无线通信技术下电气火灾智能监控系统研究

邓继昌

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

随着城市化建设的快速发展，城市居民用电量大幅增加，各类智能家居设备的广泛应用导致电力线路的负载增大。为贯彻落实《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）要求，全面保障城市居民用电和人身安全，须进一步完善与升级建筑内部电气火灾监控报警系统，强化无线通信、物联网、远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）通信等新技术应用。因此，文章分析与研究无线通信技术下的电气火灾智能监控系统设计，以期为助力火灾监控报警系统智能化发展提供参考与借鉴。

1 无线通信技术下电气火灾智能监控系统设计特点

1.1 无线通信

利用无线通信技术，可以保障不同区域下的无线通信设备和终端进行正常通信，降低火情探测设备的部署难度，同时省去预留线路管道的成本，可以更好地在老旧建筑结构内搭建电气火灾智能监控系统。

1.2 终端数据采集功能

电气设备异常或故障较大概率引发电气火灾，因此可以实时监测电气数据实现监控电气火灾的效果。一般情况下，导致电气火灾发生的主要原因是剩余电流或温度的数据超出正常阈值，同时包括配电箱、电源箱等结构被人为损坏，导致其中线路出现异常情况。通过电气火灾智能监控系统可以实时监测剩余电流、温度等数据，也可以监控电柜门、配电箱等位置的情况，当出现异常情况后会及时将具体情况发送至管理人员手机、计算机等终端设备。

1.3 网络化

以网络环境为核心，利用物联网技术、无线通信技术等信息化、数字化技术组建的电气火灾智能监控系统，可以有效联动范围内的所有终端设备，将其运行状态、数据情况等上传至人机交互界面，为相关管理人员提供清晰、便捷、完整的检查方式，从而更好地开展集中统一管理及维护工作。同时，可以利用适当的无线通信技术扩大监控范围，基于云平台回收各终端检测器所采集的数据信息并存储至数据库中，利用个人计算机（Personal Computer，PC）端操作平台实现实时监控、远程操作等效果。与传统的电气火灾监控相比，电气火灾智能监控系统的监控范围巨大，且可以有效节约物料成本与人力成本[1]。

2 基于无线通信技术的电气火灾智能监控系统架构设计

2.1 自动报警系统

在电气火灾智能监控系统设计方面应当具备或满足以下几方面功能和需求。一是系统内应具有多样化的终端检测器，如气味检测器、湿度检测器、温度检测器等，确保检测器能够及时采集现场数据信息并发送至系统应用层，为管理人员提供相应数据信息。二是以电气火灾智能监控系统结构为标准，选择合适的智能火灾探测方法，避免出现应用传统、老旧的火灾探测方法的情况。三是检查设置的终端检测器、报警设备的灵敏度，一般情况下温感检测器的阈值设置在57 ℃即可，最高不超过160 ℃。为实现监控系统的自动化运行效果，应当合理设置精准的阈值自动归正装置。四是确保电气火灾智能监控系统的长效稳定运行状态，以此为被监控环境提供可靠保障。同时，监控系统下的各类防火设备和检测设备应当保持强联动性，当其中某环出现异常后应及时带动整个系统并做出相应操作。五是为增强该监控系统的覆盖范围以及有效性，应确保同类监控报警设备之间共享采集信号，当某区域出现火情后可以及时通报火情所在区域及相邻区域内的人群，从而使其第一时间做好相应准备。六是为提高电气火灾智能监控系统的可操作性与操作便捷性，在设计其应用层界面时需保证整体干净、简洁，考虑操作人员之间的综合素质、专业能力等存在差异，应当尽可能简化操作步骤，保证操作人员能够在短时间内操作监控系统，并减少其出现失误的概率。以这些功能、需求为先导，科学架构电气火灾智能监控系统中的报警系统结构，报警系统结构如图1所示。

图1 报警系统结构图

远程感知检测器会长时间监控、采集室内的环境数据信息，如温度、湿度和光烟等，若检测器所采集的数据出现异常，则直接将异常信号转化为电子数据并发送至监控系统、管理员移动设备、报警设备，图1 中的火灾报警控制器会同步开启报警装置，大规模播放报警信号告知环境内所有人员撤出危险区域。灭火设备、防火设备等也会在控制器的控制作用下自动运行，从而有效阻止火情蔓延，为人们提供更多的逃生时间。当火情被有效控制后，监控系统会自动化复位所有设备状态并持续监控环境情况[2]。

2.2 系统模块功能

基于无线通信技术的电气火灾智能监控系统功能模块主要包含火灾探测模块、LoRa 无线通信模块和监控主机模块，其各模块功能如下。

2.2.1 火灾探测模块

火灾探测模块主要由无线通信设备、无线感烟检测器和烟雾传感器模块组成。烟雾传感器的主要功能是实时监控环境内的烟雾浓度，当浓度达到阈值或超出阈值时，会联动无线感烟检测器、电气火灾智能监控系统并做出相应操作，如报警、将具体情况发送至管理员等。利用无线通信设备可以第一时间将无线感烟检测器所采集的数据信息传输至主控系统[3]。

火灾探测模块具体结构如图2 所示。

图2 火灾探测模块具体结构

2.2.2 LoRa 无线通信模块

LoRa 无线通信模块主要由匹配电路、信号发射电路、信号接收电路以及射频芯片构成，作用是解调输出信号与输入信号。无线通信模块在运行期间不仅需要实时接受网关信号并将其发送至主控芯片，还要将解调后的射频信号传输至各个通信节点。射频芯片可以选用SX1278芯片，其中包括电源、射频输出输入、数字通信等引脚。为避免无线信号在传输期间出现丢失情况，应当设置合适的射频信号阻抗。

2.2.3 监控主机模块

电气火灾智能监控系统中的监控主机模块的主要作用有监控、控制、通信等，其承担处理数据信息的工作。监控主机模块内置RS-232、以太网等接口，以便于若干主机联网。监控主机主要包含报警按键、复位按键、电源电路、主控芯片及接口电路等。主控芯片通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）接口连接至SX1278 射频芯片，而后利用LoRa无线通信模块连接无线感烟检测器，实现数据信息的双向互通效果，并利用无线通信电路将收集的数据信息上传至主机设备[4]。

3 基于无线通信技术的电气火灾智能监控系统软件设计

电气火灾智能监控系统的软件部分主要围绕数据接收和数据采集2 方面设计。数据接收、采集2 个程序均包含接收数据流程、发送数据流程以及程序初始化机制等。其中，程序初始化机制会根据指令初始化处理系统中射频芯片等内部数据，而后基于构建的数据包利用单片机流程传送至射频芯片中，进而实现输出效果。接收数据流程部分是整合所采集的数据信息并按指令做出相应处理。采集端的流程如图3 所示、接收端的流程如图4 所示。

图3 采集端的流程

图4 接收端的流程

4 计算机仿真模拟测试

为测试电气火灾智能监控系统设计方案的有效性与合理性，用计算机仿真技术进行系统应用场景模拟测试。利用计算机仿真环境搭建火灾场景，将环境内的无线温感器的正常恒定温度设置在40 ℃并对系统进行模拟，检测电气火灾智能监控系统（以下简称系统1）的灵敏度，并引入基于手机客户端的智能家居报警系统（以下简称系统2）和变电站弧光烟雾智能检测报警系统（以下简称系统3）进行测试对比。火灾报警温度为75 ℃、报警器最大承受温度为200 ℃。为保证实验环节的真实性，实验中对环境温度进行随机细微调整，温感器测试结果如表1 所示。

表1 温感器测试结果

表1 中，系统1 显示值与实际环境温度之间的差异为0.4 ～1 ℃，系统2 显示值与实际环境温度之间的差异为0.6 ～2.1 ℃，系统3 显示值与实际环境温度之间的差异为0.8 ～3.3 ℃。结果对比表明，系统1 即电气火灾智能监控系统显示值与实际环境温度之间的差异最小，这表明系统1 具备更高的环境温度检测灵敏性，且温感器测试结果更为精准[5]。

5 结 论

智能化是火灾报警系统的发展趋势之一。文章结合物联网技术、无线通信技术以及LoRa 通信技术构建的电气火灾智能监控系统能够有效解决传统火灾报警系统烟雾检测不灵敏问题，且更容易部署和操作。但是，该系统的设计优化与实际应用推广，仍需要进行实景测试分析，通过实际应用总结系统设计不足，制定合理的优化对策。