浅谈无线网络技术的电气火灾监控系统

 

未晓妃

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：电气火灾系统的良好应用能够显著降低建筑物内部出现电气火灾的现象，同时能够切实保证建筑物的安全和质量。随着我国相关技术的发展和进步，越来越多复杂的电气技术和设备应用在建筑内部的电路中，增加了出现电气火灾的概率，对建筑物发挥积极作用以及建筑物使用者的安全造成了极为消极的影响。而应用LoRa无线通信技术应用在电气火灾监控系统中能够显著降低电气火灾的出现概率，实现预防电气火灾的目标。该无线通信技术的应用传输距离较远，穿墙的效果较好，同时因为功耗较低所以能够被高质量的应用在电气火灾监控系统中。因此主要从电气火灾系统的构成以及原理和内部硬件软件设计进行入手，进而阐释电气火灾监控系统的设计措施。

关键词：LoRa；无线通信技术；电气火灾监控系统

一、前言

   随着我国科学技术的发展进步，建筑物内部的电气线路越来越复杂，同时电气线路中的设备复杂程度也在显著增加，一方面这种复杂的电气线路带给居民生活以及生产的便利条件，另一方面这种复杂的电气线路也明显增加了出现电气火灾的概率。因此电气火灾监控系统的应用十分重要，电气火灾监控系统能够监控电气线路中运行的温度、漏电现象以及漏电流的大小，进而对可能会出现火灾的部分进行预警。在传统的电气火灾监控系统中应用的通信技术多数是 CAN 总线式传输，这种通信技术在现阶段复杂电气电路的背景下存在布线困难、建设成本大以及硬件工作质量有限的问题。因此在后续研发电气火灾监控系统的过程中，应该重视无线通信技术以及通信距离的要求，通过这种方式来提高电气火灾监控系统的运行质量，降低电气火灾的出现概率。

二、电气火灾监控系统的构成以及原理

    基于 LoRa 无线通信技术的电气火灾监控系统主要是由温度传感器、漏电电流传感器、电气火灾探测器、无线传输系统以及监控主系统构成。该电气火灾系统的主要应用原理就是如果电气线路内部出现了短路或者漏电的现象，电气火灾探测器能够通过温度传感器以及电流传感器对线路中出现的温度以及漏电电流数据进行采集。数据经过处理之后传递给电气火灾监控主系统，如果线路的温度或者是漏电电流超过系统预设的预警阈值，那么探测器中的主控芯片能够将报警信息传递给主控系统，并且实时显示报警值。在设计电气火灾监控系统的过程中，应该在探测器内部和监控主系统中放置良好的无线发射芯片，这样探测器也能通过 LoRa 无线通信技术将报警信息传递给值班人员，并且清晰显示预警位置和数据，从而为值班人员落实良好的控制措施奠定坚实基础。此外，在我国信息技术和互联网技术的发展背景下，能够将大数据技术以及智能控制设备应用在电气火灾监测系统中，通过大数据技术的应用能够对经常出现超过预警阈值的部分进行数据收集和综合分析，这样值班人员能够通过数据分析来对设备运行的寿命和质量进行综合考量，对于不满足监控要求的设备进行及时的更换和维修，既能够提高电气火灾监控系统的运行质量，同时也能够有*降低电气火灾的出现概率。将智能设备应用在电气火灾监控系统中，能有*保证对出现的数据异常进行智能化处理，从而切实提高电气火灾监控系统的应用质量和价值。

三、电气火灾监控系统内部硬件设计措施

（1）微控制单元

    在对电气火灾监控系统进行硬件设计的过程中，主要的内容包括微控制单元、信号采集通路、通信接口以及无线通信电路，这些硬件设备设计的主要目标就是保证数据信号能够被准确的采集，及时的传递给电气火灾监控的主系统，以此降低电气火灾出现的概率和电气火灾出现后对生产和生活造成的消极影响。在设计电气火灾监控系统的微控制单元时，主要选择的是基于ARMCortex-M 内核的 32 位微控制器，其内部的系统储存器规格是 64KB，具有的优势是高速运行内存，能够实现快速传递数据信息的目标，同时还能够存储一定的预警信息。该芯片工作的电压是 2～6V，能够在 85℃以下进行工作，因此这种芯片对工作环境的要求较低、功耗小、运算速度快，同时因为其结构简单所以芯片的稳定性较高。设计人员能够使用这种微控制单元来按照实际生活和工作的需求设置不同的控制模式，进而满足探测电气火灾监控系统多样化工作的要求。但是这种微控制单元的应用也有一定的缺点，那就是不能够实现数据的长时间保存，因此在使用这种微控制单元进行数据收集和传输的过程中，技术人员能够在微控制单元周围设置一定的信息储存单元，这样能够更好地发挥数据异常监控和电气火灾监控系统运行的积极作用。在设置的信息存储单元中，应该设置定期清理数据的工作模式，这样能有*延长信息存储单元的使用寿命，通常设置三个月或者半年清理即可。

（2）信号采集电路

    信号采集电路主要内容有信号采样回路、预算放大器、基准电源、电压跟随器以及信号滤波电路等。不同的电路工作模式和工作目标都是不同的。例如测温采样回路电路的主要工作模式就是能够通过电路设计来对内部线路的运行温度进行测量，通过这种方式来将相关温度数据传递给微控制单元，进而提高微控制单元对温度的控制和预警力度。而电流传感器主要的工作模式是对出现短路或者是漏电电流的大小进行及时监测，将监测的数据传递给信号采集电路，进而将异常数据快速传递给主控制单元，实现及时的预警目标。具体的工作模式就是通过分压电阻、开关管和温度传感器先形成采样回路，然后电压跟随器落实缓冲级以及隔离级，这样一方面能够实现高输入电阻、低输出电阻的目标，同时能够让前后级之间的电路互不影响，同时还能够降低采集温度信号的电压干扰力度，对保证温度信号采集和传递的准确性具有积极影响。在采集数据的过程中微控制单元通过控制开关管导通，在温度传感器上产生的电压信号直接进入滤波电路，经过降低干扰以及放大之后将信号接入微控制单元进行数据处理，实现对温度的充分监控。信号采集电路的工作原理就是在将信息技术进行收集之后，结合预定的工作模式对数据进行筛选，对于异常数据使用放大方式来进行传输，同时在传输的过程中要降低其他外界因素对放大信号的干扰，保证微控制单元接收到数据信息的准确性和可靠性。这样能充分发挥数据的应用优势，同时还能降低数据在采集过程中占用的计算空间，提高微控制单元的控制质量和效率。除了应用测温式电气火灾监控探测器，在设计系统的过程中，技术人员还能够使用电弧式电子火灾监控探测器。使用这种探测器能够避免电弧能*导致的可燃物火灾出现，对于电弧进行的监控。在使用该探测器的过程中，技术人员能够将这种探测器配备在配电线路的末端，这样能有*提高电弧出现的监测，从而降低火灾事故的出现概率，对电弧的出现进行监控。目前来看，我国现有的电弧式电气火灾探测器应用质量和水平较低，不能充分满足多数建筑物的火灾预防要求。因此选择电弧式电气火灾探测器时能够引进的检测方法和探测器，通过这种方式来提高电弧检测的质量，强化辅助监控，进而保证电弧式电气火灾监控探测器能够有*运行。

（3）通信接口

    经过微控制单元处理之后的数据信息会通过通信接口传递给无线通信设备进行数据传输，在设计通信接口的过程中应该注意设计无线通信设备和微控制单元之间的连接，注意设计匹配阻抗功能的设计，这样能够有*减少和消*数据信息在传输过程中出现的信号反射。例如引脚能够设置为复位引脚，通过这种方式来初始化参数，保证低电平有*。同时要设置良好的同步串行接口，这样能够充分保证无线通信设备和微控制单元之间的数据传输质量和效率。在对通信接口进行设计的过程中，主要是由片式电阻阵列以及无线通信和控制单元之间的连接部分组成。因此通信接口的应用不仅仅是进行数据的传输，同时还具有消*外界影响因素对数据不良影响的作用。片式电阻阵列的使用能够有*减少高频信号反射，同时能够降低传输数据的失真，较好地实现微控制单元和无线通信电路之间数据传输的目标。

（4）无线通信

   电路无线通信电路的设计能够分为发射电路和接收电路两种。在电气火灾监控系统的设计中，电气火灾探测器和监控主系统之间的通信使用基于 LoRa 的无线数据传输技术。相较于有线通信电路，无线通信电路对数据传输的性要求更高，因为无线数据传输过程中受到不良因素影响的程度较大，一旦在数据传输中出现消极影响，既有可能会导致值班人员对设备工作状态进行误判，*终增加电气火灾的出现概率，同时对值班人员的工作质量也会起到不良影响。在选择数据收发器时应该重视集成度、低功耗以及多频段，这样既能够实现超远距离的通信目标，同时也能够降低通信过程中受到的外来干扰，从而保证数据传输的质量和效率。其中晶振电路能够为系统提供时间信号，通过双重匹配回路的形式来组成收发电路，进而切实提高无线通信抗干扰能力以及稳定可靠性。在发射电路进行设计的过程中，数据要经过滤波处理从而实现降低外部高频信号对数据传输干扰的目标，降低信噪比。C28 和 L8 形成了串联谐振电路，而另外的电阻形成两组并联谐振电路，所以在信息传递和传输的过程中能够根据不同的通信频率来调整内部电子元件的参数，这样能够保证数据发送实现*佳状态。在对接收电路进行设计的过程中，应该重视对通信频率外信号的过滤功能设计，在工作的过程中将输入端的无线信号转化为声信号在介质表面进行传输，而输出端能够通过将这种声信号转换为无线信号进行接收和传递。在设计过程中能够使用 SX1278 发射芯片，这种发射芯片的优点是集成度高、功耗低、频段多，既能够实现远距离的户数传输任务，同时抗干扰的能力又比较强，能够使用多种不同频段进行数据传输。此外这种发射芯片的灵敏度较高，能够满足绝大多数电气火灾监控系统运行和数据传输的要求。在使用这种芯片的过程中，应该重视芯片的配套设备应用，保证芯片的供电稳定，从而保证芯片能够在实际运行的过程中充分发挥积极作用，提高数据传输的抗干扰能力和稳定性。

四、电气火灾监控系统内部软件设计措施

（1）数据采集软件设计

    数据采集软件的设计目标就是实现硬件设备对数据的采集，现阶段能够应用在数据采集软件设计中的程序语言相对较多，例如 C 语言、Java 语言和爬虫语言，通常情况下使用 C 语言能够更好的满足电气火灾监控系统软件设计的相关要求。在电气火灾监控系统运行的过程中，数据采集软件能够影响的设备主要有温度传感器、电流传感器以及电气火灾探测器，通过传感器来对相关数据和信号进行充分的采集，同时数据采集软件应该具有良好的数据存储功能。在通电之后，软件应该先进行初始化操作，将相关数据和参数调整到*佳的数据采集状态，比如微型控制单元的工作复位以及探测器的工作复位，同时对屏幕进行清屏操作。在初始化完成之后针对各种传感器发送启动命令，在传感器将相关数据进行采集之后和探测器内部设定的预警数值进行比对，如果没有超过相关阈值，那么重复采集数据和比对的工作，如果超过阈值，应该进行报警并且显示当时的数值，将相关数据进行上传。在数据上传的过程中，能够在数据上传时使用数据捆绑的形式进行发送，这样能显著减低数据的传输量，同时对接受和使用数据具有十分积极的意义。在整体软件设计的过程中，应该保证软件能够对监测到的电流信息准确性。除了能够从硬件设施角度入手，技术人员还能够在软件层面设置数据检测，在对同一时间发送过来的数据包进行至少三次检查，通过这种方式能有*的提高软件工作报警的准确性，对于降低电气火灾检测系统工作失误能够起到积极作用，同时对提高电气火灾监控系统的应用质量也能起到重要的意义。

（2）数据传输软件设计

    数据传输软件设计中应该为数据传输软件设置唤醒、休眠、正常三种工作模式。其中休眠对应的是数据采集软件开始工作前的模式，唤醒和正常是相关数据信息超过预设阈值时的工作模式。通过在软件中寄存的相关指令来选择对应的工作模式，数据传输软件在工作时应该对定时器以及系统时间等内容进行初始化，保证数据传输软件能够和数据采集软件工作步调一致。在寄存工作参数中选择对应的工作模式后进行工作，将数据进行无线发送，在每次发送成功之后进入休眠期等待下次命令，这样还能显著降低功耗。数据传输软件的设计目标主要有三点，分别是数据传输的质量、数据传输的速度以及数据传输之后数据的应用。在对数据传输软件设计的过程中，除了能够通过寄存器的设置来保证数据传输软件的应用质量之外，为了提高数据传输的质量能够通过逆变反应在数据传输软件两端设置数据加密解密或者是捆绑以及分包的工作模式，这样一方面能显著提高数据传输的完整性和高质量，另一方面能够切实提高数据传输的速度，对于满足数据传输目标能够起到积极的作用。此外，在数据传输软件工作的过程中，可能会存在工作模式和数据采集工作模式不相符的问题，因此应该设置良好的软件自启动工作模式，在发现不相符时及时重启，通过这种方式能有*提高数据传输软件和数据采集软件的匹配程度，保证整体电气火灾监控系统的稳定高质量运行。

（3）监控系统软件设计

    *后就是设计人员应该对监控软件和主系统进行良好的设计，既能够通过自定义的通信协议采用 LoRa技来实现收发数据，同时也能够直接采用 LoRa 技术实现数据的接收和传递。例如监控主机能够使用模块化设计来保证报警以及故障信息能够在监视屏幕中进行实时的显示。在人机交互界面应该采用触摸屏，这样能够提高值班人员和监控系统的交互性，实现良好的设置、进入以及退出等功能。此外，设计人员还能够设置便携式的电气火灾监控系统，一旦在系统运行的过程中发现监控的参数超过阈值时，能够及时在工作人员的信息终端中进行报警，这样也能够发挥出电气火灾监控系统的积极作用。监控主系统除了具备报警信息监督和传输以及报警功能，还应该具备良好的检验功能，通过历史数据记录来对报警阈值进行一定的调整，保证报警阈值能够在合理的区间内，这样也能够有*的提高系统对电气火灾出现的预见性，从而切实提高电气火灾监控系统的工作质量和效率。因为大数据的技术难以实现在电气火灾监控系统内部设置，因此应该将大数据技术设置在主监控系统或者值班人员的便携式管理设备中，通过大数据技术来对出现异常数据部位的数据进行规模的数据分析和计算，例如在电气火灾监控系统中发现某位置出现温度过热的情况，经过大数据计算和分析之后发现这个位置出现温度过热情况次数较高，说明传统的电气线路已经不能够满足安全使用的要求。然后，大数据技术能够将分析结构及时传递给值班管理人员，值班管理人员经过对该部位的检查之后对该部位的电气线路进行更换，这样能显著降低电气火灾现象的出现概率，同时对提高电气火灾监控系统的应用质量和效率能够起到积极的推动作用。

（4）无线通信

    电气火灾监控系统设计注意事项首先应该避免监控系统的应用对居民的正常生活造成消极影响。因此技术人员在设计无线通信电气火灾监控系统的过程中应该将整体的火灾预警报警系统作为独立的子系统，这样还能够实现降低无线通信传输信号干扰因素的目标。电气火灾监控系统所发出的电子信号只能代表电气系统中可能存在的隐患，不能够直接判断电气火灾的发生，因此电气监控系统在设计的过程中应该结合电气火灾自动报警系统，这样既能够实现预警目标，同时能够帮助值班人员或者是居民正确处理火灾情况，提高火灾预防工作的质量和效率。电气火灾监控系统在报警时需要保证电源的稳定，不然可能会因为误触导致居民生活受到影响，因此需要保证无线通信以及电气火灾监控系统的稳定运行。其次就是在设计无线通信电气活在监控系统的过程中，应该重视提高保护装置的合理应用。为了保证无线通信设备能够在火灾情况以及预警情况中发挥积极的作用，应该对无线通信装置进行保护，也就是要对无线通信接口、微控制单元以及数据传输模块进行充分的保护，在其外部设置绝缘防水防火的材料，这样无线通信功能即便是遇到情况也能够正常使用，不仅能够有*效的提高电气火灾的预警质量和效率，同时还能够切实提高无线通信的稳定性，对于降低信号传输过程中的影响因素也能起到积极作用。*后就是要设置良好的应急处理软件功能，这种软件主要就是应用在无线通信设备或者是微控制单元出现故障的情况下，保证软件以及硬件设备能及时重启，需要该软件实现切断传感器和相关设备之间的通信连接，以此降低重启后设备出现异常或者是误差的现象。结合以上注意事项能有*的提高电气火灾系统的应用质量，对提高建筑物使用体验以及保证居民健康安全和保证居民正常的生活节奏能够起到极为积极的作用。

五、安科瑞电气火灾监控系统

（1）概述

   Acre1-6000电气火灾监控系统，是根据现行规范标准由安科瑞电气股份有限公司研发的全数字化独立运行的系统，已通过消防电子产品质量监督检验中*的消防电子产品试验认证，并且均通过严格的EMC电磁兼容试验，保证了该系列产品在低压配电系统中的安全正常运行，现均已批量生产并在全国得到广泛地应用。该系统通过对剩余电流、过电流、过电压、温度和故障电弧等信号的采集与监视，实现对电气火灾的早期预防和报警，当必要时还能联动切除被检测到剩余电流、温度和故障电弧等超标的配电回路;并根据用户的需求，还可以满足与AcreIEMS企业微电网管理云平台或火灾自动报警系统等进行数据交换和共享。

（2）应用场合

   适用于智能楼宇、高层公寓、宾馆、饭店、商厦、工矿企业、消防单位以及石油化工、文教卫生、金融、电信等领域。

（3）系统结构

（4）系统功能

    监控设备能接收多台探测器的剩余电流、温度信息，报警时发出声、光报警信号，同时设备上红色“报警”指示灯亮，显示屏指示报警部位及报警类型，记录报警时间，声光报警一直保持，直至按设备的“复位”按钮或触摸屏的“复位”按键远程对探测器实现复位。对于声音报警信号也可以使用触摸屏“消声”按键手动消*。

    当被监测回路报警时，控制输出继电器闭合，用于控制被保护电路或其他设备，当报警消*后，控制输出继电器释放。

    通讯故障报警：当监控设备与所接的任一台探测器之间发生通讯故障或探测器本身发生故障时，监控画面中相应的探测器显示故障提示，同时设备上的黄色“故障”指示灯亮，并发出故障报警声音。电源故障报警：当主电源或备用电源发生故障时，监控设备也发出声光报警信号并显示故障信息，可进入相应的界面查看详细信息并可解除报警声响。

    当发生剩余电流、超温报警或通讯、电源故障时，将报警部位、故障信息、报警时间等信息存储在数据库中，当报警解除、排除故障时，同样予以记录。历史数据提供多种便捷、快速的查询方法。

（5）配置方案

六、结语

   总而言之，将LoRa无线通信技术应用在电气火灾监控系统中，能够显著提高监控系统运行的质量和效率，同时具有建设成本低、数据传输距离远和能耗较低的优点，因此既能够充分满足电气火灾监控系统建设运行的要求，同时能够满足用户对生活生产的要求。经过测试发现，这种电气火灾监控系统的信号传输性能可靠，监控系统中数据显示准确，能够切实应用在实际的生产和生活中，进而对提高我国居民生产和生活质量起到积极的促*作用。

参考文献：

[1]龚超.基于LoRa的电力电缆无线测温系统设计[D].杭州:杭州电子科技大学,2021.

[2] 汪馨童.基于FreeModbus的文献馆环境监控系统的设计与实现[D].武汉:华中师范大学,2021.

[3] 付东.基于WSN的库房环境监控系统研究[D].武汉:华中师范大学,2021.

[4] 蒋剑锋,杨留方,徐天奇,等.单片机与LoRa通信模块的电气火灾探测器设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2021,21(01):84-87.

[5] 刘喜庆.基于泛在网络的智能消防物联网监控系统设计与开发[D].南京邮电大学,2019.

[6]韩倩倩.基于LoRa技术的无线火灾报警系统研究[D].北京:北京建筑大学,2020.

[7]余兵.LoRa无线通信技术的电气火灾监控系统分析

[8]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版

作者介绍

未晓妃，安科瑞电气股份有限公司，178 2117 0311,主要研究方向为微电网能效管理和环保安全用电。