自適應智能用電安全探測器的設計與實現

深圳市賦安安全系統有限公司　吳曉娜

公安部、中央綜治辦、民政部、住房和城鄉建設部、國家安全生產監督管理總局、國家能源局聯合發布《高層建筑消防安全綜合治理工作方案》（公消〔2017〕218號），要求結合老舊高層住宅改造工程推動安裝電氣火災監控裝置，利用智慧用電安全管理系統加強數據搜集、分析和應用，實行智能監測、動態管控，確保用電安全[1]。目前市場上的電氣火災產品滿足不了小型工業園區、城中村、出租屋、三小場所、古建筑群、老舊高層建筑等細分領域的電氣防火監控需求[2-3]。且目前市場上的探測器每個通道的類型固定，不能根據外接的傳感器或互感器自動識別出通道類型。基于此，設計了一種自適應智能用電安全探測器，能夠根據所接互感器或傳感器自動識別剩余電流或溫度，實時監測線路剩余電流變化、溫度變化等相關數據；并進行分析處理，將結果通過轉換器上報到遠端監控平臺，遠端監控平臺及時將相關信息以短信、微信、電話等方式推送到監控人員以便及時知曉火情并采取措施，可以極大的提高消防預警和信息化管理水平。本文將詳細介紹自適應智能用電安全探測器的軟硬件設計及測試情況。

1.系統整體框架

自適應智能用電安全探測器，具有4路剩余電流

或溫度采集通道，并可任意配置為剩余電流或溫度輸入方式，能夠對剩余電流和溫度的通道類型自適應判斷。探測器能夠檢測與其相連的剩余電流或溫度傳感器之間的連接線斷開和短路時，點亮相應指示燈，判斷開路/短路故障信息，以及超過閾值的報警信息。探測器將剩余電流和溫度的實時數據，報警狀態，故障狀態通過RS485總線發送給轉換器，轉換器將信息通過無線方式發送給消防云平臺。系統整體框架如圖1所示：

圖1　系統整體框架

2.系統硬件組成

自適應智能用電安全探測器采用ST的微處理器STM32F-030C8T6 ，該芯片有10路AD口，滿足探測器采集4路剩余電流或溫度傳感器所需的8個AD口。電源處理模塊是通過開關電源將外部220V交流電源轉成5V電壓，然后再通過LDO轉換為3.3V給CPU供電。通信模塊采用RS485通信方式。指示燈模塊使用通用GPIO口控制5個指示燈的顯示。

2.1　通道類型自適應模塊設計

探測器4個通道能任意接剩余電流或溫度信號進行采集，圖2給出第1個通道的電路設計，其他通道電路與第1通道類似。RT11，RT12連接剩余電流互感器或者溫度傳感器的接線端子。選擇閉口式剩余電流互感器[4]，二次阻抗100±20歐，額定一次剩余電流1000mA，額定二次剩余電流0.5mA，根據內孔尺寸的不同，應用于不同的用電線路阻回路漏電流（1000A，630A，400A，315A，225A，100A，63A）。選擇帶鍍鎳銅外殼的溫度傳感器，電阻抵抗值為100k±2%歐，使用溫度范圍為-20℃～150℃。SGM48751是一個

CMOS模擬IC，配置為8通道多路復用器，當CPU引腳SW_C2，SW_B2，SW_A2輸出為低電平，低電平，高電平時，控制SGM48751的IKT1輸出3.3V高電平。SGM3005是一個雙重單刀雙擲開關，CPU引腳ADCC1為高電平時控制RT11連接IL1，RT12連接RV1，ADCC1為低電平時控制RT11連接IKH1，RT12連接地。CPU控制SGM3005引腳將電路切換為RT11連接IKH1，RT12連接地，根據所選剩余電流互感器和溫度傳感器的內阻計算，軟件采集判斷ADT1的電壓。當0.02V≤ADT1<0.06V時，判斷外部輸入為剩余電流互感器，當ADT1>2.8V時，可判斷外部輸入為溫度傳感器或輸入開路。

2.2　剩余電流/溫度開路、短路判斷模塊設計

CPU控制SGM3005引腳將電路切換為RT11連接IKH1，RT12連接地，這個電路判斷輸入為溫度傳感器時，當ADT1≧3.15V，可判斷為所接溫度傳感器的通道開路，當ADT1<0.005V時，可判斷溫度傳感器的通道短路。

判斷輸入為剩余電流互感器時，CPU控制SGM48751芯片使得IKT1輸出3.3V高電平，R1和R5并聯后與剩余電流互感器內阻分壓。當ADT1≧3.15V，可判斷為所接剩余電流互感器的通道開路，當ADT1<0.005V時，可判斷剩余電流互感器的通道短路。

2.3　剩余電流/溫度報警判斷模塊設計

CPU控制SGM3005引腳將電路切換為RT11連接IKH1，RT12連接地，這個電路判斷輸入為溫度傳感器時，電路不變，被監視部位溫度變化引起溫度傳感器電阻阻值變化，采樣電路將電阻的變化轉變為電壓的變化，MCU對檢測的電壓信號進行AD轉換并通過算法處理實現監測被監視部位溫度的變化判斷用電線路工作是否正常。

CPU控制SGM3005引腳將電路切換為RT11連接IKH1，RT12連接地，這個電路判斷輸入為剩余電流互感器時，CPU引腳ADCC1輸出低高電平時控制RT11連接IL1，RT12連接RV1，使電路切換為判斷剩余電流報警，RT11和RT12連接剩余電流互感器，通過ADC1采集。剩余電流互感器采集的剩余電流信號送到運放的兩端組成差分輸入，MCU對放大后的信號進行AD轉換并通過算法處理實現通過監測剩余電流變化判斷用電線路工作是否正常。

圖2　第一通道電路設計

3.系統軟件實現

系統上電后，軟件控制ADCC1為高電平，切換電路為判斷通道類型的電路。軟件進行采樣判斷出該通道接入的是剩余電流或溫度。 再切換為對應的開路/短路判斷電路，報警判斷電路。程序流程如圖3所示。探測器實現對4個通道的剩余電流/溫度采集，每個通道占用兩個AD口。軟件設計采樣定時器間隔為1.25ms，定時器1.25ms間隔到時，切換電路為第1通道，啟動該AD采樣，AD轉換完成后，保存采樣數據到緩存中；依次切換電路為2，3，4通道，完成其他通道的AD采樣，轉換，保存數據，每個通道采集到各自的16個點后計算有效值。剩余電流有效值通過參考電壓，12位采樣分辨率，運放，互感器額定一次與二次比值，得到用電線路的剩余電流值[5]。溫度有效值通過廠家提供查表后，得到用電線路的溫度值。

圖3　軟件程序流程圖

根據采樣得到的數據，采集的數據大于開路AD值時，開路故障點數加1，當開路故障點數≥12個時，更新剩余電流開路故障位。采集的數據小于短路AD值時，短路故障點數加1，當短路故障點數≥12個時，更新剩余電流短路故障位。溫度開路/短路的程序流程相同。故障狀態使用兩個字節，按位顯示不同的狀態，位值為1表示故障，為0表示不故障。其中，bit0表示通道1剩余電流通道開路，bit1表示通道1剩余電流通道短路，bit2表示通道1溫度通道開路，bit3表示通道1溫度通道短路；bit4-bit7表示通道2的故障；bit8-bit11表示通道3的故障；bit12-bit15表示通道4的故障。

當剩余電流值超過閾值500mA時，更新報警狀態位。當溫度值超過閾值65℃時，更新報警狀態位，并點亮對應指示燈[6]。報警狀態使用一個字節，按位顯示不同的狀態，位值為1表示報警，為0表示不報警。其中，bit0表示通道1剩余電流報警，bit1表示通道1溫度報警；bit2表示通道2剩余電流報警，bit3表示通道2溫度報警；bit4表示通道3剩余電流報警，bit5表示通道3溫度報警；bit6表示通道4剩余電流報警，bit7表示通道4溫度報警。

采集到的數據，故障狀態，報警狀態以1S的時間間隔通過RS485總線定時上報給轉換器[7]。

4.系統運行測試

對自適應智能用電安全探測器進行測試，探測器通道1接溫度傳感器，探測器2接剩余電流傳感器。圖4是用示波器對探測器測試,示波器CH1測試探測器的通道1,CH2測試探測器的通道2。從圖中可以看出，CH1測得的電壓為2.97V，CH2測得的電壓為30mV，滿足當0.02V≤ADT1<0.06V時，判斷外部輸入為剩余電流互感器，當ADT1>2.8V時，可判斷外部輸入為溫度傳感器。

圖4　系統測試

5.結束語

本文設計的自適應智能用電安全探測器，自動識別通道類型，多種組合配置，方便施工。適合消防三小場所（小商鋪、小作坊、小娛樂場所）、學生宿舍、批發市場、醫院、城中村、出租屋等小微場所以及各類老舊建筑消防改造的煙感安裝工程。探測器采集剩余電流精度可以達到3%，溫度精度2%，系統運行穩定，滿足電氣火災標準要求。

[1]肖華.六部門聯合印發高層建筑消防安全綜合治理工作方案[J].中國消防,2017(08).

[2]王堃.文物古建筑消防安全現狀與對策[J].消防界(電子版),2017(11).

[3]周喬恒.淺談“三小”場所安全隱患及安全管理對策[J].科技風,2017(07).

[4]張冠英,楊曉光,李奎,王堯,張波.剩余電流互感器的設計與特性分析[J].天津大學學報,2011(06).

[5]田樹仁,張鐵壁.一種智能火災探測器系統的設計探討[J].消防科學與技術,2011(10).

[6]蔡方廷,曲娜,叢作明,寧文雙.剩余電流式電氣火災探測系統設計[J].科技視界,2017(09).

[7]葉亮.一種復合型電氣火災監控探測器設計[D].武漢理工大學碩士論文，2010.