自适应智能用电安全探测器的设计与实现

深圳市赋安安全系统有限公司　吴晓娜

公安部、中央综治办、民政部、住房和城乡建设部、国家安全生产监督管理总局、国家能源局联合发布《高层建筑消防安全综合治理工作方案》（公消〔2017〕218号），要求结合老旧高层住宅改造工程推动安装电气火灾监控装置，利用智慧用电安全管理系统加强数据搜集、分析和应用，实行智能监测、动态管控，确保用电安全[1]。目前市场上的电气火灾产品满足不了小型工业园区、城中村、出租屋、三小场所、古建筑群、老旧高层建筑等细分领域的电气防火监控需求[2-3]。且目前市场上的探测器每个通道的类型固定，不能根据外接的传感器或互感器自动识别出通道类型。基于此，设计了一种自适应智能用电安全探测器，能够根据所接互感器或传感器自动识别剩余电流或温度，实时监测线路剩余电流变化、温度变化等相关数据；并进行分析处理，将结果通过转换器上报到远端监控平台，远端监控平台及时将相关信息以短信、微信、电话等方式推送到监控人员以便及时知晓火情并采取措施，可以极大的提高消防预警和信息化管理水平。本文将详细介绍自适应智能用电安全探测器的软硬件设计及测试情况。

1.系统整体框架

自适应智能用电安全探测器，具有4路剩余电流

或温度采集通道，并可任意配置为剩余电流或温度输入方式，能够对剩余电流和温度的通道类型自适应判断。探测器能够检测与其相连的剩余电流或温度传感器之间的连接线断开和短路时，点亮相应指示灯，判断开路/短路故障信息，以及超过阈值的报警信息。探测器将剩余电流和温度的实时数据，报警状态，故障状态通过RS485总线发送给转换器，转换器将信息通过无线方式发送给消防云平台。系统整体框架如图1所示：

图1　系统整体框架

2.系统硬件组成

自适应智能用电安全探测器采用ST的微处理器STM32F-030C8T6 ，该芯片有10路AD口，满足探测器采集4路剩余电流或温度传感器所需的8个AD口。电源处理模块是通过开关电源将外部220V交流电源转成5V电压，然后再通过LDO转换为3.3V给CPU供电。通信模块采用RS485通信方式。指示灯模块使用通用GPIO口控制5个指示灯的显示。

2.1　通道类型自适应模块设计

探测器4个通道能任意接剩余电流或温度信号进行采集，图2给出第1个通道的电路设计，其他通道电路与第1通道类似。RT11，RT12连接剩余电流互感器或者温度传感器的接线端子。选择闭口式剩余电流互感器[4]，二次阻抗100±20欧，额定一次剩余电流1000mA，额定二次剩余电流0.5mA，根据内孔尺寸的不同，应用于不同的用电线路阻回路漏电流（1000A，630A，400A，315A，225A，100A，63A）。选择带镀镍铜外壳的温度传感器，电阻抵抗值为100k±2%欧，使用温度范围为-20℃～150℃。SGM48751是一个

CMOS模拟IC，配置为8通道多路复用器，当CPU引脚SW_C2，SW_B2，SW_A2输出为低电平，低电平，高电平时，控制SGM48751的IKT1输出3.3V高电平。SGM3005是一个双重单刀双掷开关，CPU引脚ADCC1为高电平时控制RT11连接IL1，RT12连接RV1，ADCC1为低电平时控制RT11连接IKH1，RT12连接地。CPU控制SGM3005引脚将电路切换为RT11连接IKH1，RT12连接地，根据所选剩余电流互感器和温度传感器的内阻计算，软件采集判断ADT1的电压。当0.02V≤ADT1<0.06V时，判断外部输入为剩余电流互感器，当ADT1>2.8V时，可判断外部输入为温度传感器或输入开路。

2.2　剩余电流/温度开路、短路判断模块设计

CPU控制SGM3005引脚将电路切换为RT11连接IKH1，RT12连接地，这个电路判断输入为温度传感器时，当ADT1≧3.15V，可判断为所接温度传感器的通道开路，当ADT1<0.005V时，可判断温度传感器的通道短路。

判断输入为剩余电流互感器时，CPU控制SGM48751芯片使得IKT1输出3.3V高电平，R1和R5并联后与剩余电流互感器内阻分压。当ADT1≧3.15V，可判断为所接剩余电流互感器的通道开路，当ADT1<0.005V时，可判断剩余电流互感器的通道短路。

2.3　剩余电流/温度报警判断模块设计

CPU控制SGM3005引脚将电路切换为RT11连接IKH1，RT12连接地，这个电路判断输入为温度传感器时，电路不变，被监视部位温度变化引起温度传感器电阻阻值变化，采样电路将电阻的变化转变为电压的变化，MCU对检测的电压信号进行AD转换并通过算法处理实现监测被监视部位温度的变化判断用电线路工作是否正常。

CPU控制SGM3005引脚将电路切换为RT11连接IKH1，RT12连接地，这个电路判断输入为剩余电流互感器时，CPU引脚ADCC1输出低高电平时控制RT11连接IL1，RT12连接RV1，使电路切换为判断剩余电流报警，RT11和RT12连接剩余电流互感器，通过ADC1采集。剩余电流互感器采集的剩余电流信号送到运放的两端组成差分输入，MCU对放大后的信号进行AD转换并通过算法处理实现通过监测剩余电流变化判断用电线路工作是否正常。

图2　第一通道电路设计

3.系统软件实现

系统上电后，软件控制ADCC1为高电平，切换电路为判断通道类型的电路。软件进行采样判断出该通道接入的是剩余电流或温度。 再切换为对应的开路/短路判断电路，报警判断电路。程序流程如图3所示。探测器实现对4个通道的剩余电流/温度采集，每个通道占用两个AD口。软件设计采样定时器间隔为1.25ms，定时器1.25ms间隔到时，切换电路为第1通道，启动该AD采样，AD转换完成后，保存采样数据到缓存中；依次切换电路为2，3，4通道，完成其他通道的AD采样，转换，保存数据，每个通道采集到各自的16个点后计算有效值。剩余电流有效值通过参考电压，12位采样分辨率，运放，互感器额定一次与二次比值，得到用电线路的剩余电流值[5]。温度有效值通过厂家提供查表后，得到用电线路的温度值。

图3　软件程序流程图

根据采样得到的数据，采集的数据大于开路AD值时，开路故障点数加1，当开路故障点数≥12个时，更新剩余电流开路故障位。采集的数据小于短路AD值时，短路故障点数加1，当短路故障点数≥12个时，更新剩余电流短路故障位。温度开路/短路的程序流程相同。故障状态使用两个字节，按位显示不同的状态，位值为1表示故障，为0表示不故障。其中，bit0表示通道1剩余电流通道开路，bit1表示通道1剩余电流通道短路，bit2表示通道1温度通道开路，bit3表示通道1温度通道短路；bit4-bit7表示通道2的故障；bit8-bit11表示通道3的故障；bit12-bit15表示通道4的故障。

当剩余电流值超过阈值500mA时，更新报警状态位。当温度值超过阈值65℃时，更新报警状态位，并点亮对应指示灯[6]。报警状态使用一个字节，按位显示不同的状态，位值为1表示报警，为0表示不报警。其中，bit0表示通道1剩余电流报警，bit1表示通道1温度报警；bit2表示通道2剩余电流报警，bit3表示通道2温度报警；bit4表示通道3剩余电流报警，bit5表示通道3温度报警；bit6表示通道4剩余电流报警，bit7表示通道4温度报警。

采集到的数据，故障状态，报警状态以1S的时间间隔通过RS485总线定时上报给转换器[7]。

4.系统运行测试

对自适应智能用电安全探测器进行测试，探测器通道1接温度传感器，探测器2接剩余电流传感器。图4是用示波器对探测器测试,示波器CH1测试探测器的通道1,CH2测试探测器的通道2。从图中可以看出，CH1测得的电压为2.97V，CH2测得的电压为30mV，满足当0.02V≤ADT1<0.06V时，判断外部输入为剩余电流互感器，当ADT1>2.8V时，可判断外部输入为温度传感器。

图4　系统测试

5.结束语

本文设计的自适应智能用电安全探测器，自动识别通道类型，多种组合配置，方便施工。适合消防三小场所（小商铺、小作坊、小娱乐场所）、学生宿舍、批发市场、医院、城中村、出租屋等小微场所以及各类老旧建筑消防改造的烟感安装工程。探测器采集剩余电流精度可以达到3%，温度精度2%，系统运行稳定，满足电气火灾标准要求。

[1]肖华.六部门联合印发高层建筑消防安全综合治理工作方案[J].中国消防,2017(08).

[2]王堃.文物古建筑消防安全现状与对策[J].消防界(电子版),2017(11).

[3]周乔恒.浅谈“三小”场所安全隐患及安全管理对策[J].科技风,2017(07).

[4]张冠英,杨晓光,李奎,王尧,张波.剩余电流互感器的设计与特性分析[J].天津大学学报,2011(06).

[5]田树仁,张铁壁.一种智能火灾探测器系统的设计探讨[J].消防科学与技术,2011(10).

[6]蔡方廷,曲娜,丛作明,宁文双.剩余电流式电气火灾探测系统设计[J].科技视界,2017(09).

[7]叶亮.一种复合型电气火灾监控探测器设计[D].武汉理工大学硕士论文，2010.