基于無線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)

安 軍

（陜西建工集團(tuán)有限公司，西安 710000）

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[1-2]。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)著極高比例，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)[3]。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

1.1 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(jìn)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[4]。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IPC-610L 多擴展雙千兆網(wǎng)口上位機服務(wù)器[5]。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，PWM，Timers，GPIO，2-Wire Serial（I2C），SPI，UARTs，并配置96 K 的RAM 與192 K 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。最后配置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[6]。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[7]。

圖1 ZigBee 節(jié)點的配置Fig.1 Configuration of ZigBee node

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(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[8]。

藍(lán)牙單元使用的藍(lán)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)送引腳。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(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(jìn)行維護(hù)，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[9]。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(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)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(jìn)行解析；

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

（7）在監(jiān)聽ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的同時對總線進(jìn)行監(jiān)聽，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)據(jù)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)。

1.2 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[10]。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[11]。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、輸入寄存器、方向寄存器、輸出寄存器。通過8 MHz 晶體進(jìn)行驅(qū)動，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)：2 k 的BRAM、60 k的BFLASHROM、多個I/O 端口、硬件雙串口USARTl與USART0 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[12]。

圖2 剩余電流采集電路的設(shè)計Fig.2 Design of residual current acquisition circuit

1.3 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

式中：ωj′（a） 是第j 個輸出的輸入向量對應(yīng)的權(quán)向量；yj′（a）是第j 個輸出的輸入向量；l 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(zhǔn)則，即：

式中：γ 表示誤差準(zhǔn)則；F［］是均方差函數(shù)。

（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(dāng)γ 最小時，對最佳權(quán)系數(shù)β*進(jìn)行求解，求解結(jié)果為最小均方誤差點，濾除誤差大于求解結(jié)果的信號。其中最佳權(quán)系數(shù)求解公式為

式中：γmin為γ 的最小值；β（a）為輸入相關(guān)矩陣；β*為最佳權(quán)系數(shù)。

就此完成各種信號的濾波處理。

1.4 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)建模糊神經(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。

式中：mp為該層中設(shè)置的節(jié)點數(shù)；m1為輸入節(jié)點數(shù)；m2為輸出節(jié)點數(shù)；m 是處于1 到10 范圍內(nèi)的整數(shù)。

（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(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

2.1 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：135～210 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 ℃，數(shù)據(jù)量：1.2 GB。

對采集的各種信號進(jìn)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。

2.2 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)練中最小梯度值：20-10；訓(xùn)練時間：無窮大；訓(xùn)練目標(biāo)誤差：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。

2.3 測試結(jié)果與分析

2.3.1 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(jìn)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。

表1 信號穩(wěn)定性測試結(jié)果Tab.1 Signal stability test results

2.3.2 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(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、工作電壓信號、工作電流信號以及電氣線路溫度信號的最高測量誤差分別為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。

圖3 信號測量誤差測試Fig.3 Signal measurement error test

2.3.3 報警功能測試

對設(shè)計系統(tǒng)的報警功能進(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，最低僅為0.032%，同時系統(tǒng)的報警響應(yīng)時間較快，低于500 ms。

圖4 報警相對誤差以及報警響應(yīng)時間Fig.4 Relative error of alarm and alarm response time

2.3.4 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。

圖5 運行穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.5 Operation stability test results

3 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。