管理服務平臺之間數據通信。協調器一是負責收集電氣火災監控終端的數據并通過LoRa技術方式將電氣火災監控終端數據發送給管理服務平臺;二是協調器接收并轉發管理服務平臺指令給電氣火災監控終端，其中具有ZigBee功能的電氣火災監控終端，協調器采用ZigBee技術與終端進行數據通信;具有LoRa功能的電氣火災監控終端，協調器采用LoRa技術與終端進行數據通信。

2.2.1? 無線通信協調器硬件設計

無線通信協調器系統組成框圖如圖5所示，系統由處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊、撥碼開關（傳輸方式選擇）模塊等組成。

處理器模塊是無線通信協調器的核心部分，通過處理器模塊對無線通信模塊的控制即可完成終端數據與管理服務平臺之間數據交互。因為系統在良好環境終端設備采用ZigBee技術進行組網，所以處理器模塊選用CC2530芯片作為核心，該芯片是業界標準的增強型的高性能、低功耗的8051單片機，結合了2.4 GHz的RF收發器的優良性能，符合IEEE802.15.4標準且芯片集串行接口、GPIO等外設于一體，滿足了無線通信協調器的要求。

無線通信模塊負責管理服務平臺與協調器之間的數據傳輸。根據系統不同的組網方式，無線通信模塊采用不同的無線技術，其中在良好環境時，協調器與終端采用ZigBee技術（CC2530芯片+天線）方式與終端實現數據通信，通過LoRa技術與管理服務平臺實現數據通信;在復雜環境時，協調器與終端、協調器與管理服務平臺均采用LoRa技術實現數據通信。無線通信LoRa模塊選用主芯片為SX1278的無線通信LoRa模塊，模塊與處理器模塊的CC2530芯片接口完成電路連接，通過軟件對模塊進行控制實現數據通信。

電源模塊主要為處理器模塊和無線通信模塊提供電源，與管理服務器平臺系統電源電路系統，由AC轉DC電路、穩壓電路、濾波電路等組成。

撥碼開關模塊主要完成協調器組網方式選擇，若撥碼開關與VCC相連接時，協調器與電氣火災監控終端采用ZigBee方式進行通信，與管理器平臺采用LoRa方式通信。若撥碼開關與GND相連接時，協調器與電氣火災監控、協調器與管理服務平臺之間均采用LoRa方式通信。

無線通信協調器電路原理圖如圖6所示。

2.2.2? 無線通信協調器軟件設計

無線通信協調器軟件程序流程如圖7所示。設備開機初始化后，處理器先讀取撥碼開關電平數據，若讀取撥碼開關電平數據為1時，軟件則先啟動LoRa模塊與電氣火災監控終端進行數據交互，接著與管理服務平臺進行數據交互。若讀取撥碼開關電平數據為0時，軟件先啟動ZigBee方式與電氣火災監控終端進行數據交互，接著啟動LoRa模塊與管理服務平臺進行數據交互。

2.3? 電氣火災監控終端

電氣火災監控終端主要完成電氣線路的電量參數、環境溫度等數據采集和傳輸，并對電氣線路全方位的監控。一是電氣火災監控終端通過電流傳感器、溫度傳感器等進行數據的獲取;二是電氣火災監控終端將采集的數據通過無線方式發給協調器;三是接收由協調器轉發管理服務平臺的指令對電氣線路進行控制。

2.3.1? 電氣火災監控硬件設計

電氣火災監控終端組成框圖如圖8所示，由無線通信模塊、電源模塊、線路電量參數檢測模塊、溫度檢測模塊、繼電器模塊和報警器等組成。

處理器模塊是電氣火災監控終端的核心部分，模塊選用與協調器相同的處理器即CC2530芯片模塊。處理器模塊完成對線路電量參數、溫度參數等采集及數據上報到管理器服務平臺，同時對管理器服務平臺的指令進行識別并控制繼電器、報警模塊執行對應的操作。

線路電量檢測模塊要用于采集每個電源線路的電量數據，線路電量檢測模塊電路是以精密電流互感器SCT254AK、單相多功能防竊電專用計量芯片RN8209D為核心，通過處理器對RN8209D內的寄存器進行讀寫操作即可實現線路電量的采集。溫度檢測模塊用于溫度數據實時采集，以DS18B20傳感器作為核心，該傳感器與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊，測溫范圍-55 ℃～+125 ℃。模塊電路原理圖如圖9所示。

繼電器模塊以MOC3021光耦隔離驅動可控硅控制電力線的導通或關閉，根據處理器模塊接收對線路電量、溫度等異常情況指令執行切斷供電線路操作。報警模塊是采用以LED燈、蜂鳴器為核心，根據處理器對線路、溫度等異常情況時作出聲光報警，幫助快速鎖定異常點位。模塊電路原理圖如圖10所示。

無線通信模塊完成終端與協調器之間的數據傳輸，根據不同的組網方式，終端的無線通信模塊采用不同的無線技術，其中在環境良好情況時，采用CC2530芯片+天線方式實現ZigBee技術傳輸;在復雜環境是選用LoRa無線模塊實現數據的傳輸，無線通信LoRa模塊選用與管理服務平臺相同的無線通信LoRa模塊，模塊與處理器模塊的CC2530芯片接口完成電路連接，通過軟件對模塊進行控制實現數據通信。

電氣火災監控終端電源模塊電路與管理服務平臺電源模塊電路相同，旨在為各模塊電路提供穩定工作電源。

2.3.2? 電氣火災監控終端軟件設計

電氣火災監控終端軟件程序流程如圖11所示。設備開機初始化后，先讀取RN8209D芯片的寄存器獲取電氣線路電量參數、讀取DS18B20芯片獲取溫度數據，然后以無線通信將數據上報管理平臺并接收管理平臺的指令，最后對線路電量、溫度等是否出現異常情況進行判定，若判定為異常則執行斷開線路供電電源、聲光報警操作，無異常情況發生繼續重新收集數據并做是否存在異常判定操作。

2.4? 電氣火災監控系統實物

管理服務平臺實物圖如圖12所示，無線通信協調器實物圖如圖13所示，電氣火災監控終端實物如圖14所示。

3? 結? 論

本文通過物聯網、傳感器檢測、嵌入式技術完成了基于物聯網技術的電氣火災監控系統的研究與設計，該電氣火災監控系統通過采集供電線路內部的電量、溫度數據，將電氣火災監控終端采集的數據通過無線通信方式傳給管理服務器，管理服務器根據電氣火災監控終端采樣的電量等參數進行數據統計、分析，當電氣線路出現短路等異常情況時，電氣火災監控終端進行切斷線路電源的應急處理操作及報警等，防止進一步惡化。同時，用戶、安全監管部門等亦可了解用電情況及時掌握線路存在的用電安全隱患，達到事前監管，提早介入目的。基于物聯網技術的電氣火災監控系統經過三個月連續測試，功能正常且穩定可靠（丟包率小于1%），系統對預防電氣火災的發生具有現實意義。

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作者簡介：朱敦忠（1984—），男，漢族，廣西賀州人，副教授，本科，研究方向：嵌入式、智能控制技術。