基于4G通信的电气火灾监控系统设计与实现

基于 4G通信的电气火灾监控系统设计与实现

汪兴 1 陈祥 2 侯其立 3

1 、 中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽 合肥 230088 1 、 安徽省公共安全应急信息技术重点实验室 安徽 合肥 230088

摘 要：电气火灾是引发火灾的主要原因，为实时监测建筑内部电气设备的状态参数，研制电气火灾监控终端，降低电气火灾风险。终端以Cortex-M3架构ARM芯片为核心，集成信号采集、传输模块，可对剩余电流、相电流、相电压、温度信号进行实时采集并通过4G网络传输至消防监控中心，实现对电气设备状态的远程监控。

关键词：电气火灾监控终端；远程监控；物联网；4G

中图分类号： 文献标识码： 文章编号：

0. 引 ^ 言

火灾防范和救援一直是灾害预防和处理的重要课题之一。现代社会是电气化的社会，生活和生产中的方方面面都与电气相关。电气火灾因其发生概率高和社会影响大，已经成为新的社会问题，传统的防范电气火灾的技术、理念和模式已经不符合消防安全管理要求^[1,2]。

利用电气火灾监控系统实现供电回路的安全状态监测可以有效解决上述问题，作为智慧消防中的重要组成部分，电气火灾监控系统的特点是对电气系统的漏电情况进行监控，从而将火灾扼杀在摇篮^[3,4]。电气火灾在发生的过程中往往伴随高温、电弧、电火花以及非故障性释放的能量，通过监测上述参数能够实现电气火灾的预警和报警^[5]。

传统的电气火灾监控系统一般采用现场通信技术如CAN总线式传输，在实际安装过程中，往往因为建筑老旧、文物保护等各种原因布线困难，大大增加了系统建设成本。而采用loRa、ZigBee等技术的电气火灾监测系统，虽然可以自组网^[6-8]，但是自组网通常适用于大面积监控设备的安装，而且网络设备容易因缺乏维护而出现故障。

鉴于以上，设计开发了一套基于4G无线通信的电气火灾监控系统，利用物联网技术解决从终端到监控中心的数据采集和数据传输问题，实现对电气回路安全状态的远程监测。

1. 电气火灾监控系统构成

本次设计的电气火灾监控系统由电气火灾监测终端硬件和软件两部分构成。其中，电气火灾监测终端主要由数据采集模块、数据传输模块组成，数据采集模块将相电压、相电流、剩余电流、温度等信号汇集到终端，进行预处理后，再通过4G无线通信将信号传输到监控中心，系统框图如图1所示。

图1 电气火灾监控系统框图

电气火灾监控系统的主要功能包括：

（1）电气回路安全状态数据的采集。电气回路上通常需要关注的参数包括电路相电流、相电压、电路剩余电流、温度。其中电压信号可直接在电路上采集，相电流、剩余电流通过安装互感器采集，温度通过安装温度传感器进行采集。

（2）监测数据预处理和远程传输。电气火灾监控终端采集到的相电流、相电压、剩余电流、温度等信号在经过预处理后上传至后端数据库，实现电气回路状态的实时监测，终端需要与监控中心保持实时的通信。

（3）异常报警。当采集到的数据参数异常时，电气火灾监控终端能够进行声光报警。

（4）数据展示和分析。汇集到监控中心的数据，在监控平台上实现可视化展示。利用对历史数据的统计分析，实现电气回路安全状态的预警功能。

2. 电气火灾监控系统硬件设计

终端以Cortex-M3架构ARM芯片为核心构建整个硬件系统，其主要组成包括MCU、无线通信模块、数据采集模块等。系统的硬件设计框图如图2所示。

图2 电气火灾监控终端硬件设计框图

2.1 MCU

设计采用的STM32F103RCT6是意法半导体推出的STM32系列MCU，可满足电气火灾监控终端对于三相电压、三相电流、剩余电流、温度的采集，参数的远程传输以及设备的声光报警输出要求。

2.2 数据采集模块

采用ATT7026EU芯片和ATT7053BU芯片对采集到的电流电压模拟信号进行采集，输出电压和电流参数。

ATT7026EU芯片是一颗多功能高精度的三相电能专用计量芯片。芯片具有6路ADC输入接口，实现对三相电压和电流的信号采集，再通过SPI接口与MCU进行测量参数的传递。

ATT7053BU芯片是一颗单相计量芯片，负责剩余电流信号的采集和处理，再通过SPI接口将处理后的数据传输给MCU单元。

温度采集通过STM32F103RCT6芯片的ADC模块实现。

2.3 数据传输模块

终端采用4G无线网络进行数据的传输。电气设备在建筑内的分布往往较为分散，采用4G无线网络实现终端与监控中心的直接通信，减少除运营商网络以外的中间网络节点，可大大减小设备的安装难度、布线难度，有效降低设备的安装成本和运营成本。

2.4 声光报警模块

终端配有声光报警模块，当电流、电压、剩余电流、温度参数超过阈值规定的正常范围时，将发出声光报警信号，提示回路安全状态的异常。

3. 电气火灾监控系统软件设计

电气火灾监控系统软件主要由信号采集模块、通信传输模块以及终端配置模块组成。

3.1 信号采集控制模块设计

信号采集模块实现对温度传感器、剩余电流传感器、电流传感器的信号采集，同时具有信号预处理以及超过阈值设置时的声光报警控制功能。信号采集模块的工作流程如图3所示。完成设备的接线与供电后，首先进行设备初始化，判断设备的接线状态、电源状态等是否正常。若设备状态检测正常，则由MCU下发信号采集命令，分别对传感器采集的电流、电压、温度信号进行采集。可根据采集需求配置采集的频率等参数。

图3 信号采集控制模块工作流程图

3.2 通信传输控制模块设计

通信传输控制模块实现采集信号的无线通信传输控制，在设备完成供电后，初始化网络通信模块，并传输第一次的传感器采集信号。当电气火灾监控终端采集到温度、电压、电流信号或监测数据超过阈值触发报警时，通信传输控制模块启动并完成传输工作，实现对电气回路的远程监控。若出现网络连接中断等异常情况，系统对期间采集到的电气回路参数按照一定的优先级顺序回传至后台数据库。其流程如图4所示。

图4 通信传输控制模块工作流程图

3.3 终端配置软件设计

终端配置软件主要通过移动APP实现，分为设备信息录入，设备组织结构配置，设备连网配置功能。设备完成上电初始化后，连接后台服务器地址，移动APP可现场进行设备基本信息的录入和修改，设备组织结构的录入和修改，设备联网状态的查看和配置的修改，简化设备安装和调试的流程。

4. 系统测试

针对系统的各项主要功能指标进行了功能测试，以检测系统能否满足电气回路的监控要求。

4.1 采集模块功能测试

终端完成上电初始化后，能够实现电流、电压、温度的信号采集功能；当被监测设备参数异常时，能够触发声光报警信息。当设备处于网络连接断开状态，被监测设备的电流、电压和温度信号也能够正常采集。

4.2 传输模块功能测试

针对传输模块完成周期采集数据、异常上报数据以及网络断开重连后的存储数据分别进行测试，均能实现数据的正常上报。

4.3 系统集成测试

将终端安装在电路回路当中，连续不间断监测电路回路状态7天，后端可正常接收回路电流、电压、温度等数据，系统运行稳定，应用效果良好。

5. 结论

综上所述，本文设计了一种基于4G通信的电气火灾监控系统，系统以STM32F103RCT6芯片为核心，设计了实现功能所需的数据采集模块，数据传输模块以及相应的软件模块，实现了电气火灾监控的各项基本功能。

设计研制的电气火灾监控系统，通过一系列模块测试和集成测试，满足电气设备参数的监测要求，能够对电路的电流、电压、温度等系列参数进行周期采集，并进行异常状态的报警。系统能够提升用电的安全性，是当前消防设施远程监控的一种有效补充，。

[参 考 文 献]

1. 朱贺平. 电气火灾监控系统在智慧消防中的应用[J]. 中国科技信息，2020(10):52-53

2. 严晓龙. 基于大数据的电气火灾隐患治理体系探讨[J]. 消防科学与技术，2017(12):1742-1744

3. 郭鹏亮. 电气火灾监控系统的探讨[J]. 智能建筑. 2019(07):42-44

4. 刘璐. 电气火灾监控系统在智慧消防中的应用[J]. 今日消防，2020(5):4-5

5. 蒲改宁，杜蓉. 建筑中电气火灾监控系统的应用探讨[J]. 甘肃科技. 2019(7):109-110

6. 岳云涛，贾佳，王靖波等. 基于 LoRa 无线传输技术的电气火灾监控系统设计[J]. 电子技术应用，2018(12):32-35

7. 顾兆平. 基于LoRa的无线通信技术的电气火灾监控系统[J]. 消防技术与产品信息. 2018(10):50-52

8. 言娟. 基于 ZigBee 技术的配电柜火灾监控系统设计[J]. 物联网技术. 2019(04)

文章作者可按下列顺序刊出其简介：

汪兴（1989-），男，安徽霍山人，硕士，助理工程师，主要研究方向为应用软件开发、消防物联网系统设计与开发。

陈祥（1994-）, 男，安徽合肥人，硕士，助理工程师，主要研究方向为嵌入式系统开发、工业控制。

侯其立（1987-），男，安徽合肥人，博士、工程师，主要研究方向为消防物联网、嵌入式系统开发。

基金项目：广东省重点领域研究计划项目：化工聚集区事故灾难监测预警与应急救援关键技术及装备的研发与示范（2019B111102003）