基于电力线载波技术的消防监控系统的设计

漳州市公安消防支队 吴劲龙 叶伟强

基于电力线载波技术的消防监控系统的设计

漳州市公安消防支队 吴劲龙 叶伟强

进入21世纪后，社会经济发展水平迅速提升，人们建立了高楼大厦、研究应用了多样的电气化设备，引发了相当的安全隐患，其中火灾成为城市建筑灾难的首名。为应对各种火灾情况，火灾报警系统的研制十分迫切，目前使用的火灾报警系统都难以迅速通过信号传送第一时间获得火灾警情，容易扩大损失，对此本文研究了一种基于电力线载波技术的消防监控系统，以加强对火灾的预警和监控。

电力线载波技术；通信技术；消防监控系统

1 引言

电力作为最方便的能源为生产生活提供了支持，但是在生产生活之中因为电流等电力因素引起的火灾灾难不胜枚举，为了提高消防预警系统的可靠性，需要加强对通信信号传送稳定性的研究，提高信号传输效率，最好控制使用成本范围。本文基于电力线载波技术进行消防监控系统的设计，致力于依靠电力线架设起监控数据传输体系，以提高报警系统的整体性能。

2 电力线载波技术、消防监控系统的概述

2.1 电力线载波技术的含义

电力线载波技术又称为电力线载波通信（Power Line Carrier），电力线载波通信顾名思义就是借助电力线，以电力线为媒介作为通信信号传递的手段，来进行数据信息与语音信息传递的通信方式[1]。电力线载波主要是利用调制器将原始信号加载到电力线之上，形成信号的转载，通过电力线把信号快速传送之后再通过接收设备接收信号。

2.2 电力线载波通信技术的优点与缺点

电力线载波通信具有传递信号的天然优势，不但能够降低投资成本还可以提升信号的传输速度。电力线载波通信的优点是：（1）合理利用现有的电力线作为传输通道。电力线载波的最大优势是可以借助已经存在的电力线，而不用再铺设通信网络。（2）电力线作为传输网络能够时刻保持通路。作为通信传输网络，只要电力线是在通电状态下就可以一直保持通信路线的畅通，而发生情况后可以及时向终端设备传输数据信息信号，方便快捷，省时有效。（3）电力线载波通信的传送速率非常快，最高可达到45Mbps，电力线载波通信的传送速度比拨号上网与ISDN的传送速度高很多。

当然，电力线载波通信技术作为当前还处于研究阶段的技术类型，也具有需要克服的几项缺点：（1）电力线受到各种环境和外力因素影响，使得传输数据信号变得困难。（2）电力线不同信号的耦合方式也影响数据信号在通信信道上的传输，更重要的是电力线载波信道本身状况比较复杂和噪声干扰多，传输特性非常恶劣。

2.3 消防监控系统的概念

消防监控系统就是具备火情探测与报警功能的监测系统，本文所要设计的基于电力线载波技术的消防监控系统主要依靠的是附近电力线，通过电力线来控制设备电力线上的通电情况，消防监控系统可以通过信号采集、反馈的功能快速得到监控对象的情况，有火情出现就有电力线发出原始信号通过调制器将原始信号加载到载波板，完成信号的转换达到快速传输的目的，这时消防监控系统可以通过对烟感信号、温度信号和电流信号的判断，分析在当前情况下采用断电处理还是报警处理。

3 基于电力线载波技术的消防监控系统设计分析

基于电力线载波技术的消防监控系统整体设计从两方面探索，首先是消防监控系统的硬件设计部分，这部分主要是利用硬件组成部分的研究增强消防监控系统的接收、转化能力。其次是消防监控系统的软件设计部分，软件设计部分是通过对消防监控系统中的编程部分进行合理规划，调整系统的编程框架，利用框架中各个模块的最优化设置来达到优秀的组合设计，最后用C语言实现每个算法的功能。

3.1 消防监控系统的硬件设计

3.1.1 芯片设计

为了克服电力线载波通信传输期间可能出现的干扰与噪声等问题，需要扩大载波信道上的调制系统功能，因此本次设计采用扩频通信系统，提高电力线载波通信信号的传输准确性。在芯片选择上，可以将PL3106通信芯片作为消防监控系统的通信芯片，利用PL3106通信芯片承载软件编程，还可以在此基础之上制作MCU[2]。使用PL3106通信芯片能够实现扩频调制的目的，也可以使电力线载波通信数据信号信息传输速度大大提升，并精确传输结果。

3.1.2 载波发送模块

载波发送模块主要是体现在两方面，第一，在子载波板处，当传感器对环境中发出的电流信号、温度信号、烟雾信号采集并输送到子载波时，子载波就会将之传送到主载波板；第二，当主载波接收子载波处传输过来的数据信号时，就会将分析后的结果通过电力线传输给自载波板。为了支持消防监控系统达到预期效果，在设计载波发送模块时分别选择应用霍尔电流传感器、PT1000温度传感器、NIS-09C型烟雾传感器以及12V发射电压的载波发送电路。

HG106C霍尔电流传感器可以通过测量电路中的电流信号，抓取有效电流信号数据信息并且直接转化为电压信号；PT1000温度传感器的抗超强振动性和检测温度的超级稳定性、准确性等优点可以促进消防监控系统设计的合理，接入PT1000温度传感器的电路可以通过温度信号数据处理电路发送到系统的未处理器；在设计烟雾信号采集试验过程中，发现当火灾发生时产生的烟雾颗粒直径在0/05-9um之间时，以空气隔离原理制成的烟雾传感器可以采集到烟雾信号，由此决定利用NIS-09C型烟雾传感器组成消防监控系统的硬件；当各类传感器探测到电路电流信号、温度信号、烟雾信号后，就会经过一系列数据处理系

统，进入电力载波线，通过载波发送电路中PSK_OUT传输出来，在多次试验之后发现处于12V发射电压下的情况时具有更大的稳定性。

3.1.3 载波接受模块

载波接受的顺序是电力线-耦合电路-混频解调-数据分析，当有载波信号发送来时载波接收电路就会利用谐振电路主动分离电力线上存在的载波信号。而耦合电路具有两种能力，既可以将载波信号直接从电力线上分离，又可以把载波信号拟合到电力线进行载波传输，可见耦合电路是载波接收模块的重要组成部分，在设计消防监控系统过程中需要仔细进行设计与安置。

3.1.4 电源电路

众所周知人生的生活用电电压是220V，因此在安装消防控制系统时可以在电压线路处安装变压器，将电流转变为幅度是13.5V的交流电压，之后利用整流桥再转化13.5V电压为12V的直流电压信号，当这段电压信号通过三端稳压器后又转变为5V电压，注意提前在电路中设计四处电容，分别在三端稳压器前后两个位置，这样就可以将电压信号中的高频成分与低频成分过滤除掉，获取电压信号。

3.1.5 被控设备

为了良好控制消防监控系统下的各个环节设备，可以利用PC发射命令信号来指挥不同的设备[3]。在进行被控设备设计时，选择两个设备作为实验对象，分别是照明灯和蜂鸣报警器，照明灯可设置在电路中间任何位置，蜂鸣报警器设置在电路末端，此时当电路导通后照明灯发亮，蜂鸣报警器发出报警声，反之阻断电路的正常通电情况下，照明灯无法亮灯，蜂鸣报警器也没有发出报警声。PC作为发送控制信号的一端，可以通过控制设备来满足工作需求。

3.2 消防监控系统的软件设计

3.2.1 模糊理论分析

模糊理论为各种领域的设计研究提供了可靠的帮助，当利用模糊系统建立基本的模糊模型后，可以对输入的数据进行模糊推理运算，通过对模糊理论的摸索和运用，本次设计利用模糊理论创设了一种基于模糊理论系统的模糊神经网络系统。实验过程中，将火灾数据包括霍尔电流值、温度值、烟雾传输给消防监控系统，系统进行样本训练学习。还有，在传感器采集到实时数据后，这些数据包括霍尔电流值、温度值、烟雾传输给该系统，此时的模糊神经网络系统就会通过模糊判断、模糊处理进行分析。

3.2.2 数据传输分析

数据传输程序是设计之中非常重要的内容，这关系到探测器采集的数据信号能否准确的传输到载波接收器之中。在设计时，应当根据设计的电路模块进行数据传输程序的设置。通过反复测试，发现主载波板和子载波板通过电力线直接相连的情况下，极限传输数据距离为150米，80米内可以准确、稳定的传输数据[4]。但是基于电力线载波技术的消防监控系统距离每一处电路的距离并不是固定的，可以每隔80米安装一个路由器，对数据传输进行接力，保证子载波板和主载波板不会遗失通信信号。

3.2.3 载波通信程序

载波通信程序的设计需要涵盖全面的模块，当中包括数据采集模块、火警报警分析模块、载波发送模块以及载波接收模块。在设计这一程序时可以将四个模块独立设置，之后再利用编程联合四个模块，这样就能够减少载波通信程序的编程难度，利用联合的方式提高载波通信程序的运行速度，并利于程序修改、测试、维护。

4 结束语

火灾报警系统作为报警装置受到人们的青睐，能够为人们的生命安全和财产提供保障，因此有必要加强对火灾报警装置进行研究。本文通过对电力线载波技术的分析，设计了能够依靠原有电路线进行信号传送的消防监控系统，在设计过程中发现基于电力线载波技术的消防控制系统具有抗噪声、抗干扰的优势，能够接收到更完整的载波信号，并且可以保持通信信号传送通畅。可见电力线载波技术在火灾报警装置方面的应用前景广阔。

[1]高瑾,孙煜皓,李明,李国良,张子扬,张莹,阮永宝,王芳美,Gehan A.J.Amaratunga.基于电力线载波通信技术的微型逆变器监控系统设计研究[J].云南师范大学学报(自然科学版),2015,35(05):23-27.

[2]焦勤皓.基于电力线载波的灌溉远程监控系统设计与实现[D].宁夏大学,2015.

[3]李水明.基于电力线载波技术的嵌入式视频监控系统研究[D].广西科技大学,2013.

吴劲龙（1978—），男，福建漳州人，大学本科，10级助理工程师，研究方向：放火监督。