城市綜合管廊火災監測與報警系統設計研究

劉 釩 陳偉利

（吉林建筑大學電氣與計算機學院）

0 引言

綜合管廊全稱地下城市管道綜合走廊，即在城市地下建造一個隧道空間，將給水、電力、熱力、通訊等各類工程管線集于一體，地上附著物為出裝口及通風口等設備，是保障現代化城市安全運行的重要基礎設施[1]。隨著我國經濟的高速發展，城市化進程也在不斷地加快，與之配套的基礎設施建設卻相對滯后，為了統籌各類市政管線規劃、建設和管理，解決反復開挖路面、架空線網密集、管線事故頻發等問題，保障城市安全、完善城市功能、美化城市景觀，提高城市綜合承載能力和城鎮化發展質量，綜合管廊的建設近年來得到了飛速發展。由于綜合管廊深埋地下，各類管線復雜交錯，一旦出現火災事故，則必然對社會以及經濟秩序的發展造成嚴重影響，甚至造成人員傷亡，因此對于綜合管廊內的火災監測與報警系統的設計研究具有重要的現實意義。

1 系統總體設計方案

該系統設計以實現城市綜合管廊火災監測與報警為目標，對城市綜合管廊內的消防安全進行管控設計。該設計主要包括系統硬件設計、CAN 網絡的組建以及上位機軟件設計，系統總體架構圖如圖1 所示。該系統終端（管廊內各防火分區）配有多種類型的采集模塊以實現融合監測，這些采集模塊與ESP-12F 單片機相連，ESP-12F 通過自身搭載的ESP8266模塊與上一層的區域子控制器（GD32 處理器搭載ESP01WiFi 模塊）相連，區域子處理器使用CAN 總線技術與本地服務器連接，本地服務器進行數據處理后通過互聯網發送至云平臺。監測人員可以通過手機、電腦等設備實時查看、處理相關數據[2]。

圖1 系統總體架構圖

2 系統硬件設計

該系統的硬件設計主要包括終端采集模塊以及區域子控制器的設計。終端采集模塊控制器的中控芯片選擇的是I/O 口較多、類型豐富的ESP-12F 單片機，它擁有兩個全雙工的串行通信接口，可以與WiFi 模塊間進行數據的交換傳輸，能充分滿足組網的要求。ESP-12F 單片機連接感溫模塊、感煙模塊，以便實時將相關信息傳送出去。感煙模塊選擇的是能耗較低的MQ2 感煙模塊，具有探測范圍廣、靈敏度高、穩定性好、壽命長等優點。感溫模塊采用的是DS18B20 數字溫度傳感器，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高的優點。所有探測器均根據GB50116—2013《火災報警系統設計規范》以及GB50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》中的要求進行敷設。

區域子控制器在該系統中起到承上啟下的作用，它的核心選用了實用性強、價格低廉的國產GD32F103CBT6 單片機。電路部分主要包括電源電路、濾波電路、復位電路以及ESP01 電路等子電路。區域子控制器與管廊內各防火分區的終端采集模塊建立通信，完成數據傳輸后通過CAN 總線將數據上傳到本地服務器。

3 CAN 網絡的組建

完成該系統設計的關鍵是解決系統內部間的數據傳輸問題，該設計主要是針對城市綜合管廊的火災監測與報警而提出，因此設計時要充分考慮到管廊內的復雜情況。例如某些綜合管廊的跨度很大，是否會影響通信的穩定性。而CAN 總線[3]的最大通信距離能夠達到10km，足以滿足大部分管廊的通信問題。因此選擇利用CAN 總線解決通信問題。CAN 總線又叫控制器局域網總線，是一種用于實時應用的串行通訊協議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應用最廣泛的現場總線之一。由于管廊覆蓋面積廣，所以需要布置大量的區域子控制器，而CAN 總線上的最大節點數可達110 個，能充分滿足大量區域子控制器的數據傳輸。

在區域子控制器設計了CAN 總線通信[4]電路來實現它與本地服務器之間的通信。通信電路的核心是TJA1050，TJA1050 是一款高速CAN 信號收發器，可將單片機信號轉換為CAN 總線收發器所需的CAN 電平。收發器共有8 個引腳，引腳示意圖如圖2 所示。

圖2 TJA1050 芯片管腳示意圖

4 上位機軟件設計

4.1 軟件總體設計

該設計使用了Visual Studio 2022 作為上位機軟件的開發環境，它是目前最流行的Windows 平臺應用程序的集成開發環境，也是開發人員常用的開發工具之一。上位機軟件是基于.NET Framework 4.7.2 框架開發的Window 窗體應用程序，編譯語言使用的是C#面向對象的編譯語言。USB-CAN 的接口卡選的是北京愛泰公司的產品，型號為USBCAN-I+，因此需要安裝北京愛泰公司USBCAN 驅動才能使用它。上位機程序通過調用北京愛泰公司提供的usbcan.dll 動態鏈接庫文件，便可以實現對USBCAN-I+的開啟、關閉，讀取和發送CAN 數據等功能，實現上位機軟件到控制器硬件之間的數據通信。同時上位機程序利用數據庫提供的動態鏈接庫MySql.Data.dll 進行操作，實現了上位機軟件連接阿里云數據庫，對阿里云數據庫進行增刪查改等操作，完成本地主機和阿里云平臺之間的數據傳輸交換。上位機界面和接收數據流程圖如圖3 所示。

打開軟件運行程序后，首先會進入初始化環節，進行USBCAN 設備的檢測，當檢測到設備后，開啟設備并獲取設備參數，沒有檢測到設備時，需要等待設備連接，連接后點擊連接按鍵開啟設備讀取參數，緊接著開啟接收數據中斷，程序正常運行。程序從USBCAN 設備讀取數據并將數據傳送至阿里云數據庫。軟件接收數據流程圖如圖4 所示。首先程序會定時查詢USBCAN 設備有無數據傳來，直到檢測到數據，進行數據接收、處理數據，上位機軟件顯示數據，同時將數據通過編寫C#命令發送至阿里云數據庫。

圖4 軟件接收數據流程圖

4.2 三邊測量定位算法

綜合管廊深埋地下，內部空間狹小且情況復雜，難免會發生各類故障問題，因此管廊內部經常有維修人員或運維員工的出入，當發生火災時，首先要保障人員的生命安全，因此提出使用三邊測量定位算法來確定人員位置進而實施救援。利用ESP8266 模塊作為節點，用于測得節點與管廊內人員的距離。因為使用的是三邊測量定位算法，所以需要三個節點與人員之間的距離信息[5]。具體測量方法：假設測得三個節點與人員的位置信息，三個節點位置分別為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），被困人員距離節點的距離分別為R1、R2、R3，代入方程組：

求解方程組解得的（xm，ym）為m時刻人員所在位置的二維坐標，隨著不斷的采集，信息的不斷完善，控制室便可根據人員的位置信息的移動，繪出人員的移動軌跡，從而確定人員的精確位置，保障被困人員的生命安全。

5 結束語

城市綜合管廊是城市基礎設施的重要組成部分，綜合管廊的火災監測與報警的重要性不言而喻，管廊中任何一個分段發生事故都可能造成部分城市發生功能性癱瘓，甚至威脅到人們的生命安全[6]。本文設計的城市綜合管廊火災監測與報警系統，充分利用嵌入式技術，通過各個傳感器節點對管廊內部實時情況的上傳、匯總，實現了運維人員對整個管廊的監控與管理。通過對該系統的軟件與硬件的仿真、調試，驗證了該系統的可行性，達到火災監控與報警的目的。