淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

未曉妃

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(zāi)監(jiān)控效果，該文設(shè)計(jì)了基于無線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)無線通信網(wǎng)絡(luò)，由ZigBee主站、ZigBee從站等構(gòu)成，通過剩余電流探測器與開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)電氣火災(zāi)剩余電流的監(jiān)控、通過自適應(yīng)算法實(shí)施信號(hào)濾波處理，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)預(yù)警算法實(shí)施電氣火災(zāi)預(yù)警遙。測試結(jié)果表明，無線通信網(wǎng)絡(luò)的丟包率較低，信號(hào)強(qiáng)，整體信號(hào)測量誤*低，報(bào)警相對誤*低，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間短，施加浪涌脈沖后運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：無線通信技術(shù)；電氣火災(zāi)監(jiān)控；ZigBee節(jié)點(diǎn)；自適應(yīng)算法

0引言

在建筑中，電氣設(shè)備的線路需要布設(shè)在墻體中,存在易燃隱患.還存在施工產(chǎn)品質(zhì)量有高有低、安裝不規(guī)范等多種問題。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)電氣原因所引發(fā)的火災(zāi)事故在各種火災(zāi)事故中一直占據(jù)著很高比例,電氣火災(zāi)早已成為一種令人聞之色變的事故災(zāi)害。

因此對電氣火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)控一直是一個(gè)重*研究問題。其中在發(fā)生接地短路故障時(shí),電流熱量不斷積聚.在引燃周圍物體后,就會(huì)造成火災(zāi)網(wǎng)。這種方式具備隱秘性、突發(fā)性以及隨機(jī)性等特點(diǎn),往往很難防范。通過電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更加全*的電氣火災(zāi)監(jiān)控,受到各行各業(yè)的推崇,成功幫助各種建筑與場所實(shí)現(xiàn)電氣火災(zāi)的預(yù)防與預(yù)警。隨著建筑規(guī)模越來越大,現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)缺陷越來越明顯.為此本文設(shè)計(jì)了基于無線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng),并分析其性能。

1 基于無線通信質(zhì)評的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

無線通信網(wǎng)絡(luò)由 ZigBee 主站、ZigBee 從站、總線、上位機(jī)單元構(gòu)成,運(yùn)行流程如下:ZigBee 主站與總線相連，上位機(jī)單元向總線發(fā)送信息后,主站會(huì)收到發(fā)送的信息。而一些監(jiān)控設(shè)備也與總線相連同樣會(huì)接收到發(fā)送的信息并進(jìn)行處理。ZigBee 主站在收到信息后,會(huì)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)向 ZigBee 從站發(fā)送信息,由從站向與從站相連的監(jiān)控設(shè)備發(fā)送接收信息四。而信息的回送過程則剛好與發(fā)送過程相反。其中總線選用的是 485 總線，上位機(jī)單元中選用的上位機(jī)為 OptiPlex-2x,選用的服務(wù)器為 IPC610L 多擴(kuò)展雙千兆網(wǎng)口上位機(jī)服務(wù)器問。在 ZigBee主站、ZigBee 從站搭建的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)使用的 ZigBee 芯片設(shè)計(jì)具體如下:首先配置高性能的無線收發(fā)器與高性能的 CPU 內(nèi)核.CPU 內(nèi)核選用的是 32-bit RISC。并在芯片中植入 3 種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧包括 JenNet,ZigBee,IEEE823.15.2。配置多種數(shù)字應(yīng)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(xié)議棧進(jìn)行固化.在 RAM 中對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進(jìn)行固化。*后配置 128-bit 的 AES 加密器件與多個(gè)低成本外擴(kuò)器件.包括 1個(gè)串行 FLASH、5 個(gè)電容1 個(gè)晶振問。ZigBee 芯片作為主控芯片,為節(jié)點(diǎn)配置其他單元,完成 ZigBee 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì),具體配置如圖1 所示口。

其中供電單元通過電壓調(diào)節(jié)器為 ZigBee 芯片提供 1.8 V 電源。并設(shè)計(jì)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(jìn)行轉(zhuǎn)換,將其轉(zhuǎn)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(tǒng)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(nèi)存訪問、紅外生成電路等網(wǎng)。

藍(lán)牙單元使用的藍(lán)牙芯片為 BXM 芯片通過該芯片實(shí)現(xiàn) ZigBee 節(jié)點(diǎn)之間的通信。為芯片配置接收管腳與 UART串口發(fā)送腳。24 MHz 晶振選用的是 TCXO 溫補(bǔ)晶振,將其接入 ZigBee 芯片中,通過3225 貼片進(jìn)行封裝。在 ZigBee 協(xié)議棧中，使用的ZigBee 協(xié)議為 Z-Wave。ZigBee 主站與 ZigBee 從站均由協(xié)調(diào)器與 ZigBee 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。其中協(xié)調(diào)器能夠構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò).對無線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)。并發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)想要加入無線網(wǎng)絡(luò)的請求,具備自動(dòng)組織的功能網(wǎng)。協(xié)調(diào)器的工作流程設(shè)計(jì)具體如下:

1)對 ZigBee 芯片與外設(shè)進(jìn)行初始化處理.

2)對 ZigBee 協(xié)議棧進(jìn)行初始化處理:

3)構(gòu)建 ZigBee 網(wǎng)絡(luò):

4)對缺省參數(shù)進(jìn)行配置:

5)監(jiān)*ZigBee 網(wǎng)絡(luò),在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析:

6)將數(shù)據(jù)封裝為串口數(shù)據(jù)包,通過總線向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù);

7)在監(jiān)* ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)對總線進(jìn)行監(jiān)*.在總線中接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析:

8)將數(shù)封裝為 ZigBee 數(shù)據(jù)包，通過 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)向 ZigBee 從站發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2） 監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

在監(jiān)控模塊中.通過剩余電流探測器與開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)電氣火災(zāi)剩余電流的監(jiān)控。其中剩余電流探測器能夠?qū)崿F(xiàn)自檢、DI 消防、按鍵切換、聲光報(bào)警、液晶顯示以及剩余電流報(bào)警功能l10。剩余電流探測器的設(shè)計(jì)具體如下:設(shè)計(jì)了一種控制芯片,能夠?qū)崿F(xiàn)外部信號(hào)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、信號(hào)轉(zhuǎn)換以及開關(guān)狀態(tài)顯示等功能”。芯片的設(shè)計(jì)具體如下:配置多個(gè)中斷源.通過中斷的方式將芯片切換至低功耗運(yùn)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(gè)寄存器開展運(yùn)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(jìn)行驅(qū)動(dòng).使芯片達(dá)到 125 ns 的指令周期。為芯片配置以下片內(nèi)外設(shè):2k的 BRAM、60 k的BFLASHROM、多個(gè) 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(jìn)行剩余電流的測量,選擇的電壓傳感器為毫安級(jí)別精*度的電壓傳感器。剩余電流采集電路的電路設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)參數(shù)查詢界面、DIDO 狀態(tài)、報(bào)警動(dòng)作值、剩余電流實(shí)時(shí)值的顯示。

（3）信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

在電流信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊中使用的信號(hào)濾波處理算法是自適應(yīng)算法,具體處理步驟如下:

1)y(a)表示時(shí)間b某點(diǎn)處的一組信號(hào)其中包含著N個(gè)信號(hào).具體描述為

2)信號(hào)y(a)的權(quán)值為

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

式中:

是第j個(gè)輸出的輸人向量對應(yīng)的權(quán)向量;

 是第j個(gè)輸出的輸入向量;I是N中的一個(gè)正整數(shù)。

4）c(a)表示期望信號(hào),d(a)表示誤*信號(hào)，則誤*信號(hào)為:

5)將均方差函數(shù)作為誤*準(zhǔn)則.即:

6)根據(jù)均方差函數(shù)對原始信號(hào)實(shí)施濾波處理,也就是當(dāng) y *小時(shí),對*佳權(quán)系數(shù) B" 進(jìn)行求解求解結(jié)果為*小均方誤*點(diǎn),濾除誤*大于求解結(jié)果的信號(hào)。其中*佳權(quán)系數(shù)求解公式為

就此完成各種信號(hào)的濾波處理。

（4）火災(zāi)預(yù)警模塊設(shè)計(jì)

在火災(zāi)預(yù)警模塊中,基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)電氣火災(zāi)預(yù)警算法.實(shí)施電氣火災(zāi)預(yù)警。預(yù)警流程如下:

(1)通過 MATLAB 軟件構(gòu)建糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)預(yù)警模型.模型為三層結(jié)構(gòu)。

其中輸入層中共有 4 個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為工作電流信號(hào)、電流電壓信號(hào)、線路溫度信號(hào)、線路剩余電流信號(hào);隱含層中共設(shè)置 6 個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)數(shù)目由式(7)決定,而輸出層中共有 3 個(gè)節(jié)點(diǎn),分別為明火概率陰燃概率以及無火概率。

(2)通過 newff()函數(shù)實(shí)施模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始化處理。

(3)選擇樣本對模型進(jìn)行訓(xùn)練、學(xué)習(xí).通過sim()函數(shù)對完成訓(xùn)練的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施仿真:

(4)通過仿真網(wǎng)絡(luò)實(shí)施電氣火災(zāi)預(yù)警。

2 系統(tǒng)性能測試與分析

（1）數(shù)據(jù)采集與處理

對于基于無線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng),在搭建的無線通信網(wǎng)絡(luò)下對其進(jìn)行多方面的性能測試。測試在某建筑中展開.實(shí)驗(yàn)建筑是一個(gè)大型建筑,建筑中的電氣設(shè)備很多,分布在建筑的各層各處.急需開展電氣火災(zāi)智能監(jiān)控。首先在實(shí)驗(yàn)建筑中搭建設(shè)計(jì)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。在搭建的無線通信網(wǎng)絡(luò)下采集實(shí)驗(yàn)建筑一段時(shí)間的剩余電流信號(hào)、工作電壓信號(hào)、工作電流信號(hào)以及電氣線路溫度信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

采集的信號(hào)信息如下.剩余電流信號(hào)范圍:0.23~0.87 mA.數(shù)據(jù)量:1.5 GB:電流電壓信號(hào)范圍:135210 V.數(shù)據(jù)量:2.6 GB:工作電流信號(hào):105~189 A數(shù)據(jù)量:2.3 GB:電氣線路溫度信號(hào):15.28~41.20 C.數(shù)據(jù)量:1.2 GB

對采集的各種信號(hào)進(jìn)行濾波處理,處理后信號(hào)的數(shù)據(jù)量信息如下:剩余電流信號(hào)數(shù)據(jù)量:1.3 GB電流電壓信號(hào)數(shù)據(jù)量:2.5 GB:工作電流信號(hào)數(shù)據(jù)量:2.0 GB:電氣線路溫度信號(hào)數(shù)據(jù)量:1.1 GB。

（2）模型訓(xùn)練

對于處理后的信號(hào)數(shù)據(jù),將其中的三分之二作為模型訓(xùn)練樣本,剩余作為模型預(yù)測樣本。在訓(xùn)練時(shí),模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練參數(shù)設(shè)置情況如下:訓(xùn)練中*小梯度值.20-1:訓(xùn)練時(shí)間:無窮大:訓(xùn)練目標(biāo)誤*:0.001:訓(xùn)練結(jié)果的間隔步長:30:訓(xùn)練步數(shù)2000。

根據(jù)模型訓(xùn)練結(jié)果實(shí)施實(shí)驗(yàn)建筑電氣火災(zāi)預(yù)警,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)建筑的電氣火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）測試結(jié)果與分析

1）信號(hào)穩(wěn)定性測試

對于設(shè)計(jì)系統(tǒng),首先對其無線通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)穩(wěn)定性進(jìn)行測試,具體測試項(xiàng)目包括信號(hào)強(qiáng)度、丟包率。其中丟包率的測試需要使用 ATKKPING 軟件，信號(hào)強(qiáng)度的測試需要使用頻譜儀。測試結(jié)果如表 1所示。表 1 的信號(hào)穩(wěn)定性測試結(jié)果表明.搭建的無線通信網(wǎng)絡(luò)的丟包率較低，信號(hào)強(qiáng)度均大于 75 dbm.說明該無線通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)穩(wěn)定性較強(qiáng)。

2）信號(hào)檢測精度測試

接著測試設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測精度。分別對剩余電流信號(hào)、工作電壓信號(hào)、工作電流信號(hào)以及電氣線路溫度信號(hào)的測量誤*進(jìn)行測試。測試結(jié)果如圖 3 所示。圖 3 的測試結(jié)果表明,剩余電流信號(hào)、工作電壓信號(hào)、工作電流信號(hào)以及電氣線路溫度信號(hào)的*高測量誤*分別為百分之0.178,百分之0.69、百分之0.49、百分之0.95.證明設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體信號(hào)測量誤*較低。

（4）報(bào)警功能測試

對設(shè)計(jì)系統(tǒng)的報(bào)警功能進(jìn)行測試,在多次電氣火災(zāi)預(yù)警中,觀察測試系統(tǒng)的報(bào)警相對誤*以 及報(bào)警響應(yīng)時(shí)間,測試結(jié)果如圖 4 所示。圖 4 的測試結(jié)果表明.設(shè)計(jì)系統(tǒng)的報(bào)警相對誤*較低.*低僅為百分之 0.032.同時(shí)系統(tǒng)的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間較快,低于500 ms。

（5） 運(yùn)行穩(wěn)定性測試對設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)施浪涌抗擾度試驗(yàn),多次對設(shè)計(jì)系統(tǒng)施加浪涌脈沖.每次脈沖的間隔時(shí)間為 1 min.觀察設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。測試結(jié)果如圖 5 所示。

圖 5 的運(yùn)行穩(wěn)定性測試結(jié)果表明.在 3 次施加浪涌脈沖后.設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行仍然非常穩(wěn)定。

三、安科瑞電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

（一）概述

Acre1-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，是根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)由安科瑞電氣股份有限公司研發(fā)的全數(shù)字化獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，已通過消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中*的消防電子產(chǎn)品試驗(yàn)認(rèn)證，并且均通過嚴(yán)格的EMC電磁兼容試驗(yàn)，保證了該系列產(chǎn)品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運(yùn)行，現(xiàn)均已批量生產(chǎn)并在全國得到廣泛地應(yīng)用。該系統(tǒng)通過對剩余電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號(hào)的采集與監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對電氣火災(zāi)的早期預(yù)防和報(bào)警，當(dāng)必要時(shí)還能聯(lián)動(dòng)切除被檢測到剩余電流、溫度和故障電弧等超標(biāo)的配電回路;并根據(jù)用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺(tái)或火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享。

（二）應(yīng)用場合

適用于智能樓宇、醫(yī)院、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、以及石油化工、文教衛(wèi)生、金融、電信等領(lǐng)域。

（三）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（四）系統(tǒng)功能

1.監(jiān)控設(shè)備能接收多臺(tái)探測器的剩余電流、溫度信息，報(bào)警時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)設(shè)備上紅色“報(bào)警”指示燈亮，顯示屏指示報(bào)警部位及報(bào)警類型，記錄報(bào)警時(shí)間，聲光報(bào)警一直保持，直至按設(shè)備的“復(fù)位”按鈕或觸摸屏的“復(fù)位”按鍵遠(yuǎn)程對探測器實(shí)現(xiàn)復(fù)位。對于聲音報(bào)警信號(hào)也可以使用觸摸屏“消聲”按鍵手動(dòng)消*。

2.當(dāng)被監(jiān)測回路報(bào)警時(shí)，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護(hù)電路或其他設(shè)備，當(dāng)報(bào)警消*后，控制輸出繼電器釋放。

3.通訊故障報(bào)警：當(dāng)監(jiān)控設(shè)備與所接的任一臺(tái)探測器之間發(fā)生通訊故障或探測器本身發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控畫面中相應(yīng)的探測器顯示故障提示，同時(shí)設(shè)備上的黃色“故障”指示燈亮，并發(fā)出故障報(bào)警聲音。電源故障報(bào)警：當(dāng)主電源或備用電源發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控設(shè)備也發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)并顯示故障信息，可進(jìn)入相應(yīng)的界面查看詳細(xì)信息并可解除報(bào)警聲響。

4.當(dāng)發(fā)生剩余電流、超溫報(bào)警或通訊、電源故障時(shí)，將報(bào)警部位、故障信息、報(bào)警時(shí)間等信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)報(bào)警解除、排除故障時(shí)，同樣予以記錄。歷史數(shù)據(jù)提供多種便捷、快速的查詢方法。

（五）配置方案

四 結(jié)語

為了改*電氣火災(zāi)智能監(jiān)控性能.設(shè)計(jì)了基于無線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng),并分析了其應(yīng)用效果。試驗(yàn)結(jié)果表明,本文系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大型建筑電氣火災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,并且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)

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