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浅谈基于无线通信技术的老旧小区电气火灾监控系统方案设计及产品选型

安科瑞电气股份有限公司 2023-12-12

龚永波

安科瑞电气股份有限公司上海嘉定201801

摘要：为了防范于未然，提前预警老旧小区电气火灾,设计了一种基于无线传输技术的老旧小区电气火灾监控系统。该系统利用监测线路产生的发热（温度）和阚值（电流）大小，采用无线通信技术将报警信息传给监控主机，监控主机发出指令，将信息传达到值班人员，从而预防老旧小区电气火灾的发生。通过测试，该系统稳定性好，穿墙能力强，传输远。

关键词：老旧小区；电气火灾监控;无线通信

0 引言

老旧小区住户多,线路错综复杂，随着家中电器设备增加，用电负荷迅速增大，与此同时，老旧小区由于缺乏维护，线路老化、破损等问题也不可避免会相继出现，维护管理难度增加,隐藏着较大安全隐患。相关调查研究发现，近3年内,在老旧小区中由电气故障引发的火灾事件日益增多。因此，各地相继出台了针对老旧小区改造的方案和指导意见，如福建省人民政府办公厅2020年3月发布《关于福建省老旧小区改造实施方案的通知》，广东省于2021年5月发布《广东省城镇老旧小区改造技术导则》（试行）。这些方案中都提出了要在老旧小区安装消防报警设备,构建智慧安全小区。然而，通过查阅国内外关于建筑电气火灾监控技术的相关文献发现，当前大部分小区大多采用了有线传输方式实现对火灾监控,有线传输安装调试周期长，需要专人值守，增加了人工成本，在某些特殊的场景中,此类有线装置还会影响小区的美观性。无线监测系统构成和操作简单,可一台消防主机和多个探测器相连，无需破坏装修结构。

基于以上两类监控方式优缺点的对比，本文提出采用无线监控系统进行监测的设想,该系统可及时获得温度、漏电流信息，进行预警从而减少线路故障引起的火灾发生。根据上述设想，本文设计了一款多功能、电气火灾监控系统，为更好满足无线通信要求,还引入了超长距低功耗无线传输技术，弥补了以往监测系统的缺陷,且可以降低施工难度，更好满足小区改造需要。

1 室内电气火灾监控系统工作原理

火灾监控的系统框图如图1所示。本系统包含了众多硬件模块，如温度传感器、电流互感器模块等,这些模块通过特定的方式组合起来满足总体功能要求。

系统的数据信号传输采用远距离无线电（long range radio,LoRa）传输方式,该方式采用了当前较为成熟的扩频技术,具有超长距低功耗的优点,相关研究发现其传输距离在400 m左右，与目前常用的ZigBee相比，其不仅穿透能力强，且辐射范围更广。

在实际应用中，如果线路出现异常，则电气火灾探测器中相关器件会快速响应,并收集线路温度和漏电流数据。之后获取到的信息会经过转换、滤波、放大等处理，如果处理后的数据超出阈值范围，则控制系统进行判断并发送控制指令，使得报警电路发出警报，同时显示报警实时值。在系统中设置了芯片SX1262,传感器收集到信号后，采用LoRa无线传输技术将其传输至控制单元，控制器即时做出响应并发岀警报指令,在此过程中，数据会在屏幕上显示出来,以帮助管理者有效应对处理。

2 电气火灾探测器的硬件设计

结合前期的需求分析，此处对硬件模块进行了设置，有MCU、无线通信电路、通信接口等。系统采用了单片机，其通过相关的引脚与其他模块集成，通过通信接口与无线通信电路连接,由于单片机可编程，提高了系统的自动化水平。

2.1主要控制芯片

MCU采用STM32F103作为主芯片,该芯片能耗低、运行速度快。另外,其采用特定的方式与相应的无线模块TTL电平连接，这种设计方法易于实现，结构简单,稳定性高,能够在不同的场合中发挥作用。

2.2信号采样电路

该电路由多个硬件模块构成，如采样回路、信号滤波电路等，它们的集成可以实现有效的采样。测温采样回路如图2所示。具体原理如下:基准电压Uref通过分压电阻以及其他一系列器件构成相应的采样回路。电压跟随器做缓冲级，其特点是系统正常运行时能够高输入电阻、低输出电阻。采用这种设计能够使前、后级电路之间互不影响,此时电压不会对其产生影响。在其运行过程中，单片机通过CHI控制开关管导通。在系统中设置有温度传感器,其收集到的信息会被传输至信号滤波电路,之后再经过一系列的处理显示在屏幕上。

2.3通信接口

信号被处理后，经过SPI通信接口传输给无线通信电路，这种信号的传输无需接线，相应的通信接口电路如图3所示。工作原理为:R13为片式电阻阵列，R14做为无线通信电路与MCU连接，实现阻抗的匹配，因此在系统正常运行过程中，可在很大程度上减少、消除高频信号反射。单片机中还设置一个NRESET（复位引脚）接口，主要功能是初始化参数,低电平有效；另外,还设置有一些其他接口（MOSI、MISO）,它们在数据的传输中起着重要作用。此外,SCK接口是同步时钟，起到保持通信一致性的作用。FEM_CPS是信息物理通信系统接口，通过人机交互接口与物理进程进行交互，使用网络化空间还可以实现远程、可靠、实时的连接。

2.4无线通信电路

系统中的传感器和单片机通过相关引脚集成，采用LoRa无线传输技术进行信息传输，该模块的电路原理如图4所示。结合实际情况并经过对比分析，选择SX1262作为通信元件，该元件集成度高、功耗低、抗干扰性强，可在较宽的频率范围实现信息的传输，同时，这款产品的灵敏度可达-148 dBm,因此在长距离通信中起着非常关键的作用。晶振电路为系统提供时钟信号。同时还需要配备一个功率放大器来实现功率的放大。对于收发电路，如图4所示引入了第一、二回路来构建,不仅保证了其可靠性,而且提高了电路的抗干扰能力。

2.4.1 发射电路

数据在传输的过程中要进行滤波，这一操作能够有效降低信噪比。发射电路模块的电路图如图5所示。工作原理为:C28与L8组成串联谐振电路，其他模块构成相应的并联谐振电路,在具体设计时，可结合实际需要来调整元件的参数以达到*佳发射状态。

2.4.2 接收电路

设计的接收电路如图6所示，其中SAWFilter是声表面波滤波器，在系统正常运行过程中，该模块输入端将无线信号转换为声信号在空气中传播,输出端有电压效应将声信号转换成无线信号。在这一电路模块中，L12、L13等组成了滤波电路，它们的功能主要是滤波以及无功补偿。

3 无线电气火灾监控系统流程设计

结合前期的需求分析，设置了采集监控、无线通信等模块，在Keil开发环境下采用C语言设计了与硬件适应的流程，具体如下:

3.1 现场采集监控层

该层包插了不同的传感器可收集并处理信号，同时具有报警显示等功能，相应的工作流程图如图7所示。由图7可知,上电后系统首先进行初始化操作，其中有单片机、探测器的复位等。初始化完成后，探测器发出控制启动命令，温度传感器等进行数据收集，并与探测数值比较，若没有超过,返回继续采集数据;若超过预定值,则显示报警、显示屏显示数据。

3.2无线通信流程设计

无线通信模块芯片（SX1262）具有四种工作模式，分别是正常、唤醒、省电和休眠模式。通过对寄存器写入指令选择相应的工作模式。对芯片、系统时钟、定时器等进行复位，对信号宽带、发送功率等进行核验。在寄存器工作参数选择工作模式后进入循环主程序进行数据的发送,每一个小组发送成功后进入休眠模式等待下一次指令,该流程如图8所示。

3.3 监控主机设计

本研究中，引入了目前较成熟的LoRa技术收发数据。监控主机采用模块化设计，采用调度算法实时显示数据,其优势还体现在以下方面:可靠、维护方便、易于扩充。通过界面可高效地完成人机交互，完成说明、设置、退出等操作。探测器将数据传输过来,监控主机经过核验，超过阈值, 显示并报警,起到了预警后工作人员现场发现火灾的可能性。

4 测试结果

经过遴选对比，本次测试选取了系统采集底板和无线通信硬件电路板，实物如图9和图10所示，匹配了设计的监控主机。组装完成后,选择了福建省漳州市某新村老旧小区的无线电气火灾监控系统为测试对象，以是否正常发送火灾预警信号进行了应用调试。在测试中,将温度报警阈值设置为60℃，相应的电流报警阈值为300 mA,引入串口调试助手实现数据的传输。*终结果显示，该系统正常运行情况下，穿越3堵墙后*远通信距离可达1.2 km,可以快速做出响应,具有较高的实用性。

5 安科瑞电气火灾监控系统

5.1 概述

Acre1-6000电气火灾监控系统，是根据中心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。

5.2 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、国家重点消防单位以及石油化工、文教卫生、金融、电信等领域。

5.3 系统结构

5.4 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”按键手动消除。

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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，当报警消除后，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。

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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。

事件页面

5.5 配置方案

应用场合	型号	产品照片	功能
消防控制室	Acrel-6000/B		适用于1~4条通信总线多可连接256个探测器，可适用于壁挂安装的场所。
消防控制室	Acrel-6000/Q		适用于大型组网，壁挂式监控主机数量较多且需集中查看的场所，主要监测壁挂主机信息。
一、二级低压配电	ARCM200L-Z2		三相(I、U、kW、Kvar、kWh、Kvar h、Hz、cos中)，视在电能、四象限电能计量，单回路剩余电流监测，4路温度监测，2路继电器输出，4路开关量输入，事件记录，内置时钟，点阵式LCD显示，2路独立RS 485/Modbus通讯
	ARCM200L-J8		8路剩余电流监测，2路继电器输出，4路开关量输入，事件记录，内置时钟，点阵式LCD显示，1路RS 485/Modbus通讯
	ARCM 300-J1		1路剩余电流监测，4路温度监测，1路继电器输出，事件记录，LCD显示，1路RS 485/Modbus通讯
	AAFD-□		检测末端线路的故障电弧，485通讯，导轨式安装。
	ASCP200-□		短路限流保护、过载保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测，1路RS 485通讯，1路GPRS或NB无线通讯，额定电流为0-40A可设。
	ASCP200-□		短路限流保护、过载保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测，1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯，额定电流为0-63A可设。
配套附件	AKH-0.66		测量型互感器，采集交流电流信号
	AKH-0.66/L		剩余电流互感器，采集剩余电流信号
	ARCM-NTC		温度传感器，采集线缆或配电箱体温度