基于物联网技术的电气火灾监控系统

朱敦忠 李高宇 袁梅 周红锴 吴世贵

摘  要：电气火灾居各火灾之首，电气线路是引发电气火灾的主要起火源，文章就电气火灾提出基于物联网技术的电气火灾监控系统。系统由电气火灾监控终端、无线通信协调器和管理服务平台等组成。电气火灾监控终端负责电气线路监控;无线通信协调器负责电气火灾监控终端与管理服务平台之间的数据通信;管理服务平台主要对电气终端的电量、电气线路短路等异常报警。经运行，系统对预防电气火灾的发生具有现实意义。

关键词：电气线路监控;电量检测;ZigBee;LoRa

中图分类号：TP312        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）01-0154-06

Abstract： Electrical fire ranks the first among all fires， and electrical circuit is the main source of causing electrical fire. In this paper， an electrical fire monitoring system based on Internet of Things is proposed. The system is composed of electrical fire monitoring terminal， wireless communication coordinate machine and management service platform. The electrical fire monitoring terminal is responsible for the electrical circuit monitoring， and the wireless communication coordinate machine is responsible for the data communication between the electrical fire monitoring terminal and the management service platform. The management service platform mainly alarms the abnormal situation of electric quantity of electrical terminal and short circuit of electrical circuit and so on. After operation， the system has practical significance to prevent the occurrence of electrical fire.

Keywords： electrical circuit monitoring; electric quantity detection; ZigBee; LoRa

0  引  言

根據我国近几年的火灾统计，电气火灾年均发生次数占火灾年均总发生次数的30%左右，占重特大火灾总发生次数的80%左右，居各火灾原因之首，且损失占火灾损失的53%左右，而发达国家每年电气火灾发生次数仅占总火灾发生次数的8%～13%。电气线路是引发电气火灾的主要起火源（约占50%），其次是用电器具、电气设备和用电设备。另外，照明器具过热也比较突出，主要是日光灯镇流器长期处于工作状态，产生过热或故障。短路是引发电气火灾的主要原因（约占51%），其次是过热和接触不良。因此，对电气线路进行监控避免电气火灾的发生显得尤为重要，本文就电气火灾提出基于物联网技术的电气火灾监控系统，通过实时采集电气线路电量参数及周围温度参数等，遇到电气线路短路等异常情况时，系统及时报警并切断电气线路防止进一步恶化，因此，通过电气火灾监控系统预防电气火灾的发生具有现实意义。

1  系统组网技术分析

本电气火灾监控系统由电气火灾监控终端、无线通信协调器和管理服务平台等组成，系统组网如图1所示，系统采用ZigBee、LoRa和以太网技术进行组网和数据通信。考虑到LoRa技术模块较ZigBee技术模块在价格上要高，从开源节流角度出发，视电气火灾监控的实际环境情况分三个层面选用不同的数据传输网络，一是在复杂的环境时，如无网络覆盖需要穿墙的地下环境，选用LoRa和以太网方式进行数据的传输;二是在良好的环境，如室内同一楼层的办公，场合时将选用低成本的ZigBee技术进行组网和数据通信;三是不同楼层与楼栋之间为保证数据传输过程中的完整性、可靠性以及系统安装的简易、便捷性，则先将同楼层的ZigBee数据汇聚到每层带有LoRa技术的协调器，利用LoRa技术具有超高的接收灵敏度（RSSI）、超强信噪比（SNR）和远距离传输的特性进行不同楼层与楼宇之间的数据传到服务器上。四是用户利用手机、电脑通过以太网连接到管理平台查看系统数据。

2  系统设计

如图1所示，电气火灾监控系统由电气火灾监控终端、无线通信协调器和管理服务平台等组成。协调器负责实现终端与管理服务平台之间数据通信;管理服务平台主要对电气终端的电量、电气线路短路等异常进行报警等管理;电气火灾监控终端主要完成电气线路的电量参数、环境温度等数据采集和传输，并对电气线路全方位的监控。

2.1  管理服务平台

管理服务平台主要对电气终端的电量、电气线路短路等异常进行报警等管理。一是收集各电气火灾监控终端节点的电量数据及环境温度等数据值;二是当电气线路电量、温度等参数达到预警状态时，若发生线路异常，则向电气火灾监控终端发送切断电气线路指令数据，控制终端执行切断操作防止进一步恶化。管理服务平台旨在为用户、用电单位、安全监管部门及时掌握线路存在的用电安全隐患，达到事前监管，提早介入目的。

2.1.1  管理服务平台硬件设计

管理服务平台系统组成框图如图2所示，由处理器模块、无线通信模块、电源模块、网络模块等组成。

处理器模块是管理服务器硬件的核心部分，处理器模块通过无线通信模块完成对电气火灾监控终端数据收集及网络模块完成数据上报到服务器，同时接收服务器调向终端发送的各中指令。考虑系统的数据吞吐情况，处理器模块选用STM32F407IGT6芯片作为核心，该芯片是一款高性能微控制器，有很强的抗干扰能力，可进行一些复杂计算和控制。STM32F407IGT6芯片采用90 nm工艺和ART加速器，芯片程序存储容量为1 MB，RAM容量为192 kB，工作电压为1.8 V～3.6 V，工作频率为168 MHz。另外芯片内集成了单周期DSP指令和FPU（floating point unit，浮点单元），大大的提升了计算能力，满足系统复杂的计算和控制。同时，芯片内集大量外设于一体（包含2个12位DAC、24个12 bit的ADC，4个USART，2个UART、3个SPI、3个I²C、2个CAN、10/100 Ethernet MAC等接口外设），为系统连接外接模块（以太网模块、无线通信RoLa模块）提供便捷。芯片由符合IEEE 1588 v2标准要求的10/100 Ethernet MAC为系统提供快速以太网连接;USART和UART接口速度高达11.25 Mb/s为系统的无线通信提供快速连接。

网络模块采用有Wi-Fi模块及以太网模块组成，平台可通过无线或有线方式连接到服务器。Wi-Fi模块选用ESP8266芯片为核心，该模块是一款串口/Wi-Fi透传模块，支持无线802.11 b/g/n 标准，内置TCP/IP协议栈，内置板载PCB天线，单电源3.3 V供电，最大的传输速率可达460 800 bps;Wi-Fi模块与处理器模块的STM32F470IGT6芯片UART接口进行电路连接，可实现管理服务平台数据通过无线网络上传到服务器。以太网模块选用有串口转以太网模块，以太网模块与处理器模块的STM32F470IGT6芯片UART接口进行电路连接，可实现管理服务平台数据通过以太网网络上传到服务器。以太网模块的工作电压范围为3.0～3.6V，网口规格为RJ45、10/100 Mbps、交叉直连自适应，串口波特率为600～460.8 k（bps）。

无线通信模块负责与无线通信协调器之间的数据传输。LoRa无线模块具有传输距离远，速度快，功耗低，抗干扰性强的特点，同时还支持空中唤醒、无线配置、载波监听、自动中继、通信密钥等功能，所以无线通信模块选用LoRa模块完成。无线通信LoRa模块选用SX1278芯片为核心的无线通信LoRa模块。SX1278芯片基于扩频跳频技术，在稳定性、抗干扰能力以及接收灵敏度上都超越现有的GFSK射频模块。同时SX1278芯片芯片工作在410～441 MHz频段，兼容3.3 V与5 V的IO口电压，具有低功耗、高性能、远距离等特点，支持空中唤醒、无线配置、载波监听、自动中继、通信密钥等功能，多种传输方式可以实现组网和中继功能，满足不通畅时自组网与外界通信的需求。无线通信LoRa模块与处理器模塊的STM32F470IGT6芯片串行接口进行电路连接，通过软件对模块进行控制即可实现与无线协调器之间数据交互。

电源模块主要由AC转DC电路、稳压电路、滤波电路等组成。其中AC转DC电路选用AC转DC高压降压芯片XD308H（即U1），市电与AC转DC高压降压芯片XD308H输入端连接，通过XD308H完成AC到DC转换即AC 220 V降压到DC 5 V电源。稳压电路选用AMS1117为线性稳压器（LDO），该芯片固定输出电压3.3 V，典型低压差1.1 V。高压降压芯片XD308H的5v电源输出与稳压芯片AMS1117的输入相连接，再经滤波电路后即可得到3.3 V直流电源。该直流电源为系统的处理器模块、无线通信模块、网络模块等提供供电电源。

管理服务平台的电路原理图如图3所示。

2.1.2  管理服务平台软件设计

管理服务平台软件程序流程如图4所示。设备开机初始化后，首先获取电气火灾监控终端的数据并上报服务器，然后接收来自服务器判定电气火灾监控终端线路是否正常指令，若收到终端设备异常指令，则向终端设备发送报警和切断线路电源指令操作。若收到正常指令，则继续重新获取各电气火灾监控终端的数据并上报服务器。

2.2  无线通信协调器

协调器采用ZigBee、LoRa技术方式实现终端与管理服务平台之间数据通信。协调器一是负责收集电气火灾监控终端的数据并通过LoRa技术方式将电气火灾监控终端数据发送给管理服务平台;二是协调器接收并转发管理服务平台指令给电气火灾监控终端，其中具有ZigBee功能的电气火灾监控终端，协调器采用ZigBee技术与终端进行数据通信;具有LoRa功能的电气火灾监控终端，协调器采用LoRa技术与终端进行数据通信。

2.2.1  无线通信协调器硬件设计

无线通信协调器系统组成框图如图5所示，系统由处理器模块、无线通信模块、电源模块、拨码开关（传输方式选择）模块等组成。

处理器模块是无线通信协调器的核心部分，通过处理器模块对无线通信模块的控制即可完成终端数据与管理服务平台之间数据交互。因为系统在良好环境终端设备采用ZigBee技术进行组网，所以处理器模块选用CC2530芯片作为核心，该芯片是业界标准的增强型的高性能、低功耗的8051单片机，结合了2.4 GHz的RF收发器的优良性能，符合IEEE802.15.4标准且芯片集串行接口、GPIO等外设于一体，满足了无线通信协调器的要求。

无线通信模块负责管理服务平台与协调器之间的数据传输。根据系统不同的组网方式，无线通信模块采用不同的无线技术，其中在良好环境时，协调器与终端采用ZigBee技术（CC2530芯片+天线）方式与终端实现数据通信，通过LoRa技术与管理服务平台实现数据通信;在复杂环境时，协调器与终端、协调器与管理服务平台均采用LoRa技术实现数据通信。无线通信LoRa模块选用主芯片为SX1278的无线通信LoRa模块，模块与处理器模块的CC2530芯片接口完成电路连接，通过软件对模块进行控制实现数据通信。

电源模块主要为处理器模块和无线通信模块提供电源，与管理服务器平台系统电源电路系统，由AC转DC电路、稳压电路、滤波电路等组成。

拨码开关模块主要完成协调器组网方式选择，若拨码开关与VCC相连接时，协调器与电气火灾监控终端采用ZigBee方式进行通信，与管理器平台采用LoRa方式通信。若拨码开关与GND相连接时，协调器与电气火灾监控、协调器与管理服务平台之间均采用LoRa方式通信。

无线通信协调器电路原理图如图6所示。

2.2.2  无线通信协调器软件设计

无线通信协调器软件程序流程如图7所示。设备开机初始化后，处理器先读取拨码开关电平数据，若读取拨码开关电平数据为1时，软件则先启动LoRa模块与电气火灾监控终端进行数据交互，接着与管理服务平台进行数据交互。若读取拨码开关电平数据为0时，软件先启动ZigBee方式与电气火灾监控终端进行数据交互，接着启动LoRa模块与管理服务平台进行数据交互。

2.3  电气火灾监控终端

电气火灾监控终端主要完成电气线路的电量参数、环境温度等数据采集和传输，并对电气线路全方位的监控。一是电气火灾监控终端通过电流传感器、温度传感器等进行数据的获取;二是电气火灾监控终端将采集的数据通过无线方式发给协调器;三是接收由协调器转发管理服务平台的指令对电气线路进行控制。

2.3.1  电气火灾监控硬件设计

电气火灾监控终端组成框图如图8所示，由无线通信模块、电源模块、线路电量参数检测模块、温度检测模块、继电器模块和报警器等组成。

处理器模块是电气火灾监控终端的核心部分，模块选用与协调器相同的处理器即CC2530芯片模块。处理器模块完成对线路电量参数、温度参数等采集及数据上报到管理器服务平台，同时对管理器服务平台的指令进行识别并控制继电器、报警模块执行对应的操作。

线路电量检测模块要用于采集每个电源线路的电量数据，线路电量检测模块电路是以精密电流互感器SCT254AK、单相多功能防窃电专用计量芯片RN8209D为核心，通过处理器对RN8209D内的寄存器进行读写操作即可实现线路电量的采集。温度检测模块用于温度数据实时采集，以DS18B20传感器作为核心，该传感器与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，测温范围-55 ℃～+125 ℃。模块电路原理图如图9所示。

继电器模块以MOC3021光耦隔离驱动可控硅控制电力线的导通或关闭，根据处理器模块接收对线路电量、温度等异常情况指令执行切断供电线路操作。报警模块是采用以LED灯、蜂鸣器为核心，根据处理器对线路、温度等异常情况时作出声光报警，帮助快速锁定异常点位。模块电路原理图如图10所示。

无线通信模块完成终端与协调器之间的数据传输，根据不同的组网方式，终端的无线通信模块采用不同的无线技术，其中在环境良好情况时，采用CC2530芯片+天线方式实现ZigBee技术传输;在复杂环境是选用LoRa无线模块实现数据的传输，无线通信LoRa模块选用与管理服务平台相同的无线通信LoRa模块，模块与处理器模块的CC2530芯片接口完成电路连接，通过软件对模块进行控制实现数据通信。

电气火灾监控终端电源模块电路与管理服务平台电源模块电路相同，旨在为各模块电路提供稳定工作电源。

2.3.2  电气火灾监控终端软件设计

电气火灾监控终端软件程序流程如图11所示。设备开机初始化后，先读取RN8209D芯片的寄存器获取电气线路电量参数、读取DS18B20芯片获取温度数据，然后以无线通信将数据上报管理平台并接收管理平台的指令，最后对线路电量、温度等是否出现异常情况进行判定，若判定为异常则执行断开线路供电电源、声光报警操作，无异常情况发生继续重新收集数据并做是否存在异常判定操作。

2.4  电气火灾监控系统实物

管理服务平台实物图如图12所示，无线通信协调器实物图如图13所示，电气火灾监控终端实物如图14所示。

3  结  论

本文通过物联网、传感器检测、嵌入式技术完成了基于物联网技术的电气火灾监控系统的研究与设计，该电气火灾监控系统通过采集供电线路内部的电量、温度数据，将电气火灾监控终端采集的数据通过无线通信方式传给管理服务器，管理服务器根据电气火灾监控终端采样的电量等参数进行数据统计、分析，当电气线路出现短路等异常情况时，电气火灾监控终端进行切断线路电源的应急处理操作及报警等，防止进一步恶化。同时，用户、安全监管部门等亦可了解用电情况及时掌握线路存在的用电安全隐患，达到事前监管，提早介入目的。基于物联网技术的电气火灾监控系统经过三个月连续测试，功能正常且稳定可靠（丢包率小于1%），系统对预防电气火灾的发生具有现实意义。

参考文献：

[1] 《火灾自动报警系统设计》编委会.火灾自动報警系统设计 [M].成都：西南交通大学出版社，2014.

[2] 邸曼，厉剑，张明，等.电气火灾分析与防治策略的研究 [J].消防科学与技术，2008（1）：5-9.

[3] 宋海云.ZigBee无线定位技术在火灾救援中的应用研究 [J].信息系统工程，2018（1）：41.

[4] 何昌金.电气火灾监控系统在智慧消防建设中的应用 [J].消防界（电子版），2020，6（6）：45+47.

[5]郭秀丽，陶曾杰.基于物联网技术的电气火灾报警控制系统设计 [J].电子世界，2020（21）：173-174.

作者简介：朱敦忠（1984—），男，汉族，广西贺州人，副教授，本科，研究方向：嵌入式、智能控制技术。