無(wú)線通信技術(shù)下電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

鄧?yán)^昌

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著城市化建設(shè)的快速發(fā)展，城市居民用電量大幅增加，各類智能家居設(shè)備的廣泛應(yīng)用導(dǎo)致電力線路的負(fù)載增大。為貫徹落實(shí)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2014）要求，全面保障城市居民用電和人身安全，須進(jìn)一步完善與升級(jí)建筑內(nèi)部電氣火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，強(qiáng)化無(wú)線通信、物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)距離無(wú)線電（Long Range Radio，LoRa）通信等新技術(shù)應(yīng)用。因此，文章分析與研究無(wú)線通信技術(shù)下的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以期為助力火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)智能化發(fā)展提供參考與借鑒。

1 無(wú)線通信技術(shù)下電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 無(wú)線通信

利用無(wú)線通信技術(shù)，可以保障不同區(qū)域下的無(wú)線通信設(shè)備和終端進(jìn)行正常通信，降低火情探測(cè)設(shè)備的部署難度，同時(shí)省去預(yù)留線路管道的成本，可以更好地在老舊建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)搭建電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 終端數(shù)據(jù)采集功能

電氣設(shè)備異?；蚬收陷^大概率引發(fā)電氣火災(zāi)，因此可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電氣數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控電氣火災(zāi)的效果。一般情況下，導(dǎo)致電氣火災(zāi)發(fā)生的主要原因是剩余電流或溫度的數(shù)據(jù)超出正常閾值，同時(shí)包括配電箱、電源箱等結(jié)構(gòu)被人為損壞，導(dǎo)致其中線路出現(xiàn)異常情況。通過(guò)電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)剩余電流、溫度等數(shù)據(jù)，也可以監(jiān)控電柜門、配電箱等位置的情況，當(dāng)出現(xiàn)異常情況后會(huì)及時(shí)將具體情況發(fā)送至管理人員手機(jī)、計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備。

1.3 網(wǎng)絡(luò)化

以網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為核心，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等信息化、數(shù)字化技術(shù)組建的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效聯(lián)動(dòng)范圍內(nèi)的所有終端設(shè)備，將其運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)情況等上傳至人機(jī)交互界面，為相關(guān)管理人員提供清晰、便捷、完整的檢查方式，從而更好地開(kāi)展集中統(tǒng)一管理及維護(hù)工作。同時(shí)，可以利用適當(dāng)?shù)臒o(wú)線通信技術(shù)擴(kuò)大監(jiān)控范圍，基于云平臺(tái)回收各終端檢測(cè)器所采集的數(shù)據(jù)信息并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）端操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作等效果。與傳統(tǒng)的電氣火災(zāi)監(jiān)控相比，電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍巨大，且可以有效節(jié)約物料成本與人力成本[1]。

2 基于無(wú)線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

在電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面應(yīng)當(dāng)具備或滿足以下幾方面功能和需求。一是系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)具有多樣化的終端檢測(cè)器，如氣味檢測(cè)器、濕度檢測(cè)器、溫度檢測(cè)器等，確保檢測(cè)器能夠及時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息并發(fā)送至系統(tǒng)應(yīng)用層，為管理人員提供相應(yīng)數(shù)據(jù)信息。二是以電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的智能火災(zāi)探測(cè)方法，避免出現(xiàn)應(yīng)用傳統(tǒng)、老舊的火災(zāi)探測(cè)方法的情況。三是檢查設(shè)置的終端檢測(cè)器、報(bào)警設(shè)備的靈敏度，一般情況下溫感檢測(cè)器的閾值設(shè)置在57 ℃即可，最高不超過(guò)160 ℃。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行效果，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置精準(zhǔn)的閾值自動(dòng)歸正裝置。四是確保電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)的長(zhǎng)效穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，以此為被監(jiān)控環(huán)境提供可靠保障。同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)下的各類防火設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備應(yīng)當(dāng)保持強(qiáng)聯(lián)動(dòng)性，當(dāng)其中某環(huán)出現(xiàn)異常后應(yīng)及時(shí)帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)并做出相應(yīng)操作。五是為增強(qiáng)該監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋范圍以及有效性，應(yīng)確保同類監(jiān)控報(bào)警設(shè)備之間共享采集信號(hào)，當(dāng)某區(qū)域出現(xiàn)火情后可以及時(shí)通報(bào)火情所在區(qū)域及相鄰區(qū)域內(nèi)的人群，從而使其第一時(shí)間做好相應(yīng)準(zhǔn)備。六是為提高電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)的可操作性與操作便捷性，在設(shè)計(jì)其應(yīng)用層界面時(shí)需保證整體干凈、簡(jiǎn)潔，考慮操作人員之間的綜合素質(zhì)、專業(yè)能力等存在差異，應(yīng)當(dāng)盡可能簡(jiǎn)化操作步驟，保證操作人員能夠在短時(shí)間內(nèi)操作監(jiān)控系統(tǒng)，并減少其出現(xiàn)失誤的概率。以這些功能、需求為先導(dǎo)，科學(xué)架構(gòu)電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)中的報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)程感知檢測(cè)器會(huì)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控、采集室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，如溫度、濕度和光煙等，若檢測(cè)器所采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則直接將異常信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子數(shù)據(jù)并發(fā)送至監(jiān)控系統(tǒng)、管理員移動(dòng)設(shè)備、報(bào)警設(shè)備，圖1 中的火災(zāi)報(bào)警控制器會(huì)同步開(kāi)啟報(bào)警裝置，大規(guī)模播放報(bào)警信號(hào)告知環(huán)境內(nèi)所有人員撤出危險(xiǎn)區(qū)域。滅火設(shè)備、防火設(shè)備等也會(huì)在控制器的控制作用下自動(dòng)運(yùn)行，從而有效阻止火情蔓延，為人們提供更多的逃生時(shí)間。當(dāng)火情被有效控制后，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)化復(fù)位所有設(shè)備狀態(tài)并持續(xù)監(jiān)控環(huán)境情況[2]。

2.2 系統(tǒng)模塊功能

基于無(wú)線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊主要包含火災(zāi)探測(cè)模塊、LoRa 無(wú)線通信模塊和監(jiān)控主機(jī)模塊，其各模塊功能如下。

2.2.1 火災(zāi)探測(cè)模塊

火災(zāi)探測(cè)模塊主要由無(wú)線通信設(shè)備、無(wú)線感煙檢測(cè)器和煙霧傳感器模塊組成。煙霧傳感器的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境內(nèi)的煙霧濃度，當(dāng)濃度達(dá)到閾值或超出閾值時(shí)，會(huì)聯(lián)動(dòng)無(wú)線感煙檢測(cè)器、電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)并做出相應(yīng)操作，如報(bào)警、將具體情況發(fā)送至管理員等。利用無(wú)線通信設(shè)備可以第一時(shí)間將無(wú)線感煙檢測(cè)器所采集的數(shù)據(jù)信息傳輸至主控系統(tǒng)[3]。

火災(zāi)探測(cè)模塊具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 火災(zāi)探測(cè)模塊具體結(jié)構(gòu)

2.2.2 LoRa 無(wú)線通信模塊

LoRa 無(wú)線通信模塊主要由匹配電路、信號(hào)發(fā)射電路、信號(hào)接收電路以及射頻芯片構(gòu)成，作用是解調(diào)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)。無(wú)線通信模塊在運(yùn)行期間不僅需要實(shí)時(shí)接受網(wǎng)關(guān)信號(hào)并將其發(fā)送至主控芯片，還要將解調(diào)后的射頻信號(hào)傳輸至各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)。射頻芯片可以選用SX1278芯片，其中包括電源、射頻輸出輸入、數(shù)字通信等引腳。為避免無(wú)線信號(hào)在傳輸期間出現(xiàn)丟失情況，應(yīng)當(dāng)設(shè)置合適的射頻信號(hào)阻抗。

2.2.3 監(jiān)控主機(jī)模塊

電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控主機(jī)模塊的主要作用有監(jiān)控、控制、通信等，其承擔(dān)處理數(shù)據(jù)信息的工作。監(jiān)控主機(jī)模塊內(nèi)置RS-232、以太網(wǎng)等接口，以便于若干主機(jī)聯(lián)網(wǎng)。監(jiān)控主機(jī)主要包含報(bào)警按鍵、復(fù)位按鍵、電源電路、主控芯片及接口電路等。主控芯片通過(guò)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）接口連接至SX1278 射頻芯片，而后利用LoRa無(wú)線通信模塊連接無(wú)線感煙檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的雙向互通效果，并利用無(wú)線通信電路將收集的數(shù)據(jù)信息上傳至主機(jī)設(shè)備[4]。

3 基于無(wú)線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分主要圍繞數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)采集2 方面設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)接收、采集2 個(gè)程序均包含接收數(shù)據(jù)流程、發(fā)送數(shù)據(jù)流程以及程序初始化機(jī)制等。其中，程序初始化機(jī)制會(huì)根據(jù)指令初始化處理系統(tǒng)中射頻芯片等內(nèi)部數(shù)據(jù)，而后基于構(gòu)建的數(shù)據(jù)包利用單片機(jī)流程傳送至射頻芯片中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出效果。接收數(shù)據(jù)流程部分是整合所采集的數(shù)據(jù)信息并按指令做出相應(yīng)處理。采集端的流程如圖3 所示、接收端的流程如圖4 所示。

圖3 采集端的流程

圖4 接收端的流程

4 計(jì)算機(jī)仿真模擬測(cè)試

為測(cè)試電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的有效性與合理性，用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景模擬測(cè)試。利用計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境搭建火災(zāi)場(chǎng)景，將環(huán)境內(nèi)的無(wú)線溫感器的正常恒定溫度設(shè)置在40 ℃并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，檢測(cè)電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)1）的靈敏度，并引入基于手機(jī)客戶端的智能家居報(bào)警系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)2）和變電站弧光煙霧智能檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)3）進(jìn)行測(cè)試對(duì)比?；馂?zāi)報(bào)警溫度為75 ℃、報(bào)警器最大承受溫度為200 ℃。為保證實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的真實(shí)性，實(shí)驗(yàn)中對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行隨機(jī)細(xì)微調(diào)整，溫感器測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 溫感器測(cè)試結(jié)果

表1 中，系統(tǒng)1 顯示值與實(shí)際環(huán)境溫度之間的差異為0.4 ～1 ℃，系統(tǒng)2 顯示值與實(shí)際環(huán)境溫度之間的差異為0.6 ～2.1 ℃，系統(tǒng)3 顯示值與實(shí)際環(huán)境溫度之間的差異為0.8 ～3.3 ℃。結(jié)果對(duì)比表明，系統(tǒng)1 即電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)顯示值與實(shí)際環(huán)境溫度之間的差異最小，這表明系統(tǒng)1 具備更高的環(huán)境溫度檢測(cè)靈敏性，且溫感器測(cè)試結(jié)果更為精準(zhǔn)[5]。

5 結(jié) 論

智能化是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。文章結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及LoRa 通信技術(shù)構(gòu)建的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)煙霧檢測(cè)不靈敏問(wèn)題，且更容易部署和操作。但是，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與實(shí)際應(yīng)用推廣，仍需要進(jìn)行實(shí)景測(cè)試分析，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不足，制定合理的優(yōu)化對(duì)策。