電氣工程師之古建筑電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

　　在電氣通信結(jié)構(gòu)中，將無線網(wǎng)絡(luò)添加到RS-485電纜傳輸網(wǎng)絡(luò)中，使其成為電纜傳輸?shù)囊徊糠�，并結(jié)合無線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)和電纜傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)形成一種混合的通信機(jī)制。接下來小編簡單介紹一篇優(yōu)秀電氣通信論文。

　　古代建筑不僅是國家遺產(chǎn)，也是傳統(tǒng)文化的物質(zhì)載體，對促進(jìn)我國傳統(tǒng)文化的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。與現(xiàn)代建筑相比，古建筑具有十分顯著的特點(diǎn)，絕大多數(shù)古代建筑的主體結(jié)構(gòu)都是由純木材或磚瓦組成。然而，這種建筑物像火柴一樣非常容易燃燒。電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以十分準(zhǔn)確監(jiān)控電線的實(shí)時(shí)故障和異常狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電火災(zāi)隱患，并且報(bào)警，以此來提醒有關(guān)人員消除該隱患，避免發(fā)生重大的火災(zāi)。然而，傳統(tǒng)的電氣火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)大多數(shù)都采用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其敷設(shè)線路和維護(hù)成本較高。鉆孔對古建筑造成十分嚴(yán)重的破壞，老化線的現(xiàn)象將對監(jiān)測火災(zāi)造成不利的影響。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于實(shí)施監(jiān)控古建筑電火災(zāi)將成為現(xiàn)實(shí)。因此，設(shè)計(jì)基于JenNet無線技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，提高防火可靠性是非常及時(shí)和必要的。古建筑電氣防火報(bào)警系統(tǒng)是指當(dāng)檢測到的受保護(hù)的電路參數(shù)超過設(shè)定警報(bào)閾值時(shí)，可以發(fā)出報(bào)警信號(hào)并且指示出報(bào)警位置的自動(dòng)裝置。目前，建筑電氣報(bào)警系統(tǒng)主要采用RS-485總線和CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其是無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠芯�網(wǎng)絡(luò)，敷設(shè)線受到限制。在本文中，我們研究了剩余電流電氣火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了一種新型的電火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將傳統(tǒng)的RS-485總線與JenNet無線通信技術(shù)相結(jié)合，解決了古建筑電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中敷設(shè)線路的局限性問題，非常適合監(jiān)測古建筑的電火災(zāi)。

　　1古建筑電氣火災(zāi)分析

　　中國古代建筑中木結(jié)構(gòu)火災(zāi)負(fù)荷載重大約是現(xiàn)代建筑的33倍。建筑物的耐火等級為三級或者四級，耐火性能非常差。古代建筑的大多為群體建筑，建筑所處的位置通風(fēng)性良好，并且有充足的氧氣，木質(zhì)建筑十分干燥。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，建筑物的內(nèi)部散熱較為緩慢，由于溫度上升過快，因此容易發(fā)生火災(zāi)。又因?yàn)榻ㄖ�物彼此相鄰過近，并且沒有防火隔離帶，如若發(fā)生火災(zāi)，控制不及時(shí)，會(huì)蔓延至整個(gè)建筑群體。古建筑電氣火災(zāi)產(chǎn)生的原因有如下幾點(diǎn)：漏電火災(zāi)、短路火災(zāi)、過負(fù)荷火災(zāi)、接觸電阻過大火災(zāi)。古建筑電氣火災(zāi)有如下慘痛的案列：2003年1月20日，位于武當(dāng)山的遇真宮因電氣發(fā)生火災(zāi)，燒毀遇真宮主殿三間，建筑面積達(dá)236m2。2007年3月7日，位于貴州銅仁的“川主宮”，其是國家級文物保護(hù)單位，因?yàn)榕潆娤鋬?nèi)線路發(fā)生故障引發(fā)電氣火災(zāi)，燒毀古建筑達(dá)850m2，造成無法挽回的慘重?fù)p失。2014年1月11日，位于云南迪慶藏族自治州州府，香格里拉縣的古建筑群發(fā)生大火，除造成房屋、商鋪和基礎(chǔ)建筑設(shè)施等受災(zāi)外，此次火災(zāi)還造成古城內(nèi)部分文物及其它佛教文化藝術(shù)品燒毀，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)火災(zāi)燒毀房屋100多間，初步計(jì)算已造成經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)1億元，此次火災(zāi)產(chǎn)生的原因也是由于用電不慎引起的電氣火災(zāi)。

　　2電氣火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)

　　2.1JenNet協(xié)議

　　由英國Jennic開發(fā)的基于IEEE802.15.4的JenNet協(xié)議，被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域，無線監(jiān)控作為一個(gè)低功率的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。JenNet協(xié)議可以進(jìn)一步簡化應(yīng)用程序和開發(fā)的過程，ZigBee協(xié)議作為一種替代協(xié)議，比實(shí)際操作簡單，通過集成智能網(wǎng)絡(luò)、路由功能自我修復(fù)。傳統(tǒng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)很短、節(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定，但基于IEEE802.15.4的JenNet協(xié)議突破交流距離的極限，高智慧和靈活性的珍網(wǎng)使網(wǎng)絡(luò)更適應(yīng)動(dòng)態(tài)更改，如節(jié)點(diǎn)連接和節(jié)點(diǎn)退出。

　　2.2電氣火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)

　　在本技術(shù)中，將有線傳輸網(wǎng)絡(luò)與無線傳輸網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，并將JenNet無線網(wǎng)絡(luò)添加到RS-485總線上，設(shè)計(jì)成電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)由RS-485總線和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)選擇網(wǎng)絡(luò)樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。在接線有限的情況下，我們使用終端節(jié)點(diǎn)作為電氣火災(zāi)監(jiān)測檢測器的一部分，用于收集剩余電流、溫度和濕度的數(shù)據(jù)，并通過JenNet無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。與此同時(shí)，由于JenNet從站路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)路由數(shù)據(jù)，當(dāng)JenNet主站協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，連接RS-485總線的數(shù)據(jù)采集單元直接連接計(jì)算機(jī)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂破�。在電氣火�?zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，上位機(jī)通過RS-485總線與JenNet主站進(jìn)行的通信。當(dāng)中央控制器接收到報(bào)警信號(hào)時(shí)，首先它會(huì)判斷是否需要發(fā)出命令來中斷電路，然后在斷開上級電路后盡量減。

　　3電氣火災(zāi)報(bào)警探測器的設(shè)計(jì)

　　探測器的設(shè)計(jì)是電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的重要組成部分，硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，分別為無線微控制器模塊、剩余電流采集模塊、溫度采集模塊、電源模塊、聲光報(bào)警模塊。本設(shè)計(jì)主要介紹了無線微控制器、剩余電流的采集、溫度和濕度的采集。剩余電流傳感器和溫濕度傳感器可以自動(dòng)收集物體的信息，然后上傳到無線處理器，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和控制傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后，無線處理器啟動(dòng)聲光報(bào)警，完成節(jié)點(diǎn)間的通信。電源模塊主要為每個(gè)模塊提供電源。

　　3.1剩余電流采集模塊

　　剩余電流的檢測是監(jiān)測電氣火災(zāi)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。剩余電流是通過剩余電流保護(hù)裝置的主回路的電流矢量，換句話說，是漏電電流。在正常狀態(tài)下，回路的剩余電流與故障狀態(tài)的剩余電流不同。在正常工作條件下，剩余電流通常是正常的帶電導(dǎo)體的漏電流。事實(shí)上，所有的電氣設(shè)備和電源電路都有剩余電流，這是線路或設(shè)備固有的。異常剩余電流，即故障剩余電流，主要是指電路漏電，導(dǎo)致相線與地之間短路。當(dāng)異常剩余電流達(dá)到一定程度時(shí)，就可能產(chǎn)生電弧或電火花，甚至導(dǎo)致火災(zāi)。異常剩余電流的原因復(fù)雜多樣，如電線絕緣老化、電氣設(shè)備的損壞、線路的人為誤接，容易導(dǎo)致異常剩余電流。正常的剩余電流一般不會(huì)導(dǎo)致電火花，剩余電流是由異常剩余電流引起的。因此，一些早期發(fā)現(xiàn)和消除異常剩余電流故障可以防止電火災(zāi)發(fā)生。為了探測古代建筑的電氣火災(zāi)，探測器安裝在配電線路或配電箱的入口�；馂�(zāi)探測器可收集低壓配電線路和周圍溫度信號(hào)的剩余電流信號(hào)。通過微機(jī)處理分析，將信號(hào)上傳到處理電路和微計(jì)算機(jī)上，與預(yù)設(shè)的剩余電流報(bào)警值和溫度報(bào)警值進(jìn)行比較。如果測量值高于設(shè)置值，聲音和光報(bào)警模塊發(fā)送警報(bào)信號(hào)，并將警報(bào)信號(hào)上傳到上計(jì)算機(jī)。配電箱中通常安裝電氣火災(zāi)監(jiān)測檢測器。如果JN5148模塊也應(yīng)包括在配電箱中，天線必須從配電箱中伸出，否則，鐵殼的屏蔽效應(yīng)將大大降低無線信號(hào)的衰減。在這種設(shè)計(jì)中，我們選擇AKH-0.66L-35型作為剩余電流互感器，專門用于采集火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的剩余電流，電流互感器輸出數(shù)字信號(hào)，輸出電壓為0~1V。

　　3.2溫濕度采集模塊

　　在發(fā)生電氣火災(zāi)之前，線路的溫度會(huì)大幅上升，相反，濕度會(huì)急劇下降。根據(jù)溫度和濕度的變化，通過收集外部電氣火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的溫度和濕度確定是否有火災(zāi)。我們使用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11作為溫濕度檢測器，SHT11是SMT型傳感器芯片，傳感器和處理電路集成在一個(gè)微型電路板上。SHT11的工作電壓低于3.3V，其平均工作電流極低，具有精度高、功耗低的特點(diǎn)(如圖4所示)。

　　3.3無線微處理器模塊

　　無線射頻控制器可以集成到一個(gè)芯片中，大大降低了產(chǎn)品的體積。因此，本設(shè)計(jì)采用JN5148芯片作為無線傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，采用JenNet協(xié)議實(shí)現(xiàn)多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。JN5148由Jennic公司推出，體積小、功耗低、嵌入了一個(gè)增強(qiáng)型低功耗32位CPU，包含128KBROM，128KBRAM。因此，非常適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗和低成本的要求。JenNet協(xié)議定義了三種類型的節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。所有三種類型的節(jié)點(diǎn)的硬件都是基于JN5148的，功能區(qū)分是由特定程序設(shè)置的。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，協(xié)調(diào)者是JenNet主站，在無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初始化中起著重要的作用。路由器作為無線網(wǎng)絡(luò)上的JenNet的從站，主要功能是將信息不斷傳輸?shù)搅硪粋�(gè)節(jié)點(diǎn)。終端設(shè)備作為電氣火災(zāi)探測器的重要組成部分，其主要任務(wù)是在發(fā)送或接收終端設(shè)備數(shù)據(jù)后收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行自身控制，不能作為父節(jié)點(diǎn)允許其他節(jié)點(diǎn)連接，也不能傳遞其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　3.4協(xié)調(diào)器的主要工作流程

　　協(xié)調(diào)器是一種關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)類型，無論在什么網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲�，網(wǎng)絡(luò)都需要有一個(gè)唯一的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的功能是：選擇網(wǎng)絡(luò)頻道(一般是最安靜的頻道)、啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、加入其他節(jié)點(diǎn)、提供路由信息和安全管理等。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，并自動(dòng)查找其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請求，具有自動(dòng)功能。它的工作流程如圖6所示。

　　4系統(tǒng)功能測試

　　我們在房間內(nèi)安排多個(gè)JenNet節(jié)點(diǎn)，形成了一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)，并通過Rs-485總線將JenNet主站連接到電火花早期預(yù)警系統(tǒng)的中央控制器。在實(shí)驗(yàn)中，建筑電氣實(shí)驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生故障剩余電流，同時(shí)，設(shè)置中央控制器和終端節(jié)點(diǎn)探測器的報(bào)警值。在終端節(jié)點(diǎn)檢測到剩余電流后，通過JenNet無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到從站，然后由JenNet無線網(wǎng)絡(luò)上傳到JenNet主站，最后通過RS-485總線上傳到中央控制器。經(jīng)過測試，電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以正常工作，終端檢測器的數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)可以通過中央控制器的管理軟件進(jìn)行觀察，檢測器也可以產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，起初，終端節(jié)點(diǎn)檢測器的蜂鳴器將報(bào)警，之后上位機(jī)的管理軟件將通知主管。受通信條件影響的時(shí)間間隔分別在5s和7s，測試結(jié)果在預(yù)期中。如果我們用人造火逐漸靠近終端節(jié)點(diǎn)檢測器的溫濕度模塊，測試結(jié)果與之前的測試結(jié)果相同。

　　5結(jié)語

　　在本設(shè)計(jì)中，在電氣火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方面，我們將JenNet無線網(wǎng)絡(luò)作為電纜傳輸?shù)囊徊糠痔砑拥絉S-485電纜傳輸網(wǎng)絡(luò)。最終根據(jù)古建筑的特點(diǎn)，結(jié)合有線傳輸和無線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，采用JenNet無線通信方式，在有限布線的情況下，使用主站和中央控制器之間的電纜通信來彌補(bǔ)缺陷和不足。JenNet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸采用點(diǎn)對點(diǎn)通信，這種智能無線火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)的很多不足，諸如布線復(fù)雜的缺陷，造成建筑物的破壞等，無線火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)特別是對古建筑早期的火災(zāi)的探測具有顯著的效果。

　　參考文獻(xiàn)

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　　閱讀期刊：電氣技術(shù)

　　《電氣技術(shù)》(月刊)創(chuàng)刊于2000年，由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管、中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)主辦的中國電工行業(yè)的學(xué)術(shù)輿論媒體。雜志依托中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)的行業(yè)優(yōu)勢，立足電氣及自動(dòng)化領(lǐng)域，跟蹤國內(nèi)外前沿技術(shù)，為制造商發(fā)布最新產(chǎn)品信息，為用戶提供最佳的解決方案。