基于CAN總線的高層建筑電氣火災監控

王永全

(深圳市一方建筑設計有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引 言

高層建筑是目前市場中建筑的主流建設模式，盡管此種發展模式實現了對城市有限空間的無限擴充，但隨之而來的高層建筑安全問題也不容小覷。在對建筑安全事故的整理與統計中發現，電氣火災是高層建筑中一種較為常見的安全事故，也是會對社會秩序造成較大影響的事件。為解決此方面問題，提高建筑中住戶居民的安全性，應完善對火災的監控工作[1]。為此，本文在CAN總線技術的應用下，對電氣火災監控方法進行設計研究，實現將建筑電氣火災事故控制在發生前，減少由于火災對社會經濟持續化發展造成的影響。

1 高層建筑電氣火災類型

在對現有數據的綜合分析中發現，大部分大型火災都是由建筑電氣失火導致的。根據我國《高層民用建筑設計防火規范》(GB 50045—95)中的相關規定，在人員較為密集的場所、高層、超高層建筑中，應根據實際需求，設置漏電、火災預警系統，以保證對火災事故的及時察覺，避免事故的危害范圍逐步擴大[2]。在此項工作逐步推進與落實中，早期普遍應用在建筑中的火災報警器的缺陷逐步顯露，隨著技術進步升級，火災報警器現已逐步演變成了集中式火災監控系統[3]。為保證與之相關的工作的實施可以達到預期效果，下面詳細介紹電氣火災的四種常見類型，以此為后續對電氣火災事故的監控提供借鑒與參照。

1.1 建筑電氣漏電火災事故

電氣漏電包括電氣設備漏電和電氣線路漏電，是指電氣設備及其連接線路由于某種原因(可能是自身原因，也可能是外界環境原因)，出現設備及線路的絕緣層絕緣性能下降，導致多個電氣設備之間及其連接線路存在電流直接流經的現象。發生此種現象后，電流將在導入地面前持續流經設備的多個電阻，當某個節點的電阻值過大時，會出現電氣設備局部溫度過高的問題，此時周邊環境中若存在可燃物或易燃物，很有可能引發火災。此外，當設備或線路的絕緣層的漏電位置出現火花時，也會誘發可燃物燃燒，導致火災事故[5]。

1.2 建筑電氣短路火災事故

當線路的絕緣層破損后，火線將與零線、地線發生碰撞，此時，發生碰撞的線路電流將出現突然增加的變化趨勢，此種現象被稱為短路，也可被稱為混線或碰線。當線路出現短路問題時，線路的電阻值將驟然下降，對應的電流值驟然增加，電阻的瞬時發熱量將達到最高。當其發熱量超出了設備可承載溫度時，短路點或碰線點將瞬間出現火花、電弧，絕緣層迅速發生燃燒反應，此時的溫度可以直接將金屬導線熔化，從而造成可燃物發生燃燒。

1.3 建筑電氣過負荷火災

當電氣設備連接導線流通的電流值超過設備運行安全閾值時，連接導線的溫度將呈現瞬時升高現象，此種現象被稱為導線過負荷。當高層建筑中的電氣設備導線存在此種問題時，導線絕緣層的老化速度迅速提升，當絕緣層完全老化后，將會出現建筑電氣火災事故(事故原理同上)。

1.4 建筑電氣施工中的不規范行為引發的火災事故

工程施工方在進行建筑電氣接線與安裝施工時，會由于施工行為不規范、施工技術不標準，出現接線錯誤、接觸不良、絕緣層破壞等方面的問題，可引發火災事故[6]。尤其是在電氣安裝接線時，若是中性線安裝錯誤，單相設備的損壞概率將呈現顯著提升趨勢，在此種狀況下進行電氣設備的高頻率使用，勢必會引發火災事故。

2 基于CAN總線的高層建筑電氣火災監控設計

2.1 構建高層建筑電氣火災監控框架結構

為實現對高層建筑電氣火災的智能監控，嘗試引入CAN總線技術，首先針對火災監控的整體框架結構進行設計，如圖1所示。

圖1 高層建筑電氣火災監控整體框架結構示意圖

從圖1中的框架結構可以看出，針對電氣火災的監控需要通過各類傳感器的應用與安裝，實現對高層建筑現場各個與電氣火災相關的參數的獲取[7]。除此之外，還需要增設信號調理裝置、光電隔離裝置、A/D轉換器等設備的輔助，實現對現場的實時監控。將需要獲取的火災現場信號通過RS-485總線傳輸到各個控制器上，或對其進行就地控制。針對監控框架結構當中的微處理器可選用STC系列8G1K08-36I-SOP8型號單片機。該型號單片機針腳數為SOP-8；采用50PCS/管封裝；最小工作溫度為-50 ℃，最大工作溫度為125 ℃；規格為9.7 mm×3.2 mm×2.5 mm(長×寬×高)。在應用過程中，向8G1K08-36I-SOP8型號單片機中安裝10位A/D轉換器，并將轉換器的精度設置為10位。利用8G1K08-36I-SOP8型號單片機的顯示部分可以實現對三相電流以及漏電流測量參數等數據的實時展示[8]。將獲取到的0～5 V范圍內的標準信號發送到A/D轉換器當中。當傳感器檢測信號超出了事先設定的閾值，此時通過監控模塊自動發出聲光報警，并啟動脫扣使各個電氣設備暫停運行。

高層建筑電氣火災監控整體框架結構中針對溫度參數進行采集的傳感器選用SENSIRION-SHT20型號溫度傳感器；針對濕度參數進行采集的傳感器選用BME680 BOSCH型號濕度傳感器；針對火災發生時煙霧氣體參數進行采集的傳感器選用GQQ5-4980型號煙霧傳感器。表1為三種傳感器的性能描述對照表。

表1 三種傳感器的性能描述對照表

將上述三種不同功能傳感器采集到的數據傳輸到各個互感器裝置當中，并按照上述各個裝置的協助實現對高層建筑電氣火災的監控。

2.2 基于CAN總線的監控現場集中控制器選型設計

為實現對高層建筑電氣火災現場的集中監控，引入CAN總線實現對各個監控模塊的連接。選用主控微芯片為AT6465-460型號的控制器，針對現場傳感器獲取到的參數以及故障特征數據進行傳輸，并將結果顯示在LCD上。基于CAN總線的監控現場集中控制器結構框架圖如圖2所示。

圖2 基于CAN總線的監控現場集中控制器結構框架圖

結合圖2中所示的結構框圖，通過上位機監控界面以滾動的形式對獲取到的數據進行滾動展示。同時，在上位機當中還可以對各個節點進行添加、刪除等操作，通過設置延時時間也可實現防止誤動作產生，以避免其影響監控質量和監控效果。除此之外，通過對歷史相關數據的查詢，也可以實現對高層建筑電氣火災的發生原因、發生時間及發生時報警通道等信息的獲取，以此為后續火災救援提供更有力的信息。

2.3 監控信號調理電路設計

在實現對監控現場集中控制器的選型后，為了確保各個監控模塊之間實現協調運行，針對各個模塊之間連接的監控信號調理電路進行設計。應用精密整流電流將原本以交流形式傳輸的信號轉變為直流信號，并通過單片機對其進行處理，從而使信號能夠被RS-485總線識別并傳輸，確保在控制器當中能夠獲取到所需的監控數據。根據上述需要，設計如圖3所示的監控信號調理電路。

圖3 監控信號調理電路結構示意圖

按照如圖3所示的內容實現對調理電路的連接，并輔助實現對監控信號的傳輸，確保后續高層建筑電氣火災監控報警及顯示有充足的信息支撐。

2.4 高層建筑電氣火災監控報警及顯示

在上述完成對監控信號調理電路的設計后，為了能夠在第一時間實現對高層建筑電氣火災的報警與實時顯示，針對其報警及顯示進行優化設計。在這一過程中，首先對各個信號采集設備進行初始化處理，并通過鍵盤實現對AD采樣條件的設置。在完成信號采樣后，對獲取到的數據進行分析和判斷，并啟動報警裝置。若在這一過程中出現異常數據變化，則說明高層建筑電氣發生了火災事故，并且電氣設備的運行受到了影響，無法正常使用。此時在經過延時程序后，單片機的引腳導通并切斷電氣設備的電氣回路，使受到影響的電氣設備處于不工作的狀態。若在這一過程中未出現異常數據變化，則說明此時未發生火災，且電氣設備運行沒有受到影響，可以正常使用。此時在經過監控判斷后，單片機的引腳不會導通，電氣設備可繼續運行完成工作程序。按照上述論述內容，實現對高層建筑電氣火災的監控報警，并在發生火災時實現對電氣設備運行狀態的自動切換。同時，將上述操作過程中產生的各類數據傳輸到上位機當中，可供監控人員對數據的變化進行實時查詢，從而在第一時間確定火災發生的位置，并完成相應的防護措施。

3 對比分析

為證明設計的火災監控方法在實際應用中的可行性，設計如下文所示的對比實驗，實驗中，將此方法集成在高層建筑終端設備中，使用VisionⅡ程序進行監控過程中參數的調試。此步驟過程為：監控終端設備初始化處理→A/D數據采樣→監控數據集中處理→識別數據是否觸發預警或火災事故→當識別結果為“否”時，監控終端直接顯示此時監控數據，持續進行電氣設備運行監控；當識別結果為“是”時，證明此時電氣設備存在運行危險→定位出現異常現象的電氣設備→將此設備與繼電器線圈進行連接→傳輸預警數據并在監控終端顯示此時的數據→將相關數據進行集中整理后發送到數據調度中心，以便后續管理人員對數據的存儲與分析等。

按照上述流程進行實驗前的準備工作。完成對實驗的準備后，設定一個監控終端火災事故預警參數，在高層建筑中的電氣設備接線端安裝傳感器與數據處理器，實時獲取電氣設備連接線路的溫度值。將本文介紹的監控方法的反饋結果與傳統方法的反饋結果進行整理，結果見表2。

從表2可以看出，在13:23:55時刻，電氣設備的運行溫度超出預警界限。在此種條件下，監控終端應立刻觸發預警。但在完成實驗與監控終端技術人員的信息交互時發現，本文方法的監控終端存在1次溫度預警，而傳統方法的監控終端沒有被觸發預警。說明本文設計的方法可以在應用中實現對電氣火災事故的有效預警，從而保障建筑中電氣設備在運行中的安全性與穩定性。

表2 本文方法與傳統方法對建筑電氣運行的監控

4 結束語

根據我國消防單位與公安部門整理與統計的數據，在2019年全年，我國共發生大、中、小型火災約9萬起，事故中屬于城市火災事故的約為3.5萬起，在高層建筑或人員密集場所發生的火災事故約為1.5萬起，占城市火災事故總量的近三成。并且，隨著城市中高層結構建筑數量的增加，火災事故的數量、規模、傷亡人數、經濟損失都呈現一種逐年遞增的趨勢。為解決建筑火災問題，開展此次研究，對比實驗結果表明，本文設計的方法可以在應用中實現對電氣火災事故的有效預警，實現對建筑電氣安全的有效保障。