無線通信技術下電氣火災智能監控系統研究

鄧繼昌

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著城市化建設的快速發展，城市居民用電量大幅增加，各類智能家居設備的廣泛應用導致電力線路的負載增大。為貫徹落實《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）要求，全面保障城市居民用電和人身安全，須進一步完善與升級建筑內部電氣火災監控報警系統，強化無線通信、物聯網、遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）通信等新技術應用。因此，文章分析與研究無線通信技術下的電氣火災智能監控系統設計，以期為助力火災監控報警系統智能化發展提供參考與借鑒。

1 無線通信技術下電氣火災智能監控系統設計特點

1.1 無線通信

利用無線通信技術，可以保障不同區域下的無線通信設備和終端進行正常通信，降低火情探測設備的部署難度，同時省去預留線路管道的成本，可以更好地在老舊建筑結構內搭建電氣火災智能監控系統。

1.2 終端數據采集功能

電氣設備異常或故障較大概率引發電氣火災，因此可以實時監測電氣數據實現監控電氣火災的效果。一般情況下，導致電氣火災發生的主要原因是剩余電流或溫度的數據超出正常閾值，同時包括配電箱、電源箱等結構被人為損壞，導致其中線路出現異常情況。通過電氣火災智能監控系統可以實時監測剩余電流、溫度等數據，也可以監控電柜門、配電箱等位置的情況，當出現異常情況后會及時將具體情況發送至管理人員手機、計算機等終端設備。

1.3 網絡化

以網絡環境為核心，利用物聯網技術、無線通信技術等信息化、數字化技術組建的電氣火災智能監控系統，可以有效聯動范圍內的所有終端設備，將其運行狀態、數據情況等上傳至人機交互界面，為相關管理人員提供清晰、便捷、完整的檢查方式，從而更好地開展集中統一管理及維護工作。同時，可以利用適當的無線通信技術擴大監控范圍，基于云平臺回收各終端檢測器所采集的數據信息并存儲至數據庫中，利用個人計算機（Personal Computer，PC）端操作平臺實現實時監控、遠程操作等效果。與傳統的電氣火災監控相比，電氣火災智能監控系統的監控范圍巨大，且可以有效節約物料成本與人力成本[1]。

2 基于無線通信技術的電氣火災智能監控系統架構設計

2.1 自動報警系統

在電氣火災智能監控系統設計方面應當具備或滿足以下幾方面功能和需求。一是系統內應具有多樣化的終端檢測器，如氣味檢測器、濕度檢測器、溫度檢測器等，確保檢測器能夠及時采集現場數據信息并發送至系統應用層，為管理人員提供相應數據信息。二是以電氣火災智能監控系統結構為標準，選擇合適的智能火災探測方法，避免出現應用傳統、老舊的火災探測方法的情況。三是檢查設置的終端檢測器、報警設備的靈敏度，一般情況下溫感檢測器的閾值設置在57 ℃即可，最高不超過160 ℃。為實現監控系統的自動化運行效果，應當合理設置精準的閾值自動歸正裝置。四是確保電氣火災智能監控系統的長效穩定運行狀態，以此為被監控環境提供可靠保障。同時，監控系統下的各類防火設備和檢測設備應當保持強聯動性，當其中某環出現異常后應及時帶動整個系統并做出相應操作。五是為增強該監控系統的覆蓋范圍以及有效性，應確保同類監控報警設備之間共享采集信號，當某區域出現火情后可以及時通報火情所在區域及相鄰區域內的人群，從而使其第一時間做好相應準備。六是為提高電氣火災智能監控系統的可操作性與操作便捷性，在設計其應用層界面時需保證整體干凈、簡潔，考慮操作人員之間的綜合素質、專業能力等存在差異，應當盡可能簡化操作步驟，保證操作人員能夠在短時間內操作監控系統，并減少其出現失誤的概率。以這些功能、需求為先導，科學架構電氣火災智能監控系統中的報警系統結構，報警系統結構如圖1所示。

圖1 報警系統結構圖

遠程感知檢測器會長時間監控、采集室內的環境數據信息，如溫度、濕度和光煙等，若檢測器所采集的數據出現異常，則直接將異常信號轉化為電子數據并發送至監控系統、管理員移動設備、報警設備，圖1 中的火災報警控制器會同步開啟報警裝置，大規模播放報警信號告知環境內所有人員撤出危險區域。滅火設備、防火設備等也會在控制器的控制作用下自動運行，從而有效阻止火情蔓延，為人們提供更多的逃生時間。當火情被有效控制后，監控系統會自動化復位所有設備狀態并持續監控環境情況[2]。

2.2 系統模塊功能

基于無線通信技術的電氣火災智能監控系統功能模塊主要包含火災探測模塊、LoRa 無線通信模塊和監控主機模塊，其各模塊功能如下。

2.2.1 火災探測模塊

火災探測模塊主要由無線通信設備、無線感煙檢測器和煙霧傳感器模塊組成。煙霧傳感器的主要功能是實時監控環境內的煙霧濃度，當濃度達到閾值或超出閾值時，會聯動無線感煙檢測器、電氣火災智能監控系統并做出相應操作，如報警、將具體情況發送至管理員等。利用無線通信設備可以第一時間將無線感煙檢測器所采集的數據信息傳輸至主控系統[3]。

火災探測模塊具體結構如圖2 所示。

圖2 火災探測模塊具體結構

2.2.2 LoRa 無線通信模塊

LoRa 無線通信模塊主要由匹配電路、信號發射電路、信號接收電路以及射頻芯片構成，作用是解調輸出信號與輸入信號。無線通信模塊在運行期間不僅需要實時接受網關信號并將其發送至主控芯片，還要將解調后的射頻信號傳輸至各個通信節點。射頻芯片可以選用SX1278芯片，其中包括電源、射頻輸出輸入、數字通信等引腳。為避免無線信號在傳輸期間出現丟失情況，應當設置合適的射頻信號阻抗。

2.2.3 監控主機模塊

電氣火災智能監控系統中的監控主機模塊的主要作用有監控、控制、通信等，其承擔處理數據信息的工作。監控主機模塊內置RS-232、以太網等接口，以便于若干主機聯網。監控主機主要包含報警按鍵、復位按鍵、電源電路、主控芯片及接口電路等。主控芯片通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）接口連接至SX1278 射頻芯片，而后利用LoRa無線通信模塊連接無線感煙檢測器，實現數據信息的雙向互通效果，并利用無線通信電路將收集的數據信息上傳至主機設備[4]。

3 基于無線通信技術的電氣火災智能監控系統軟件設計

電氣火災智能監控系統的軟件部分主要圍繞數據接收和數據采集2 方面設計。數據接收、采集2 個程序均包含接收數據流程、發送數據流程以及程序初始化機制等。其中，程序初始化機制會根據指令初始化處理系統中射頻芯片等內部數據，而后基于構建的數據包利用單片機流程傳送至射頻芯片中，進而實現輸出效果。接收數據流程部分是整合所采集的數據信息并按指令做出相應處理。采集端的流程如圖3 所示、接收端的流程如圖4 所示。

圖3 采集端的流程

圖4 接收端的流程

4 計算機仿真模擬測試

為測試電氣火災智能監控系統設計方案的有效性與合理性，用計算機仿真技術進行系統應用場景模擬測試。利用計算機仿真環境搭建火災場景，將環境內的無線溫感器的正常恒定溫度設置在40 ℃并對系統進行模擬，檢測電氣火災智能監控系統（以下簡稱系統1）的靈敏度，并引入基于手機客戶端的智能家居報警系統（以下簡稱系統2）和變電站弧光煙霧智能檢測報警系統（以下簡稱系統3）進行測試對比。火災報警溫度為75 ℃、報警器最大承受溫度為200 ℃。為保證實驗環節的真實性，實驗中對環境溫度進行隨機細微調整，溫感器測試結果如表1 所示。

表1 溫感器測試結果

表1 中，系統1 顯示值與實際環境溫度之間的差異為0.4 ～1 ℃，系統2 顯示值與實際環境溫度之間的差異為0.6 ～2.1 ℃，系統3 顯示值與實際環境溫度之間的差異為0.8 ～3.3 ℃。結果對比表明，系統1 即電氣火災智能監控系統顯示值與實際環境溫度之間的差異最小，這表明系統1 具備更高的環境溫度檢測靈敏性，且溫感器測試結果更為精準[5]。

5 結 論

智能化是火災報警系統的發展趨勢之一。文章結合物聯網技術、無線通信技術以及LoRa 通信技術構建的電氣火災智能監控系統能夠有效解決傳統火災報警系統煙霧檢測不靈敏問題，且更容易部署和操作。但是，該系統的設計優化與實際應用推廣，仍需要進行實景測試分析，通過實際應用總結系統設計不足，制定合理的優化對策。