電氣工程師之古建筑電氣火災報警系統(tǒng)

　　在電氣通信結(jié)構(gòu)中，將無線網(wǎng)絡添加到RS-485電纜傳輸網(wǎng)絡中，使其成為電纜傳輸?shù)囊徊糠�，并結(jié)合無線傳輸?shù)膬?yōu)點和電纜傳輸?shù)膬?yōu)點形成一種混合的通信機制。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，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。電氣火災報警系統(tǒng)可以十分準確監(jiān)控電線的實時故障和異常狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)電火災隱患，并且報警，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。然而，傳統(tǒng)的電氣火災預警系統(tǒng)大多數(shù)都采用有線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，其敷設線路和維護成本較高。鉆孔對古建筑造成十分嚴重的破壞，老化線的現(xiàn)象將對監(jiān)測火災造成不利的影響。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡應用于實施監(jiān)控古建筑電火災將成為現(xiàn)實。因此，設計基于JenNet無線技術(shù)的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，提高防火可靠性是非常及時和必要的。古建筑電氣防火報警系統(tǒng)是指當檢測到的受保護的電路參數(shù)超過設定警報閾值時，可以發(fā)出報警信號并且指示出報警位置的自動裝置。目前，建筑電氣報警系統(tǒng)主要采用RS-485總線和CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸，其是無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠芯�網(wǎng)絡，敷設線受到限制。在本文中，我們研究了剩余電流電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)，并設計了一種新型的電火災預警系統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(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監(jiān)控系統(tǒng)中敷設線路的局限性問題，非常適合監(jiān)測古建筑的電火災。

　　1古建筑電氣火災分析

　　中國古代建筑中木結(jié)構(gòu)火災負荷載重大約是現(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性良好，并且有充足的氧氣，木質(zhì)建筑十分干燥。當火災發(fā)生時，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。又因為建筑物彼此相鄰過近，并且沒有防火隔離帶，如若發(fā)生火災，控制不及時，會蔓延至整個建筑群體。古建筑電氣火災產(chǎn)生的原因有如下幾點：漏電火災、短路火災、過負荷火災、接觸電阻過大火災。古建筑電氣火災有如下慘痛的案列：2003年1月20日，位于武當山的遇真宮因電氣發(fā)生火災，燒毀遇真宮主殿三間，建筑面積達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單位，因為配電箱內(nèi)線路發(fā)生故障引發(fā)電氣火災，燒毀古建筑達850m2，造成無法挽回的慘重損失。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、商鋪和基礎建筑設施等受災外，此次火災還造成古城內(nèi)部分文物及其它佛教文化藝術(shù)品燒毀，據(jù)初步統(tǒng)計火災燒毀房屋100多間，初步計算已造成經(jīng)濟損失多達1億元，此次火災產(chǎn)生的原因也是由于用電不慎引起的電氣火災。

　　2電氣火災監(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，被廣泛應用于該領域，無線監(jiān)控作為一個低功率的無線網(wǎng)絡協(xié)議。JenNet協(xié)議可以進一步簡化應用程序和開發(fā)的過程，ZigBee協(xié)議作為一種替代協(xié)議，比實際操作簡單，通過集成智能網(wǎng)絡、路由功能自我修復。傳統(tǒng)的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡很短、節(jié)點不穩(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)絡更適應動態(tài)更改，如節(jié)點連接和節(jié)點退出。

　　2.2電氣火災監(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)絡與無線傳輸網(wǎng)絡相結(jié)合，并將JenNet無線網(wǎng)絡添加到RS-485總線上，設計成電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。電氣火災監(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)絡組成。無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)選擇網(wǎng)絡樹拓撲結(jié)構(gòu)，由終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點組成。在接線有限的情況下，我們使用終端節(jié)點作為電氣火災監(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)絡與路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通信。與此同時，由于JenNet從站路由節(jié)點負責路由數(shù)據(jù)，當JenNet主站協(xié)調(diào)器節(jié)點工作時，連接RS-485總線的數(shù)據(jù)采集單元直接連接計算機，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂破�。在電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)中，上位機通過RS-485總線與JenNet主站進行的通信。當中央控制器接收到報警信號時，首先它會判斷是否需要發(fā)出命令來中斷電路，然后在斷開上級電路后盡量減。

　　3電氣火災報警探測器的設計

　　探測器的設計是電氣火災報警系統(tǒng)的重要組成部分，硬件采用模塊化設計，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、聲光報警模塊。本設計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收集物體的信息，然后上傳到無線處理器，用于存儲數(shù)據(jù)和控制傳感器節(jié)點。當發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后，無線處理器啟動聲光報警，完成節(jié)點間的通信。電源模塊主要為每個模塊提供電源。

　　3.1剩余電流采集模塊

　　剩余電流的檢測是監(jiān)測電氣火災系統(tǒng)的一個重要指標。剩余電流是通過剩余電流保護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體的漏電流。事實上，所有的電氣設備和電源電路都有剩余電流，這是線路或設備固有的。異常剩余電流，即故障剩余電流，主要是指電路漏電，導致相線與地之間短路。當異常剩余電流達到一定程度時，就可能產(chǎn)生電弧或電火花，甚至導致火災。異常剩余電流的原因復雜多樣，如電線絕緣老化、電氣設備的損壞、線路的人為誤接，容易導致異常剩余電流。正常的剩余電流一般不會導致電火花，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發(fā)生。為了探測古代建筑的電氣火災，探測器安裝在配電線路或配電箱的入口。火災探測器可收集低壓配電線路和周圍溫度信號的剩余電流信號。通過微機處理分析，將信號上傳到處理電路和微計算機上，與預設的剩余電流報警值和溫度報警值進行比較。如果測量值高于設置值，聲音和光報警模塊發(fā)送警報信號，并將警報信號上傳到上計算機。配電箱中通常安裝電氣火災監(jiān)測檢測器。如果JN5148模塊也應包括在配電箱中，天線必須從配電箱中伸出，否則，鐵殼的屏蔽效應將大大降低無線信號的衰減。在這種設計中，我們選擇AKH-0.66L-35型作為剩余電流互感器，專門用于采集火災報警系統(tǒng)的剩余電流，電流互感器輸出數(shù)字信號，輸出電壓為0~1V。

　　3.2溫濕度采集模塊

　　在發(fā)生電氣火災之前，線路的溫度會大幅上升，相反，濕度會急劇下降。根據(jù)溫度和濕度的變化，通過收集外部電氣火災監(jiān)測系統(tǒng)的溫度和濕度確定是否有火災。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(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芯片中，大大降低了產(chǎn)品的體積。因此，本設計采用JN5148芯片作為無線傳感器節(jié)點的核心，采用JenNet協(xié)議實現(xiàn)多個無線網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。JN5148由Jennic公司推出，體積小、功耗低、嵌入了一個增強型低功耗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，協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備。所有三種類型的節(jié)點的硬件都是基于JN5148的，功能區(qū)分是由特定程序設置的。在這個設計中，協(xié)調(diào)者是JenNet主站，在無線網(wǎng)絡系統(tǒng)初始化中起著重要的作用。路由器作為無線網(wǎng)絡上的JenNet的從站，主要功能是將信息不斷傳輸?shù)搅硪粋�節(jié)點。終端設備作為電氣火災探測器的重要組成部分，其主要任務是在發(fā)送或接收終端設備數(shù)據(jù)后收集數(shù)據(jù)并進行自身控制，不能作為父節(jié)點允許其他節(jié)點連接，也不能傳遞其他節(jié)點發(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)點類型，無論在什么網(wǎng)絡拓撲中，網(wǎng)絡都需要有一個唯一的協(xié)調(diào)節(jié)點。網(wǎng)絡層協(xié)調(diào)節(jié)點的功能是：選擇網(wǎng)絡頻道(一般是最安靜的頻道)、啟動網(wǎng)絡、加入其他節(jié)點、提供路由信息和安全管理等。協(xié)調(diào)器節(jié)點可以建立和維護網(wǎng)絡運行，并自動查找其他節(jié)點加入網(wǎng)絡的請求，具有自動功能。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JenNet節(jié)點，形成了一個樹狀結(jié)構(gòu)，并通過Rs-485總線將JenNet主站連接到電火花早期預警系統(tǒng)的中央控制器。在實驗中，建筑電氣實驗臺產(chǎn)生故障剩余電流，同時，設置中央控制器和終端節(jié)點探測器的報警值。在終端節(jié)點檢測到剩余電流后，通過JenNet無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳到從站，然后由JenNet無線網(wǎng)絡上傳到JenNet主站，最后通過RS-485總線上傳到中央控制器。經(jīng)過測試，電氣火災報警系統(tǒng)可以正常工作，終端檢測器的數(shù)據(jù)和報警信號可以通過中央控制器的管理軟件進行觀察，檢測器也可以產(chǎn)生聲光報警信號。當數(shù)據(jù)異常時，起初，終端節(jié)點檢測器的蜂鳴器將報警，之后上位機的管理軟件將通知主管。受通信條件影響的時間間隔分別在5s和7s，測試結(jié)果在預期中。如果我們用人造火逐漸靠近終端節(jié)點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

　　在本設計中，在電氣火災報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方面，我們將JenNet無線網(wǎng)絡作為電纜傳輸?shù)囊徊糠痔砑拥絉S-485電纜傳輸網(wǎng)絡。最終根據(jù)古建筑的特點，結(jié)合有線傳輸和無線傳輸?shù)膬?yōu)點，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缺陷和不足。JenNet網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸采用點對點通信，這種智能無線火災預警系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)的很多不足，諸如布線復雜的缺陷，造成建筑物的破壞等，無線火災預警系統(tǒng)特別是對古建筑早期的火災的探測具有顯著的效果。

　　參考文獻

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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，由中國科學技術(shù)協(xié)會主管、中國電工技術(shù)學會主辦的中國電工行業(yè)的學術(shù)輿論媒體。雜志依托中國電工技術(shù)學會的行業(yè)優(yōu)勢，立足電氣及自動化領域，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。