一種非接觸多點式電氣線路火災預警系統

胡汪琪，周林潔，薛大為

（蚌埠學院 電子與電氣工程學院，安徽 蚌埠 233030）

0 引 言

電氣線路火災是一種十分危險的火災形式，其爆發不僅會造成重大財產損失，還會威脅人身安全，因此研發一種高效準確的電氣線路火災預警系統對于預防和減少火災事故具有重要意義。目前，市場上的電氣線路火災預警系統多為接觸式監測方式，存在安裝難度大、易受環境干擾等缺點。文章提出一種基于非接觸多點式電氣線路火災預警系統，用以解決這些問題。

為了提升電氣線路火災預警系統的可靠性和實用性，提出一種新的預警系統。該系統采用熱紅外溫度傳感器進行非接觸多點式溫度測量，當電氣線路發生火災時，系統能夠及時發出預警，有效預防火災的發生。此外，該系統采用RS485 總線，通過主從式通信方式實現上位機對多個電氣線路溫度的實時監測，能夠及時發現電氣線路溫度異常情況，提前預警并進行故障排查，進一步提升了系統的可靠性和實用性[1]。

1 系統總體方案

1.1 系統設計思路

該系統旨在利用熱紅外溫度傳感器對電氣線路溫度進行非接觸式測量，實現對電氣線路火災的早期預警，從而避免或減少火災造成的損失，設計思路如下。

（1）系統結構設計。系統采用分布式結構，將溫度采集和預警處理分為下位機與上位機2 個模塊。下位機模塊通過熱紅外溫度傳感器對多個電氣線路的溫度進行非接觸式測量，將數據傳輸給上位機模塊進行實時監測和預警處理。

（2）傳感器選型。由于電氣線路火災時溫度升高較快，選擇具有高測量速度和精度的熱紅外溫度傳感器進行溫度測量。該傳感器可以在電氣線路不停電的情況下進行非接觸式測量，同時具有較高的抗干擾能力和穩定性。

（3）通信方式設計。系統采用RS485 總線進行下位機和上位機之間的通信，通過主從式通信方式實現多點式溫度數據的傳輸和實時監測[2]。

1.2 系統總體結構框圖

系統的總體結構框架如圖1 所示，包括下位機模塊和上位機模塊2 部分，其中下位機模塊主要由單片機、熱紅外溫度傳感器以及信號調理電路等組成，負責對多個電氣線路的溫度進行非接觸式測量，并將數據通過RS485 總線發送至上位機模塊。上位機模塊主要由計算機和數據監測程序組成，負責對多個電氣線路的溫度進行實時監測和預警處理，并在必要時向用戶發出報警提示[3]。

圖1 系統總體結構框架

2 下位機模塊設計

2.1 系統硬件設計

下位機模塊主要完成溫度采集、處理和發送等工作，主要由單片機、紅外溫度傳感器、信號調理電路等組成。

2.1.1 單片機的選型與原理

在該系統中，STM32F103ZET6 單片機被選作下位機控制器。首先，該單片機基于英國ARM 公司生產的Cortex-M3 內核，具有高性能、低功耗的32 位精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）處理器和512 kB 閃存等豐富的存儲器，可支持復雜的應用程序。其次，該單片機具有多個通用用途的輸入/輸出（Input/Output，I/O）引腳、定時器、串口和控制器局域網（Controller Area Network，CAN）總線接口等豐富的外設接口，方便與其他設備進行通信，實現系統的實時監測與控制。此外，該單片機不僅可實現系統的低功耗運行，節省電源消耗，還具有完善的開發工具鏈和調試功能，易于開發和調試應用程序[4]。

2.1.2 熱紅外溫度傳感器的選型與原理

熱紅外溫度傳感器是一種通過測量物體輻射出的紅外輻射能量計算物體表面溫度的傳感器，其工作原理基于斯特藩-玻爾茲曼定律，即物體表面的紅外輻射能量與其溫度成正比，且其輻射能量的波長范圍為8 ～14 μs。因此，利用紅外溫度傳感器可以實現非接觸式的溫度測量。

在選型方面，需要考慮傳感器的測量范圍、精度、響應速度、溫度漂移等因素。選用的熱紅外溫度傳感器型號為MLX90614ESF-BCF-000-TU，具有測量范圍廣、高精度、響應速度快以及低溫漂移小等優點，能夠滿足電氣線路火災預警的高要求。同時，該傳感器的價格也比較適中，符合實際應用的需求。

2.1.3 信號調理電路設計

在該系統中，信號調理電路的設計分為2 部分：溫度傳感器電路和信號放大電路。溫度傳感器電路用于將熱紅外傳感器檢測到的溫度轉換為電壓信號，而信號放大電路則將電壓信號放大到合適的范圍，以便后續處理。

在溫度傳感器電路方面，采用了環路反饋放大電路。該電路具有放大精度高、線性度好、穩定性強等優點，可精準檢測傳感器輸出的微弱信號。此外，該電路采用了低噪聲運放，有效降低了系統的噪聲干擾，提升了信號的可靠性。

在信號放大電路方面，采用了差動放大電路。該電路具有抗干擾能力強、輸出電壓范圍大等優點，能夠滿足系統對信號放大的需求。此外，該電路采用了高精度電阻和高精度運放，有效保證了信號放大的精度性和穩定性[5]。

2.2 系統軟件設計

下位機系統的軟件流程如圖2 所示。

圖2 系統軟件流程

（1）系統初始化。系統初始化主要包括I/O 口、串口等外設的初始化配置以及系統變量的初始化。

（2）溫度采集與處理。系統通過定時器定時觸發紅外溫度傳感器進行溫度測量，將測量得到的模擬信號經過信號調理電路放大、濾波和轉換為數字信號，并存儲到系統變量。

（3）數據發送。系統通過串口將采集到的溫度數據發送給上位機進行實時監測和預警處理。數據傳輸采用RS485 總線，通過主從式通信方式實現下位機和上位機之間的數據交互。在通信過程中，下位機作為從機接收上位機的命令和數據，上位機作為主機發送命令和數據給下位機。

3 RS485 通信模塊設計

3.1 RS485 通信

RS485 是一種串行通信協議，具有高抗干擾性和長距離傳輸等特點。在本系統中，采用RS485 總線作為下位機與上位機之間的通信方式，其中下位機為從設備，上位機為主設備。通信采用異步通信方式，傳輸速率為9 600 b/s，采用Modbus RTU 通信協議，主要定義了數據的傳輸方式、數據格式以及數據幀的結構。通信幀包括地址碼、功能碼、數據區以及循環冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）碼等，其中地址碼和功能碼指示了數據是由哪個設備發出和執行哪個功能，數據區包含了數據信息，CRC 校驗碼則用于驗證數據的正確性。此外，系統采用星型拓撲結構，即每個從設備通過獨立的雙絞線連接到主設備，所有從設備共用一條總線。主設備通過發送指令的方式實現對各個從設備的數據采集和控制[6]。

3.2 通信步驟

上位機和下位機之間的通信步驟如下。

（1）上位機作為主設備，通過RS485 總線與下位機，即從設備進行通信，其中上位機發送查詢以請求下位機的溫度數據，而下位機則以響應的形式回復所請求的數據。

（2）查詢幀包括起始位、地址位、控制位、數據位、校驗位以及停止位，其中起始位始終為高電平，表示數據幀的開始，而停止位為低電平，表示數據幀的結束。

（3）下位機接收到查詢后，收集溫度數據并在響應幀中將其發送回上位機，響應幀也包括起始位、地址位、控制位、數據位、校驗位以及停止位。

（4）當上位機接收到響應幀時，解析溫度數據并實時在用戶界面上顯示，可以定期向下位機發送查詢以持續監測電路的溫度數據。

總的來說，RS485 通信模塊提供了一種高效、可靠的方式，使上位機能夠實時地與下位機進行通信，有助于通過及時檢測溫度變化來預防潛在的電氣線路火災。

4 上位機監測設計

上位機監測設計的模塊如圖3 所示，主要包括以下內容。

圖3 上位機主要模塊

（1）界面設計。上位機監測程序的界面設計主要包括數據監測界面和報警界面2 個部分。數據監測界面通過圖表的方式實時顯示各個電氣線路的溫度變化情況，同時提供歷史數據查詢和導出功能；報警界面則通過彈窗和聲音的方式實現對異常溫度的警報提示。

（2）數據接收與處理。上位機通過串口與下位機進行通信，接收下位機發送的溫度數據。通過解析Modbus 協議中的數據區，獲取各電氣線路的溫度值，并將其顯示在數據監測界面上。同時，程序根據預設的溫度閾值進行判斷，如果有電氣線路的溫度超過閾值，就會觸發報警機制。

（3）報警功能實現。當上位機監測到電氣線路溫度超過預設的閾值時，會觸發報警機制。報警界面會自動彈出提示框，并發出聲音警報。同時，程序會將該電氣線路的溫度信息記錄在日志中。系統界面如圖4 所示。

圖4 系統界面

5 系統實驗與分析

在本系統的實驗中，使用了3 個電氣線路實驗樣本，每個樣本有多個測試點。在實驗室環境下進行了測試，測試環境溫度為20 ℃左右。

將實驗樣本接入系統，通過紅外溫度傳感器采集溫度數據，通過RS485 總線發送至上位機進行實時監測。在實驗過程中，模擬了電氣線路出現過載、短路和接觸不良等故障情況，并觀察系統是否能夠及時發出預警。實驗數據如表1 所示。

表1 實驗數據

實驗結果表明，本系統能夠對電氣線路進行高精度的溫度測量，具有較高的穩定性和可靠性。在故障模擬實驗中，系統能夠及時發出預警信號，有效避免了火災的發生。

6 結 論

文章設計了一種基于熱紅外溫度傳感器和RS485總線的電氣線路火災預警系統，具有非接觸測量、多點實時監測、系統穩定可靠、可遠程監控以及高效節能等優點，且實驗結果表明該系統能夠及時發出預警信號，有效預防火災事故的發生。