1 引言

目前，我國總線式電氣火災(zāi)報警裝置正在發(fā)展當(dāng)中，傳統(tǒng)的總線式電氣火災(zāi)報警器（比如二總線、RS-485等）存在一定缺陷：數(shù)據(jù)傳輸速度低、距離短，數(shù)據(jù)丟失率高，可連接的探測器數(shù)量較少，無法充分發(fā)揮總線式電氣火災(zāi)報警裝置的優(yōu)勢。因此設(shè)計一種新型總線式電氣火災(zāi)報警裝置勢在必行。

由于電氣火災(zāi)具有發(fā)生頻率高、發(fā)生時間和地點隨機、危害特別大等特點，國家消防局陸續(xù)制定和修改了多項政策法規(guī)，對一些高層建筑強制安裝電氣防火設(shè)備，電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)面臨著巨大的商機。

2 系統(tǒng)整體方案

本設(shè)計方案的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)包括電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備和電氣火災(zāi)探測器兩部分。每個電氣火災(zāi)探測器至少可帶一路漏電流互感器、一個斷路器和一路溫度傳感器。輸電線路經(jīng)過斷路器和漏電流互感器接到用戶負載。探測器通過互感器檢測一組用戶線路的漏電流，通過溫度傳感器檢測線纜溫度。探測器和監(jiān)控設(shè)備之間通過CAN總線通信。每個探測器必須設(shè)置一個獨一無二的ID，用于區(qū)別其他的探測器。用戶在使用之前，先根據(jù)需要設(shè)置好漏電流報警值和溫度報警值。系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)圖

一旦檢測到報警信號，探測器會再次復(fù)核，若還能檢測到報警信號，探測器會控制斷路器迅速切斷電路，同時發(fā)出聲光報警，并把報警信息發(fā)送給監(jiān)控設(shè)備。探測器會一直保持聲、光報警信號，直到用戶按消音鍵消除聲音或排除故障后才能恢復(fù)正常。監(jiān)控設(shè)備通過320×240液晶屏實時顯示各監(jiān)控線路的運行狀態(tài)，如果監(jiān)控設(shè)備接收到報警信息，則顯示報警所在節(jié)點的位置、報警類型、報警值和設(shè)定值等。同時發(fā)出聲光報警信號，提醒消防人員及時去現(xiàn)場查明原因，有效預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生。還可以存儲報警信息，作為消防人員排查火災(zāi)原因的依據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 電氣火災(zāi)探測器

電氣火災(zāi)探測器的主要功能是檢測電路的剩余電流和溫度，并把采集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給監(jiān)控設(shè)備。探測器可配置ID，用于網(wǎng)絡(luò)中區(qū)別于其他探測器?？稍O(shè)置漏電報警值和溫度報警值，并可選擇在漏電達到報警值時手動或者自動斷開斷路器。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 探測器硬件結(jié)構(gòu)圖

探測器的主控制芯片選用價格低廉的PIC系列單片機PIC24H64GP506.該芯片是Microchip公司推出的高性能16位單片機，采用改進型哈佛結(jié)構(gòu)。有53個通用I/O口、64K的程序存儲區(qū)、8通道硬件DMA、集成PLL可實現(xiàn)擴頻。帶一個增強型的ECAN模塊，在報文接收和發(fā)送時采用DMA的FIFO模式，提高了代碼的執(zhí)行效率。采用了低功耗CMOS閃存工藝，全靜態(tài)設(shè)計，工作電壓3.3V.

溫度測量采用數(shù)字式傳感器DSl8B20.與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，DSl8B20具有如下性能特點：獨特的單線接口方式，與微處理器連接時僅需要一條線即可實現(xiàn)雙向通訊；在使用中不需要任何外圍元件；可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍3.0V~5.5V;通過編程可實現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式；用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值；支持多點組網(wǎng)功能，實現(xiàn)多點測溫；負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀。因而使用DSl8B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，可靠性更高。溫度檢測電路比較簡單，只需一根數(shù)據(jù)線接到單片機的I/O口，數(shù)據(jù)線通過4.7K電阻上拉。電路如圖3所示。

圖3 溫度檢測電路

剩余電流測量采用的是穿心式電流互感器。在三相四線制線路中，正常情況下是沒有剩余電流的，流過A相、B相和C相的電流應(yīng)和流過N相的相等，即矢量和為零，此時互感器的二級繞組沒有感應(yīng)電流；如果發(fā)生漏電，則矢量和不為零，二級繞組上就有感應(yīng)電流，該電流經(jīng)過負荷后就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這個電壓經(jīng)過調(diào)理電路整形放大，再經(jīng)過單片機A/D采樣處理后就能得到準(zhǔn)確的剩余電流值。剩余電流放大調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 電流放大調(diào)理電路

圖4中，MCP6004是Microchip公司生產(chǎn)的低功率運算放大器、4運放封裝、1M增益帶寬、供電電壓1.8V到5.5V、供電電流100μA.功耗低、性能穩(wěn)定，適合工控產(chǎn)品的使用。Sensor為電流互感器，其二次繞組引出兩根線，一根接地，另一根與電阻R152相連，把電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘朧i.輸出信號Vo2與單片機的A/D口連接。為了使峰值檢波電路能根據(jù)輸入漏電流的大小變化跟著瞬態(tài)變化，實現(xiàn)起來也比較簡單，就是每次單片機采樣完，使端口定義為輸出，稍做延時，使電容迅速放電，再把端口定義為輸入。

探測器通過控制繼電器來完成斷路器的脫扣功能。斷路器上有一個AC220V的脫扣器，給脫扣器一個交流220V電壓就能使斷路器斷開，切斷線路。脫扣器一端接零線，一端接繼電器1腳，繼電器的3腳接火線。繼電器控制火線的通斷就可以實現(xiàn)脫扣器的開關(guān)，斷路器脫扣電路如圖5.

圖5 斷路器脫扣控制電路

CAN通信電路必須具備較強的抗干擾能力，如雷擊、強電場、電磁輻射的干擾。本設(shè)計使用了兩個高速光耦6N137，分別加在了電路的CAN發(fā)送和接收端口，用于把總線和電路隔離開來，這樣總線的干擾就不會影響電路運行。同時在光耦兩邊用不同的獨立電源供電，實現(xiàn)了真正意義上的電氣隔離。此處用了B0505-1W實現(xiàn)電源隔離。B0505-1W最大輸出功率1W，體積小、價格便宜，輸入5V輸出為電氣隔離的5V.收發(fā)電路如圖6所示，V+和0為隔離后的電源和地。

CAN收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和物理總線上的接口，這里采用TJAl050.TJAl050是高速CAN收發(fā)器，完全符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，最高速度1Mbps，電磁輻射EME非常低，差動接收器具有較寬的共模范圍，可抗電磁干擾（EMI），待機模式消耗電流極低，具有通過總線喚醒的功能和熱保護功能。TJAl050采用了高速模式，并用隔離電源供電。CANH和CANL上的電容和二極管使CAN總線實現(xiàn)要求更高的抗干擾/輻射性能。

圖6 CAN通信原理圖

3.2 電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備

電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備由主板、鍵盤和顯示器組成。主板采用Atmel公司的AT90CANl28為控制核心。監(jiān)控設(shè)備先連接探測器，然后通過鍵盤配置每個探測器的ID，打開通信端口，就可以接收CAN總線上面的數(shù)據(jù)（溫度和漏電流）。一旦檢測到報警信號，監(jiān)控設(shè)備就會持續(xù)發(fā)出聲光報警，直到管理人員消除報警信號并按復(fù)位鍵才能恢復(fù)正常狀態(tài)。報警時，液晶顯示屏上會顯示出報警節(jié)點的具體信息，如節(jié)點地址、報警值和設(shè)定值，方便用戶快速定位報警節(jié)點，及時消除火災(zāi)隱患。若同時有多處報警，顯示界面按國標(biāo)要求顯示的是最近的那個報警節(jié)點信息。監(jiān)控設(shè)備還可遠程設(shè)置各探測器的漏電流和溫度報警值，指定探測器的斷路器脫扣以切斷用戶線路和對探測器遠程復(fù)位、消音等操作。監(jiān)控設(shè)備設(shè)計框圖如圖7所示。

圖7 監(jiān)控設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖

AT90CANl28是Atmel公司推出的高性能8位AVR單片機，基于AVR RISC結(jié)構(gòu)。芯片采用哈佛結(jié)構(gòu)，所有的寄存器直接與算術(shù)邏輯單元相連，大大提高了代碼效率。硬件資源豐富，有53個通用I/O口。程序存儲器大小為128KB，同時帶4k容量的內(nèi)部EEPROM.支持ITAG在線仿真技術(shù)，給軟件開發(fā)帶來了極大的方便，同時帶CAN控制器。

鍵盤電路采用5×5矩陣鍵盤，一共25個鍵。實際只用到24個，功能為：0~9數(shù)字輸入、上下左右4個方向鍵、確定、取消、自檢、消音、復(fù)位和5個功能鍵。鍵盤的列KEY L1到KEY L5分別連接單片機的5個外部中斷口，鍵盤的行KEY H1到KEY H5與單片機的5個普通IO口相連。

本設(shè)計為了達到良好的人機交互界面效果，采用了320×240點陣的液晶模塊。該模塊為藍底白字，帶中文字庫，支持圖形和文字模式，使用十分方便。接口電路如圖8所示。液晶模塊留出了22個接口供用戶編程使用。圖中LCD-RS為寫入命令/數(shù)據(jù)選擇，LCD-RW和LCD-RD為數(shù)據(jù)讀寫接口，LCD-CS為模塊片選，LCD-RES為復(fù)位口，LCD-DB0~LCD-DB7為數(shù)據(jù)輸入口，采用并行通信，一次可寫入一個字節(jié)。

圖8 液晶顯示接口電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)

電氣火災(zāi)探測器總體軟件設(shè)計如圖9所示。程序從初始化開始，初始化包括了單片機I/O口初始化、A/D初始化、CAN控制器初始化等準(zhǔn)備工作。接著單片機開始采集漏電流和溫度數(shù)據(jù)。為了保證采樣的實時性，漏電流的采集采用了定時采樣。

圖9 電氣火災(zāi)探測器軟件流程

根據(jù)國標(biāo)對監(jiān)控設(shè)備的要求，用戶對監(jiān)控設(shè)備的操作權(quán)限分三級級別：操作員、管理員和超級管理員。要切換到另一個級別之前必須先注銷，然后登錄。操作員只能查看一些記錄信息，操作權(quán)限低；管理員可以查看建筑的實時信息，遠程控制探測器，操作權(quán)限高；超級管理員可以配置探測器節(jié)點，操作權(quán)限最高。級別高的可以操作低級別任務(wù)，反之不行。軟件總體構(gòu)架如圖10，清晰展示了電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的程序運行情況。

圖10 電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備軟件流程

5 結(jié)論

本文提出的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案包括一個最多可帶的200個節(jié)點的電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備和電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器用于檢測各線路的剩余電流（漏電流）和溫度。監(jiān)控設(shè)備與探測器之間通過CAN總線通信。監(jiān)控設(shè)備能實時顯示各監(jiān)控節(jié)點的運行狀態(tài)，一旦檢測到有漏電報警或溫度報警，監(jiān)控設(shè)備和探測器都能發(fā)出聲光報警信號，同時在監(jiān)控設(shè)備上面顯示報警地點和何種報警，并存儲報警記錄。該方案中設(shè)計的報警系統(tǒng)通信距離遠、速度快，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，即插即用，使用靈活。