漳州市公安消防支隊(duì) 吳勁龍 葉偉強(qiáng)

基于電力線載波技術(shù)的消防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

漳州市公安消防支隊(duì) 吳勁龍 葉偉強(qiáng)

進(jìn)入21世紀(jì)后，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平迅速提升，人們建立了高樓大廈、研究應(yīng)用了多樣的電氣化設(shè)備，引發(fā)了相當(dāng)?shù)陌踩[患，其中火災(zāi)成為城市建筑災(zāi)難的首名。為應(yīng)對各種火災(zāi)情況，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研制十分迫切，目前使用的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)都難以迅速通過信號傳送第一時(shí)間獲得火災(zāi)警情，容易擴(kuò)大損失，對此本文研究了一種基于電力線載波技術(shù)的消防監(jiān)控系統(tǒng)，以加強(qiáng)對火災(zāi)的預(yù)警和監(jiān)控。

電力線載波技術(shù)；通信技術(shù)；消防監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言

電力作為最方便的能源為生產(chǎn)生活提供了支持，但是在生產(chǎn)生活之中因?yàn)殡娏鞯入娏σ蛩匾鸬幕馂?zāi)災(zāi)難不勝枚舉，為了提高消防預(yù)警系統(tǒng)的可靠性，需要加強(qiáng)對通信信號傳送穩(wěn)定性的研究，提高信號傳輸效率，最好控制使用成本范圍。本文基于電力線載波技術(shù)進(jìn)行消防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，致力于依靠電力線架設(shè)起監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸體系，以提高報(bào)警系統(tǒng)的整體性能。

2 電力線載波技術(shù)、消防監(jiān)控系統(tǒng)的概述

2.1 電力線載波技術(shù)的含義

電力線載波技術(shù)又稱為電力線載波通信（Power Line Carrier），電力線載波通信顧名思義就是借助電力線，以電力線為媒介作為通信信號傳遞的手段，來進(jìn)行數(shù)據(jù)信息與語音信息傳遞的通信方式[1]。電力線載波主要是利用調(diào)制器將原始信號加載到電力線之上，形成信號的轉(zhuǎn)載，通過電力線把信號快速傳送之后再通過接收設(shè)備接收信號。

2.2 電力線載波通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

電力線載波通信具有傳遞信號的天然優(yōu)勢，不但能夠降低投資成本還可以提升信號的傳輸速度。電力線載波通信的優(yōu)點(diǎn)是：（1）合理利用現(xiàn)有的電力線作為傳輸通道。電力線載波的最大優(yōu)勢是可以借助已經(jīng)存在的電力線，而不用再鋪設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)。（2）電力線作為傳輸網(wǎng)絡(luò)能夠時(shí)刻保持通路。作為通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，只要電力線是在通電狀態(tài)下就可以一直保持通信路線的暢通，而發(fā)生情況后可以及時(shí)向終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)信息信號，方便快捷，省時(shí)有效。（3）電力線載波通信的傳送速率非?？?，最高可達(dá)到45Mbps，電力線載波通信的傳送速度比撥號上網(wǎng)與ISDN的傳送速度高很多。

當(dāng)然，電力線載波通信技術(shù)作為當(dāng)前還處于研究階段的技術(shù)類型，也具有需要克服的幾項(xiàng)缺點(diǎn)：（1）電力線受到各種環(huán)境和外力因素影響，使得傳輸數(shù)據(jù)信號變得困難。（2）電力線不同信號的耦合方式也影響數(shù)據(jù)信號在通信信道上的傳輸，更重要的是電力線載波信道本身狀況比較復(fù)雜和噪聲干擾多，傳輸特性非常惡劣。

2.3 消防監(jiān)控系統(tǒng)的概念

消防監(jiān)控系統(tǒng)就是具備火情探測與報(bào)警功能的監(jiān)測系統(tǒng)，本文所要設(shè)計(jì)的基于電力線載波技術(shù)的消防監(jiān)控系統(tǒng)主要依靠的是附近電力線，通過電力線來控制設(shè)備電力線上的通電情況，消防監(jiān)控系統(tǒng)可以通過信號采集、反饋的功能快速得到監(jiān)控對象的情況，有火情出現(xiàn)就有電力線發(fā)出原始信號通過調(diào)制器將原始信號加載到載波板，完成信號的轉(zhuǎn)換達(dá)到快速傳輸?shù)哪康?，這時(shí)消防監(jiān)控系統(tǒng)可以通過對煙感信號、溫度信號和電流信號的判斷，分析在當(dāng)前情況下采用斷電處理還是報(bào)警處理。

3 基于電力線載波技術(shù)的消防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

基于電力線載波技術(shù)的消防監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)從兩方面探索，首先是消防監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分，這部分主要是利用硬件組成部分的研究增強(qiáng)消防監(jiān)控系統(tǒng)的接收、轉(zhuǎn)化能力。其次是消防監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分，軟件設(shè)計(jì)部分是通過對消防監(jiān)控系統(tǒng)中的編程部分進(jìn)行合理規(guī)劃，調(diào)整系統(tǒng)的編程框架，利用框架中各個(gè)模塊的最優(yōu)化設(shè)置來達(dá)到優(yōu)秀的組合設(shè)計(jì)，最后用C語言實(shí)現(xiàn)每個(gè)算法的功能。

3.1 消防監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 芯片設(shè)計(jì)

為了克服電力線載波通信傳輸期間可能出現(xiàn)的干擾與噪聲等問題，需要擴(kuò)大載波信道上的調(diào)制系統(tǒng)功能，因此本次設(shè)計(jì)采用擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，提高電力線載波通信信號的傳輸準(zhǔn)確性。在芯片選擇上，可以將PL3106通信芯片作為消防監(jiān)控系統(tǒng)的通信芯片，利用PL3106通信芯片承載軟件編程，還可以在此基礎(chǔ)之上制作MCU[2]。使用PL3106通信芯片能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)頻調(diào)制的目的，也可以使電力線載波通信數(shù)據(jù)信號信息傳輸速度大大提升，并精確傳輸結(jié)果。

3.1.2 載波發(fā)送模塊

載波發(fā)送模塊主要是體現(xiàn)在兩方面，第一，在子載波板處，當(dāng)傳感器對環(huán)境中發(fā)出的電流信號、溫度信號、煙霧信號采集并輸送到子載波時(shí)，子載波就會(huì)將之傳送到主載波板；第二，當(dāng)主載波接收子載波處傳輸過來的數(shù)據(jù)信號時(shí)，就會(huì)將分析后的結(jié)果通過電力線傳輸給自載波板。為了支持消防監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期效果，在設(shè)計(jì)載波發(fā)送模塊時(shí)分別選擇應(yīng)用霍爾電流傳感器、PT1000溫度傳感器、NIS-09C型煙霧傳感器以及12V發(fā)射電壓的載波發(fā)送電路。

HG106C霍爾電流傳感器可以通過測量電路中的電流信號，抓取有效電流信號數(shù)據(jù)信息并且直接轉(zhuǎn)化為電壓信號；PT1000溫度傳感器的抗超強(qiáng)振動(dòng)性和檢測溫度的超級穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)可以促進(jìn)消防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理，接入PT1000溫度傳感器的電路可以通過溫度信號數(shù)據(jù)處理電路發(fā)送到系統(tǒng)的未處理器；在設(shè)計(jì)煙霧信號采集試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的煙霧顆粒直徑在0/05-9um之間時(shí)，以空氣隔離原理制成的煙霧傳感器可以采集到煙霧信號，由此決定利用NIS-09C型煙霧傳感器組成消防監(jiān)控系統(tǒng)的硬件；當(dāng)各類傳感器探測到電路電流信號、溫度信號、煙霧信號后，就會(huì)經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理系

統(tǒng)，進(jìn)入電力載波線，通過載波發(fā)送電路中PSK_OUT傳輸出來，在多次試驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)處于12V發(fā)射電壓下的情況時(shí)具有更大的穩(wěn)定性。

3.1.3 載波接受模塊

載波接受的順序是電力線-耦合電路-混頻解調(diào)-數(shù)據(jù)分析，當(dāng)有載波信號發(fā)送來時(shí)載波接收電路就會(huì)利用諧振電路主動(dòng)分離電力線上存在的載波信號。而耦合電路具有兩種能力，既可以將載波信號直接從電力線上分離，又可以把載波信號擬合到電力線進(jìn)行載波傳輸，可見耦合電路是載波接收模塊的重要組成部分，在設(shè)計(jì)消防監(jiān)控系統(tǒng)過程中需要仔細(xì)進(jìn)行設(shè)計(jì)與安置。

3.1.4 電源電路

眾所周知人生的生活用電電壓是220V，因此在安裝消防控制系統(tǒng)時(shí)可以在電壓線路處安裝變壓器，將電流轉(zhuǎn)變?yōu)榉仁?3.5V的交流電壓，之后利用整流橋再轉(zhuǎn)化13.5V電壓為12V的直流電壓信號，當(dāng)這段電壓信號通過三端穩(wěn)壓器后又轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓，注意提前在電路中設(shè)計(jì)四處電容，分別在三端穩(wěn)壓器前后兩個(gè)位置，這樣就可以將電壓信號中的高頻成分與低頻成分過濾除掉，獲取電壓信號。

3.1.5 被控設(shè)備

為了良好控制消防監(jiān)控系統(tǒng)下的各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)備，可以利用PC發(fā)射命令信號來指揮不同的設(shè)備[3]。在進(jìn)行被控設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，選擇兩個(gè)設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對象，分別是照明燈和蜂鳴報(bào)警器，照明燈可設(shè)置在電路中間任何位置，蜂鳴報(bào)警器設(shè)置在電路末端，此時(shí)當(dāng)電路導(dǎo)通后照明燈發(fā)亮，蜂鳴報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲，反之阻斷電路的正常通電情況下，照明燈無法亮燈，蜂鳴報(bào)警器也沒有發(fā)出報(bào)警聲。PC作為發(fā)送控制信號的一端，可以通過控制設(shè)備來滿足工作需求。

3.2 消防監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 模糊理論分析

模糊理論為各種領(lǐng)域的設(shè)計(jì)研究提供了可靠的幫助，當(dāng)利用模糊系統(tǒng)建立基本的模糊模型后，可以對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊推理運(yùn)算，通過對模糊理論的摸索和運(yùn)用，本次設(shè)計(jì)利用模糊理論創(chuàng)設(shè)了一種基于模糊理論系統(tǒng)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程中，將火災(zāi)數(shù)據(jù)包括霍爾電流值、溫度值、煙霧傳輸給消防監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)行樣本訓(xùn)練學(xué)習(xí)。還有，在傳感器采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，這些數(shù)據(jù)包括霍爾電流值、溫度值、煙霧傳輸給該系統(tǒng)，此時(shí)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就會(huì)通過模糊判斷、模糊處理進(jìn)行分析。

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸分析

數(shù)據(jù)傳輸程序是設(shè)計(jì)之中非常重要的內(nèi)容，這關(guān)系到探測器采集的數(shù)據(jù)信號能否準(zhǔn)確的傳輸?shù)捷d波接收器之中。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)計(jì)的電路模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸程序的設(shè)置。通過反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)主載波板和子載波板通過電力線直接相連的情況下，極限傳輸數(shù)據(jù)距離為150米，80米內(nèi)可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定的傳輸數(shù)據(jù)[4]。但是基于電力線載波技術(shù)的消防監(jiān)控系統(tǒng)距離每一處電路的距離并不是固定的，可以每隔80米安裝一個(gè)路由器，對數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行接力，保證子載波板和主載波板不會(huì)遺失通信信號。

3.2.3 載波通信程序

載波通信程序的設(shè)計(jì)需要涵蓋全面的模塊，當(dāng)中包括數(shù)據(jù)采集模塊、火警報(bào)警分析模塊、載波發(fā)送模塊以及載波接收模塊。在設(shè)計(jì)這一程序時(shí)可以將四個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)置，之后再利用編程聯(lián)合四個(gè)模塊，這樣就能夠減少載波通信程序的編程難度，利用聯(lián)合的方式提高載波通信程序的運(yùn)行速度，并利于程序修改、測試、維護(hù)。

4 結(jié)束語

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)作為報(bào)警裝置受到人們的青睞，能夠?yàn)槿藗兊纳踩拓?cái)產(chǎn)提供保障，因此有必要加強(qiáng)對火災(zāi)報(bào)警裝置進(jìn)行研究。本文通過對電力線載波技術(shù)的分析，設(shè)計(jì)了能夠依靠原有電路線進(jìn)行信號傳送的消防監(jiān)控系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)基于電力線載波技術(shù)的消防控制系統(tǒng)具有抗噪聲、抗干擾的優(yōu)勢，能夠接收到更完整的載波信號，并且可以保持通信信號傳送通暢?？梢婋娏€載波技術(shù)在火災(zāi)報(bào)警裝置方面的應(yīng)用前景廣闊。

[1]高瑾,孫煜皓,李明,李國良,張子揚(yáng),張瑩,阮永寶,王芳美,Gehan A.J.Amaratunga.基于電力線載波通信技術(shù)的微型逆變器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,35(05):23-27.

[2]焦勤皓.基于電力線載波的灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].寧夏大學(xué),2015.

[3]李水明.基于電力線載波技術(shù)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].廣西科技大學(xué),2013.

吳勁龍（1978—），男，福建漳州人，大學(xué)本科，10級助理工程師，研究方向：放火監(jiān)督。