任運業(yè)

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)器實現(xiàn)電氣火災(zāi)剩余電流的監(jiān)控、通過自適應(yīng)算法實施信號濾波處理，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計預(yù)警算法實施電氣火災(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，信號強，整體信號測量誤差低，報警相對誤差低，報警響應(yīng)時間短，施加浪涌脈沖后運行穩(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；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)進行監(jiān)控一直是一個重點研究問題。其中在發(fā)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(zāi)網(wǎng)。這種方式具備隱秘性、突發(fā)性以及隨機性等特點,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)更加全面的電氣火災(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

（1）無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

無線通信網(wǎng)絡(luò)由 ZigBee 主站、ZigBee 從站、總線、上位機單元構(gòu)成,運行流程如下:ZigBee 主站與總線相連，上位機單元向總線發(fā)送信息后,主站會收到發(fā)送的信息。而一些監(jiān)控設(shè)備也與總線相連同樣會接收到發(fā)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(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，上位機單元中選用的上位機為 OptiPlex-2x,選用的服務(wù)器為 IPC610L 多擴展雙千兆網(wǎng)口上位機服務(wù)器問。在 ZigBee主站、ZigBee 從站搭建的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點使用的 ZigBee 芯片設(shè)計具體如下: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)議棧進行固化.在 RAM 中對網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(jié)點配置其他單元,完成 ZigBee 節(jié)點的設(shè)計,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(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)。

藍牙單元使用的藍牙芯片為 BXM 芯片通過該芯片實現(xiàn) ZigBee 節(jié)點之間的通信。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 溫補晶振,將其接入 ZigBee 芯片中,通過3225 貼片進行封裝。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)的運行進行維護。并發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點想要加入無線網(wǎng)絡(luò)的請求,具備自動組織的功能網(wǎng)。協(xié)調(diào)器的工作流程設(shè)計具體如下:

1)對 ZigBee 芯片與外設(shè)進行初始化處理.

2)對 ZigBee 協(xié)議棧進行初始化處理:

3)構(gòu)建 ZigBee 網(wǎng)絡(luò):

4)對缺省參數(shù)進行配置:

5)聽 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,通過總線向上位機發(fā)送數(shù)據(jù);

7)在聽 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的同時對總線進行聽.在總線中接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)包進行解析:

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

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(shè)計具體如下:設(shè)計了一種控制芯片,能夠?qū)崿F(xiàn)外部信號采集、實時數(shù)據(jù)顯示、信號轉(zhuǎn)換以及開關(guān)狀態(tài)顯示等功能"。芯片的設(shè)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(qū)動.使芯片達到 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 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(shè)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(xiàn)參數(shù)查詢界面、DIDO 狀態(tài)、報警動作值、剩余電流實時值的顯示。

（3）信號數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

在電流信號數(shù)據(jù)處理模塊中使用的信號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(quán)值為

3）過自適應(yīng)線性模型獲取輸出信號?(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個輸出的輸人向量對應(yīng)的權(quán)向量;是第j個輸出的輸入向量;I是N中的一個正整數(shù)。

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(shù)作為誤差準則.即:

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

就此完成各種信號的濾波處理。

（4）火災(zāi)預(yù)警模塊設(shè)計

在火災(zāi)預(yù)警模塊中,基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計電氣火災(zāi)預(yù)警算法.實施電氣火災(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 個節(jié)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(shè)置 6 個節(jié)點,節(jié)點數(shù)目由式(7)決定,而輸出層中共有 3 個節(jié)點,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)實施仿真:

(4)通過仿真網(wǎng)絡(luò)實施電氣火災(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(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。首先在實驗建筑中搭建設(shè)計的無線通信網(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(shù)據(jù)。

采集的信號信息如下.剩余電流信號范圍:0.23~0.87 mA.數(shù)據(jù)量:1.5 GB:電流電壓信號范圍:135210 V.數(shù)據(jù)量:2.6 GB:工作電流信號:105~189 A數(shù)據(jù)量:2.3 GB:電氣線路溫度信號:15.28~41.20 C.數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量信息如下:剩余電流信號數(shù)據(jù)量:1.3 GB電流電壓信號數(shù)據(jù)量:2.5 GB:工作電流信號數(shù)據(jù)量:2.0 GB:電氣線路溫度信號數(shù)據(jù)量:1.1 GB。

（2）模型訓(xùn)練

對于處理后的信號數(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,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)練時間:無窮大:訓(xùn)練目標誤差:千分之一: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)果實施實驗建筑電氣火災(zāi)預(yù)警,實現(xiàn)實驗建筑的電氣火災(zāi)實時監(jiān)控。

（3）測試結(jié)果與分析

1）信號穩(wěn)定性測試

對于設(shè)計系統(tǒng),首先對其無線通信網(wǎng)絡(luò)的信號穩(wěn)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(jié)果如表 1所示。表 1 的信號穩(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，信號強度均大于 75 dbm.說明該無線通信網(wǎng)絡(luò)的信號穩(wěn)定性較強。

2）信號檢測精度測試

接著測試設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(jié)果如圖 3 所示。圖 3 的測試結(jié)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(shè)計系統(tǒng)的整體信號測量誤差較低。

（4）報警功能測試

對設(shè)計系統(tǒng)的報警功能進行測試,在多次電氣火災(zāi)預(yù)警中,觀察測試系統(tǒng)的報警相對誤差以 及報警響應(yīng)時間,測試結(jié)果如圖 4 所示。圖 4 的測試結(jié)果表明.設(shè)計系統(tǒng)的報警相對誤差較低.*低僅為 0.032%.同時系統(tǒng)的報警響應(yīng)時間較快,低于500 ms。

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

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

3安科瑞電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

（1）概述

Acre1-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，是根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范標準由安科瑞電氣股份有限公司研發(fā)的全數(shù)字化獨立運行的系統(tǒng)，已通過國家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的消防電子產(chǎn)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(chǎn)品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運行，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的采集與監(jiān)視，實現(xiàn)對電氣火災(zāi)的早期預(yù)防和報警，當必要時還能聯(lián)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(jù)用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺或火災(zāi)自動報警系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)交換和共享。

（2）應(yīng)用場合

適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、國家重點消防單位以及石油化工、文教衛(wèi)生、金融、電信等領(lǐng)域。

（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（4）系統(tǒng)功能

監(jiān)控設(shè)備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報警時發(fā)出聲、光報警信號，同時設(shè)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(shè)備的“復(fù)位"按鈕或觸摸屏的“復(fù)位"按鍵遠程對探測器實現(xiàn)復(fù)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(jiān)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(shè)備，當報警消除后，控制輸出繼電器釋放。

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

當發(fā)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(shù)據(jù)庫中，當報警解除、排除故障時，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。

（5）產(chǎn)品配置方案一：

4 安科瑞安全用電云平臺

（1）平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權(quán)限密碼，進行登錄。

（2）平臺首頁

用戶登錄成功之后進入首頁，如圖所示。主要展示的內(nèi)容有：項目總覽、設(shè)備狀態(tài)、探測器分類、設(shè)備報警信息、報警狀態(tài)、報警統(tǒng)計等。其中地圖可以選配成3D建筑模型。

（3）數(shù)據(jù)監(jiān)控

點擊左側(cè)列表實時監(jiān)控進入實時監(jiān)控頁面，該頁面展示了當前用戶關(guān)聯(lián)的項目數(shù)量，項目位置，探測器數(shù)量，如圖所示。

（4）實時監(jiān)控

在實時監(jiān)控點擊項目即可進入探測器信息頁面，展示了當前設(shè)備數(shù)量，報警的探測器數(shù)量，在線數(shù)量和離線數(shù)量。

智慧用電探測器列表可切換表格模式和陣列模式，陣列模式如圖所示。

（5）配電圖

在實時監(jiān)控點擊配電圖可以查看項目信息里上傳的配電圖，如圖所示。

（6）能耗分析

能耗分析包括能耗概況，同比分析，環(huán)比分析，能耗報表，能耗預(yù)測，復(fù)費率報表功能。

能耗概況可以查看今日、本月、今年的用電情況，且可以展示相應(yīng)的同環(huán)比信息，也可以查看今日和昨日的用電峰值，如圖所示。

同比分析：可以逐年查看各個月份的能耗和同比能耗，并以曲線和報表的形式展示，如圖所示。

環(huán)比分析：可以逐日、逐周、逐月、逐季度查看能耗和對應(yīng)的環(huán)比能耗，并以曲線和報表的形式展示，如圖所示。

能耗報表：能耗報表可以逐日、逐周、逐月、逐季度、逐年、自定義等方式查看各個探測器的用能報表，如圖所示。

（7）復(fù)費率報表

復(fù)費率報表按周、月、季、年查看探測器尖、峰、平、谷用電量和用電金額。

（8）電能質(zhì)量

電能質(zhì)量包括諧波監(jiān)測和三相不平衡度等功能。

諧波監(jiān)測：滿足進線、大功率整流設(shè)備、變頻設(shè)備、光伏發(fā)電輸出等電壓、電流進行在線諧波頻譜分析，支持對諧波進行逐日、逐月、逐年報表匯總，或自定義時間段查詢功能，分析諧波畸變率及各次諧波含有率，如圖所示。

三相不平衡度包括三相電壓不平衡度和三相電流不平衡度，支持查看當天的三相電流和三相電壓的曲線圖，并對應(yīng)三相電流和三相電壓的不平衡度，如圖所示。

（9）運維管理

運維管理包括巡檢計劃、巡檢記錄、設(shè)備通訊狀態(tài)等功能。

1）巡檢計劃

點擊菜單中的巡檢計劃，進入對應(yīng)的頁面，對相關(guān)的巡檢計劃進行查看工單，切換日期來查詢所要預(yù)覽的數(shù)據(jù)，支持對巡檢計劃的新增，修改和刪除。

2）巡檢記錄

巡檢記錄支持對相關(guān)的巡檢進行查看，如圖所示。

3）通訊狀態(tài)

通過對項目、探測器ID以及想要查詢的設(shè)備來進行查詢，對現(xiàn)有項目下設(shè)備的通訊狀態(tài)數(shù)據(jù)進行匯總羅列展示，包括顯示設(shè)備當前的通訊狀態(tài)等，如圖所示。

（10）報告分析

1）用戶報告

分析報告根據(jù)用戶指示的周期、項目、時段等篩選生成報告摘要、統(tǒng)計清單、設(shè)備體檢摘要、報警原因分析，支持打印功能。

2）報告模板

用戶可以自定義勾選報告的內(nèi)容。

（11）手機APP

安全用電管理云平臺支持Android、ios系統(tǒng)APP，方便用進行項目查詢、報警、故障查詢，實時監(jiān)控數(shù)據(jù)查詢，復(fù)位及控制操作，探測器詳細信息查詢等功能。

（12） 產(chǎn)品配置方案二：

5結(jié)語

為了改善電氣火災(zāi)智能監(jiān)控性能.設(shè)計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。試驗結(jié)果表明,本文系統(tǒng)可以實現(xiàn)大型建筑電氣火災(zāi)的實時監(jiān)控,并且系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

參考文獻

[1]安 軍. 基于無線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)

[2]安科瑞電氣企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2020.06版

[3]安科瑞安全用電管理云平臺 2020.02版

[4]劉毅.城市軌道交通電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)誤報警分析及治理[J].

[5]邢國新，趙海龍，吳志強.熱解粒子式電氣火災(zāi)探測器在地鐵中的應(yīng)用[J].

作者簡介

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧用電和電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用推廣。