淺談物聯網技術的電氣火災智能監控系統平臺設計

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為了提高電氣火災監控效果，該文設計了基于無線通信技術的電氣火災智能監控系統。根據無線通信技術設計無線通信網絡，由ZigBee主站、ZigBee從站等構成，通過剩余電流探測器與開關電壓調節器實現電氣火災剩余電流的監控、通過自適應算法實施信號濾波處理，基于模糊神經網絡設計預警算法實施電氣火災預警遙。測試結果表明，無線通信網絡的丟包率較低，信號強，整體信號測量誤差低，報警相對誤差低，報警響應時間短，施加

浪涌脈沖后運行穩定。

關鍵詞：無線通信技術；電氣火災監控；ZigBee節點；自適應算法

0引言

在建筑中，電氣設備的線路需要布設在墻體中,存在易燃隱患.還存在施工產品質量有高有低、安裝不規范等多種問題。根據相關統計數據電氣原因所引發的火災事故在各種火災事故中一直占據著很高比例,電氣火災早已成為一種令人聞之色變的事故災害。

因此對電氣火災進行監控一直是一個重點研究問題。其中在發生接地短路故障時,電流熱量不斷積聚.在引燃周圍物體后,就會造成火災網。這種方式具備隱秘性、突發性以及隨機性等特點,往往很難防范。通過電氣火災智能監控系統能夠實現更加全面的電氣火災監控,受到各行各業的推崇,成功幫助各種建筑與場所實現電氣火災的預防與預警。隨著建筑規模越來越大,現有的監控系統缺陷越來越明顯.為此本文設計了基于無線通信技術的電氣火災智能監控系統,并分析其性能。

1 基于無線通信質評的電氣火災智能監控系統設計

（1）無線通信網絡設計

無線通信網絡由 ZigBee 主站、ZigBee 從站、總線、上位機單元構成,運行流程如下:ZigBee 主站與總線相連，上位機單元向總線發送信息后,主站會收到發送的信息。而一些監控設備也與總線相連同樣會接收到發送的信息并進行處理。ZigBee 主站在收到信息后,會通過無線通信網絡向 ZigBee 從站發送信息,由從站向與從站相連的監控設備發送接收信息四。而信息的回送過程則剛好與發送過程相反。其中總線選用的是 485 總線，上位機單元中選用的上位機為 OptiPlex-2x,選用的服務器為 IPC610L 多擴展雙千兆網口上位機服務器問。在 ZigBee主站、ZigBee 從站搭建的無線通信網絡中，節點使用的 ZigBee 芯片設計具體如下:首先配置高性能的無線收發器與高性能的 CPU 內核.CPU 內核選用的是 32-bit RISC。并在芯片中植入 3 種網絡協議棧包括 JenNet,ZigBee,IEEE823.15.2。配置多種數字應用接口,包括 Comparators,DAC,12-bit ADC,PWMTimers,GPIO ,2-Wire Serial(12C),SPI,UARTs,并配置 96K的 RAM 與192K的 ROM。在 ROM 中對成熟底層協議棧進行固化.在 RAM 中對網絡協議棧進行固化。*后配置 128-bit 的 AES 加密器件與多個低成本外擴器件.包括 1個串行 FLASH、5 個電容1 個晶振問。ZigBee 芯片作為主控芯片,為節點配置其他單元,完成 ZigBee 節點的設計,具體配置如圖1 所示口。

其中供電單元通過電壓調節器為 ZigBee 芯片提供 1.8 V 電源。并設計一種 USB 供電方式為其他器件供電。在 USB 供電方式中,選用 LD1117-3.3 V芯片對 USB 的 5 V 電壓進行轉換,將其轉換為3.3 V.在射頻單元中.使用的無線射頻芯片為CC2541F256芯片上搭載的片載系統為 2.4 GHz Bluetooth。并為無線射頻芯片配置一些外部組件,包括 5 通道直接內存訪問、紅外生成電路等網。

藍牙單元使用的藍牙芯片為 BXM 芯片通過該芯片實現 ZigBee 節點之間的通信。為芯片配置接收管腳與 UART串口發送腳。24 MHz 晶振選用的是 TCXO 溫補晶振,將其接入 ZigBee 芯片中,通過3225 貼片進行封裝。在 ZigBee 協議棧中，使用的ZigBee 協議為 Z-Wave。ZigBee 主站與 ZigBee 從站均由協調器與 ZigBee 節點構成。其中協調器能夠構建無線網絡.對無線網絡的運行進行維護。并發現其他節點想要加入無線網絡的請求,具備自動組織的功能網。協調器的工作流程設計具體如下:

1)對 ZigBee 芯片與外設進行初始化處理.

2)對 ZigBee 協議棧進行初始化處理:

3)構建 ZigBee 網絡:

4)對缺省參數進行配置:

5)監聽 ZigBee 網絡,在 ZigBee 網絡中接收數據并對數據包進行解析:

6)將數據封裝為串口數據包,通過總線向上位機發送數據;

7)在監聽 ZigBee 網絡的同時對總線進行監聽.在總線中接收數據并對數據包進行解析:

8)將數封裝為 ZigBee 數據包，通過 ZigBee 網絡向 ZigBee 從站發送數據。

（2） 監控模塊設計

在監控模塊中.通過剩余電流探測器與開關電壓調節器實現電氣火災剩余電流的監控。其中剩余電流探測器能夠實現自檢、DI 消防、按鍵切換、聲光報警、液晶顯示以及剩余電流報警功能l10。剩余電流探測器的設計具體如下:設計了一種控制芯片,能夠實現外部信號采集、實時數據顯示、信號轉換以及開關狀態顯示等功能”。芯片的設計具體如下:配置多個中斷源.通過中斷的方式將芯片切換至低功耗運行模式。配置 16 位精簡指令集,使芯片具有多樣化的尋址方式與更加靈活的程序編寫方式。通過多個寄存器開展運算處理,具體包括功能選擇寄存器、輸人寄存器、方向寄存器、輸出寄存器。通過8 MHz 晶體進行驅動.使芯片達到 125 ns 的指令周期。為芯片配置以下片內外設:2k的 BRAM、60 k的BFLASHROM、多個 I/0 端口、硬件雙串口 USARTI與 USARTO 以及看門狗電路。在剩余電流采集電路中,通過電壓傳感器進行剩余電流的測量,選擇的電壓傳感器為毫安級別精密度的電壓傳感器。剩余電流采集電路的電路設計如圖 2 所示。選用的液晶顯示模塊為 AMPIRE12864。將AMPIRE12864 接入到控制芯片中.實現參數查詢界面、DIDO 狀態、報警動作值、剩余電流實時值的顯示。

（3）信號數據處理模塊設計

在電流信號數據處理模塊中使用的信號濾波處理算法是自適應算法,具體處理步驟如下:

1)y(a)表示時間b某點處的一組信號其中包含著N個信號.具體描述為

2)信號y(a)的權值為

3）過自適應線性模型獲取輸出信號?(a)，?(a)可以通過輸入向量及其對應權向量來表示，具體如下式:

式中:

是第j個輸出的輸人向量對應的權向量;

是第j個輸出的輸入向量;I是N中的一個正整數。

4）c(a)表示期望信號,d(a)表示誤差信號，則誤差信號為:

5)將均方差函數作為誤差準則.即:

6)根據均方差函數對原始信號實施濾波處理,也就是當 y *小時,對*佳權系數 B" 進行求解求解結果為*小均方誤差點,濾除誤差大于求解結果的信號。其中*佳權系數求解公式為

就此完成各種信號的濾波處理。

（4）火災預警模塊設計

在火災預警模塊中,基于模糊神經網絡設計電氣火災預警算法.實施電氣火災預警。預警流程如下:

(1)通過 MATLAB 軟件構建糊神經網絡火災預警模型.模型為三層結構。

其中輸入層中共有 4 個節點分別為工作電流信號、電流電壓信號、線路溫度信號、線路剩余電流信號;隱含層中共設置 6 個節點,節點數目由式(7)決定,而輸出層中共有 3 個節點,分別為明火概率陰燃概率以及無火概率。

(2)通過 newff()函數實施模糊神經網絡的初始化處理。

(3)選擇樣本對模型進行訓練、學習.通過sim()函數對完成訓練的模糊神經網絡實施仿真:

(4)通過仿真網絡實施電氣火災預警。

2 系統性能測試與分析

（1）數據采集與處理

對于基于無線通信技術的電氣火災智能監控系統,在搭建的無線通信網絡下對其進行多方面的性能測試。測試在某建筑中展開.實驗建筑是一個大型建筑,建筑中的電氣設備很多,分布在建筑的各層各處.急需開展電氣火災智能監控。首先在實驗建筑中搭建設計的無線通信網絡。在搭建的無線通信網絡下采集實驗建筑一段時間的剩余電流信號、工作電壓信號、工作電流信號以及電氣線路溫度信號作為實驗數據。

采集的信號信息如下.剩余電流信號范圍:0.23~0.87 mA.數據量:1.5 GB:電流電壓信號范圍:135210 V.數據量:2.6 GB:工作電流信號:105~189 A數據量:2.3 GB:電氣線路溫度信號:15.28~41.20 C.數據量:1.2 GB

對采集的各種信號進行濾波處理,處理后信號的數據量信息如下:剩余電流信號數據量:1.3 GB電流電壓信號數據量:2.5 GB:工作電流信號數據量:2.0 GB:電氣線路溫度信號數據量:1.1 GB。

（2）模型訓練

對于處理后的信號數據,將其中的三分之二作為模型訓練樣本,剩余作為模型預測樣本。在訓練時,模糊神經網絡的訓練參數設置情況如下:訓練中*小梯度值.20-1:訓練時間:無窮大:訓練目標誤差:0.001:訓練結果的間隔步長:30:訓練步數2000。

根據模型訓練結果實施實驗建筑電氣火災預警,實現實驗建筑的電氣火災實時監控。

（3）測試結果與分析

1）信號穩定性測試

對于設計系統,首先對其無線通信網絡的信號穩定性進行測試,具體測試項目包括信號強度、丟包率。其中丟包率的測試需要使用 ATKKPING 軟件，信號強度的測試需要使用頻譜儀。測試結果如表 1所示。表 1 的信號穩定性測試結果表明.搭建的無線通信網絡的丟包率較低，信號強度均大于 75 dbm.說明該無線通信網絡的信號穩定性較強。

2）信號檢測精度測試

接著測試設計系統的數據檢測精度。分別對剩余電流信號、工作電壓信號、工作電流信號以及電氣線路溫度信號的測量誤差進行測試。測試結果如圖 3 所示。圖 3 的測試結果表明,剩余電流信號、工作電壓信號、工作電流信號以及電氣線路溫度信號的*高測量誤差分別為 0.178%,0.69%、0.49%0.95%.證明設計系統的整體信號測量誤差較低。

（4）報警功能測試

對設計系統的報警功能進行測試,在多次電氣火災預警中,觀察測試系統的報警相對誤差以 及報警響應時間,測試結果如圖 4 所示。圖 4 的測試結果表明.設計系統的報警相對誤差較低.*低僅為 0.032%.同時系統的報警響應時間較快,低于500 ms。

（5） 運行穩定性測試對設計系統實施浪涌抗擾度試驗,多次對設計系統施加浪涌脈沖.每次脈沖的間隔時間為 1 min.觀察設計系統的運行情況。測試結果如圖 5 所示。

圖 5 的運行穩定性測試結果表明.在 3 次施加浪涌脈沖后.設計系統的運行仍然非常穩定。

3安科瑞電氣火災監控系統

（1）概述

Acre1-6000電氣火災監控系統，是根據國家現行規范標準由安科瑞電氣股份有限公司研發的全數字化獨立運行的系統，已通過國家消防電子產品質量監督檢驗中心的消防電子產品試驗認證，并且均通過嚴格的EMC電磁兼容試驗，保證了該系列產品在低壓配電系統中的安全正常運行，現均已批量生產并在全國得到廣泛地應用。該系統通過對剩余電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與監視，實現對電氣火災的早期預防和報警，當必要時還能聯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;并根據用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業微電網管理云平臺或火災自動報警系統等進行數據交換和共享。

（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、國家重點消防單位以及石油化工、文教衛生、金融、電信等領域。

（3）系統結構

（4）系統功能

監控設備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報警時發出聲、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：當監控設備與所接的任一臺探測器之間發生通訊故障或探測器本身發生故障時，監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，并發出故障報警聲音。電源故障報警：當主電源或備用電源發生故障時，監控設備也發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據庫中，當報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。歷史數據提供多種便捷、快速的查詢方法。

審核編輯 黃宇