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(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

隨著科技的進(jìn)步和生活理念的變化，人們在享受智能樓宇帶來的舒適環(huán)境的同時(shí)，對其安全性的要求也越來越高，其中火災(zāi)監(jiān)測報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)是智能樓宇及其他建筑內(nèi)必備的設(shè)備[1]。

在智能樓宇中，火災(zāi)監(jiān)測通常有兩種方式：第一種是預(yù)防性的，諸如對智能樓宇內(nèi)用電系統(tǒng)的漏電監(jiān)測；第二種是通過監(jiān)測煙霧報(bào)警器或溫度傳感器對明火的監(jiān)測。消防的核心理念是防患于未然，第一種方案的特點(diǎn)是能夠及早報(bào)警避免損失，而第二種方案的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)通常與消防聯(lián)動(dòng)設(shè)備如水噴霧滅火、氣體滅火、泡沫滅火等系統(tǒng)關(guān)聯(lián)[2]，用于控制或降低火災(zāi)發(fā)生后造成的損失。因此，第一種監(jiān)測方法在智能樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中的地位就顯得尤為突出，但通常這兩種監(jiān)測方式同時(shí)存在于智能樓宇中。

據(jù)有關(guān)建筑火災(zāi)起因的統(tǒng)計(jì)分析[3]，我國高層建筑火災(zāi)中有34%的火災(zāi)起因是電氣故障，而一半以上的電氣火災(zāi)是由于漏電造成的，漏電電流達(dá)到300mA時(shí)，意味著火災(zāi)危險(xiǎn)的開始。GB50045—95(2005年版)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對此作出了規(guī)定：高層建筑內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)性大、人員密集等場所應(yīng)設(shè)置漏電火災(zāi)監(jiān)測及報(bào)警系統(tǒng)。

漏電火災(zāi)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)通常包括若干個(gè)實(shí)現(xiàn)漏電監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)下位機(jī)，1臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、顯示及打印的上位機(jī)，以及智能樓宇的服務(wù)器。本文重點(diǎn)介紹實(shí)施監(jiān)測功能的下位機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案。

1 工作原理及硬件架構(gòu)

智能樓宇內(nèi)的供電系統(tǒng)一般是AC380V的三相電制式，分配到各個(gè)用電設(shè)備端時(shí)通過抽取轉(zhuǎn)換成AC220V的單相電。用電設(shè)備正常工作時(shí)，流入和流出零線N和火線L的電流應(yīng)該是相等的即處于平衡狀態(tài)。若兩者電流不相等，則說明用電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在漏電現(xiàn)象，漏電電流通過地線或者其他回路發(fā)生了泄露[4-5]。除了有發(fā)生火災(zāi)的潛在危險(xiǎn)外，還有可能發(fā)生人員觸電的危險(xiǎn)。

本文的漏電火災(zāi)報(bào)警監(jiān)測器以高性能的微處理器dsPIC30F3014為核心，通過互感線圈和溫度傳感器實(shí)現(xiàn)漏電和用電線路的溫度監(jiān)測，通過信號調(diào)理陣列的配合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通過與CAN總線收發(fā)器的配合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)打包及上傳、參數(shù)設(shè)定及狀態(tài)讀取，硬件架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于dsPIC30F3014的漏電火災(zāi)報(bào)警檢測器硬件架構(gòu)框圖

漏電火災(zāi)監(jiān)測器應(yīng)具有下列功能：探測漏電電流、過電流等信號，準(zhǔn)確報(bào)出故障線路地址，監(jiān)視故障點(diǎn)的變化；上報(bào)各種故障，切斷漏電線路上的電源，并顯示其狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心控制單元

該方案選用dsPIC30F3014作為核心控制器[6]，是由于其具有滿足應(yīng)用特性的以下幾大優(yōu)勢：

(1)16位高性能數(shù)字信號處理器。

(2)運(yùn)行速度最高為30MIPS。

(3)所有DSP指令具有單周期指令。

(4)CAN總線模塊：實(shí)現(xiàn)了CAN協(xié)議CAN1.2、CAN2.0A和CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)。

(5)最多13通道，200ksps采樣率，12bit分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡稱ADC，下同)。

(6)專為工業(yè)級應(yīng)用設(shè)計(jì)，高可靠性。

dsPIC30F3014硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。在該設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用了9路ADC，分別用于采集3對零線和火線的電流和對應(yīng)于3對線路上的電線溫度。除了漏電可能引發(fā)火災(zāi)外，大功率設(shè)備正常工作時(shí)消耗的大電流，同樣會引起用電線路的溫度升高，可能引發(fā)火災(zāi)。因此，在該設(shè)計(jì)中以漏電監(jiān)測為主，同時(shí)以用電線路的溫度監(jiān)測為輔，以此來提高該系統(tǒng)的工作可靠性。

圖2 核心控制單元電路圖

此外，通過該處理器上的CAN接口模塊和CAN收發(fā)器進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)通信及數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 電源設(shè)計(jì)

該檢測器需要兩路電源：+12V，用于激勵(lì)互感線圈；+5V，用于核心控制器及運(yùn)算放大器等器件供電。此外，鑒于該產(chǎn)品應(yīng)用的特殊性，除了需要進(jìn)行3C認(rèn)證外，還需要進(jìn)行消防專業(yè)認(rèn)證，對產(chǎn)品電源部分的安全特性要求較高。因此，除了通常的過壓、過流等保護(hù)措施外，該電源設(shè)計(jì)采取的是全隔離方式。監(jiān)控器供電直接從AC220V獲取，通過變壓器出3組抽頭，經(jīng)整流、穩(wěn)壓等處理輸出所需要的兩路電源，另外一組抽頭實(shí)現(xiàn)光電隔離控制。

2.3 CAN總線通信模塊

在此選用CAN總線收發(fā)器82C250，作為CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的差動(dòng)發(fā)送和對CAN控制器的差動(dòng)接收。盡管該收發(fā)器本身具有一定的抗電磁干擾(EMI)能力，但在實(shí)際應(yīng)用中傳輸線路中的干擾仍不容忽視。因此，在該設(shè)計(jì)中在CAN總線接口處增加了浪涌吸收設(shè)計(jì)。

CAN總線除了完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ芡猓€通過CAN本身的ID提供監(jiān)測點(diǎn)的地理位置信息，以方便管理人員查詢和進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

2.4 信號調(diào)理陣列

信號調(diào)理主要是對監(jiān)測電線中的電流信號實(shí)現(xiàn)由電流到電壓的轉(zhuǎn)換(I/V變換)，并對弱信號進(jìn)行放大和濾波等處理，確保進(jìn)入ADC的信號接近其最大輸入幅度，從而提高動(dòng)態(tài)采集范圍，有效利用ADC的采集精度。在此選用MCP6004，它是一款寬動(dòng)態(tài)范圍(帶寬1MHz)、軌到軌輸入輸出的四路集成運(yùn)算放大器。

3 CAN應(yīng)用協(xié)議設(shè)計(jì)

監(jiān)測器作為下位機(jī)與上位機(jī)通過CAN總線進(jìn)行通信時(shí)，通訊格式嚴(yán)格執(zhí)行CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀格式。

在上下位機(jī)的CAN通信過程中，包括下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)還包括上位機(jī)對下位機(jī)的參數(shù)設(shè)定及狀態(tài)讀取。通信過程中分為2種數(shù)據(jù)幀：廣播幀和正常通訊幀。

3.1 廣播幀

作為下位機(jī)的監(jiān)測器是接受方，用于上位機(jī)向眾多的下位機(jī)發(fā)送地址編寫、讀地址、讀通道數(shù)、設(shè)定輔路數(shù)等指令，接收到相應(yīng)命令后向上位機(jī)反饋對應(yīng)信息。廣播幀的通信格式舉例如下：

讀地址和通道類型 00A

Eample：IDRTR幀格式COUNTDATA

發(fā)送 0x000A1 遠(yuǎn)程幀 0

接收 0x0230 0 數(shù)據(jù)幀 1 00(無輔路現(xiàn)在打開)

接收 0x0230 0 數(shù)據(jù)幀 1 03(3輔路現(xiàn)在打開)

返回ID=(主路地址號?4)

DATA里第1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)為現(xiàn)在打開的輔路通道數(shù)量。

3.2 正常通信幀

用于參數(shù)設(shè)定，如報(bào)警參數(shù)設(shè)定、基準(zhǔn)電壓設(shè)定、溫度校準(zhǔn)設(shè)定、漏電電流校準(zhǔn)設(shè)定等。此外還包括讀取動(dòng)作指令，如讀數(shù)據(jù)、讀狀態(tài)、發(fā)送斷電指令等功能。正常通信幀的格式舉例如下：

讀報(bào)警參數(shù)：DD2，DD：表示地址

Eample：IDRTR幀格式COUNTDATA

發(fā)送 0x0232 1 遠(yuǎn)程幀 0 主路

接收 0x0237 0 數(shù)據(jù)幀 3C8 00 3C主路

發(fā)送 0x0242 1 遠(yuǎn)程幀 0 輔路

接收 0x0247 0 數(shù)據(jù)幀 2C8 00 輔路

(主路地址號?4)+7

輔路地址=主路地址+輔路號

前兩個(gè)字節(jié)表示漏電流報(bào)警設(shè)置值第1、2字節(jié)分別是漏電流的低和高字節(jié)，第3個(gè)表示溫度報(bào)警設(shè)置值。

通過上述自定義應(yīng)用層協(xié)議，完成了上下位機(jī)的良好交互。監(jiān)測器在完成漏電和線路溫度監(jiān)測的同時(shí)，可接收上位機(jī)的設(shè)定指令和狀態(tài)讀取等指令，從而將數(shù)據(jù)上傳，并及時(shí)響應(yīng)、配合上位機(jī)進(jìn)行工作。

4 結(jié)語

該監(jiān)測器針對中、小型電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用嵌入式CPU作為核心控制芯片，通過CAN總線和監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，可實(shí)時(shí)顯示、監(jiān)控回路剩漏電流和溫度值。具有高性能的通訊總線，對等的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)備工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)可靠，性價(jià)比較高。目前，該漏電火災(zāi)報(bào)警監(jiān)測器設(shè)計(jì)已與某公司合作完成了產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，滿足GB14287.1—2005《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng) 第1部分：電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備》，通過了相關(guān)認(rèn)證，并在機(jī)場、辦公大樓等智能樓宇中得到了應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程敦伍，劉祖德.智能樓宇火災(zāi)報(bào)警與消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].地址勘探安全，2000(2)：31-33，11.

[2] 王黎明，劉健.火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用[J].電子測試，2014(5)：93-95.

[3] 孫景芝.電氣消防技術(shù)[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4]GB14287.1—2005，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng) 第1部分：電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備[S].

[5]GB14287.2—2005，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng) 第2部分：剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器[S].

[6]dsPIC30F3014_4013數(shù)據(jù)手冊[K].Arizona：MicrochipTechnologyInc.，2007.