1 基于無線通信質評的電氣火災智能監控系統設計

（1）無線通信網絡設計

無線通信網絡由 ZigBee 主站、ZigBee 從站、總線、上位機單元構成,運行流程如下:ZigBee 主站與總線相連，上位機單元向總線發送信息后,主站會收到發送的信息。而一些監控設備也與總線相連同樣會接收到發送的信息并進行處理。ZigBee 主站在收到信息后,會通過無線通信網絡向 ZigBee 從站發送信息,由從站向與從站相連的監控設備發送接收信息四。而信息的回送過程則剛好與發送過程相反。其中總線選用的是 485 總線，上位機單元中選用的上位機為 OptiPlex-2x,選用的服務器為 IPC610L 多擴展雙千兆網口上位機服務器問。在 ZigBee主站、ZigBee 從站搭建的無線通信網絡中，節點使用的 ZigBee 芯片設計具體如下:首先配置高性能的無線收發器與高性能的 CPU 內核.CPU 內核選用的是 32-bit RISC。并在芯片中植入 3 種網絡協議棧包括 JenNet,ZigBee,IEEE823.15.2。配置多種數字應用接口,包括 Comparators,DAC,12-bit ADC,PWMTimers,GPIO ,2-Wire Serial(12C),SPI,UARTs,并配置 96K的 RAM 與192K的 ROM。在 ROM 中對成熟底層協議棧進行固化.在 RAM 中對網絡協議棧進行固化。*后配置 128-bit 的 AES 加密器件與多個低成本外擴器件.包括 1個串行 FLASH、5 個電容1 個晶振問。ZigBee 芯片作為主控芯片,為節點配置其他單元,完成 ZigBee 節點的設計,具體配置如圖1 所示口。

其中供電單元通過電壓調節器為 ZigBee 芯片提供 1.8 V 電源。并設計一種 USB 供電方式為其他器件供電。在 USB 供電方式中,選用 LD1117-3.3 V芯片對 USB 的 5 V 電壓進行轉換,將其轉換為3.3 V.在射頻單元中.使用的無線射頻芯片為CC2541F256芯片上搭載的片載系統為 2.4 GHz Bluetooth。并為無線射頻芯片配置一些外部組件,包括 5 通道直接內存訪問、紅外生成電路等網。

藍牙單元使用的藍牙芯片為 BXM 芯片通過該芯片實現 ZigBee 節點之間的通信。為芯片配置接收管腳與 UART串口發送腳。24 MHz 晶振選用的是 TCXO 溫補晶振,將其接入 ZigBee 芯片中,通過3225 貼片進行封裝。在 ZigBee 協議棧中，使用的ZigBee 協議為 Z-Wave。ZigBee 主站與 ZigBee 從站均由協調器與 ZigBee 節點構成。其中協調器能夠構建無線網絡.對無線網絡的運行進行維護。并發現其他節點想要加入無線網絡的請求,具備自動組織的功能網。協調器的工作流程設計具體如下:

1)對 ZigBee 芯片與外設進行初始化處理.

2)對 ZigBee 協議棧進行初始化處理:

3)構建 ZigBee 網絡:

4)對缺省參數進行配置:

5)監聽 ZigBee 網絡,在 ZigBee 網絡中接收數據并對數據包進行解析:

6)將數據封裝為串口數據包,通過總線向上位機發送數據;

7)在監聽 ZigBee 網絡的同時對總線進行監聽.在總線中接收數據并對數據包進行解析:

8)將數封裝為 ZigBee 數據包，通過 ZigBee 網絡向 ZigBee 從站發送數據。

（2） 監控模塊設計

在監控模塊中.通過剩余電流探測器與開關電壓調節器實現電氣火災剩余電流的監控。其中剩余電流探測器能夠實現自檢、DI 消防、按鍵切換、聲光報警、液晶顯示以及剩余電流報警功能l10。剩余電流探測器的設計具體如下:設計了一種控制芯片,能夠實現外部信號采集、實時數據顯示、信號轉換以及開關狀態顯示等功能”。芯片的設計具體如下:配置多個中斷源.通過中斷的方式將芯片切換至低功耗運行模式。配置 16 位精簡指令集,使芯片具有多樣化的尋址方式與更加靈活的程序編寫方式。通過多個寄存器開展運算處理,具體包括功能選擇寄存器、輸人寄存器、方向寄存器、輸出寄存器。通過8 MHz 晶體進行驅動.使芯片達到 125 ns 的指令周期。為芯片配置以下片內外設:2k的 BRAM、60 k的BFLASHROM、多個 I/0 端口、硬件雙串口 USARTI與 USARTO 以及看門狗電路。在剩余電流采集電路中,通過電壓傳感器進行剩余電流的測量,選擇的電壓傳感器為毫安級別精密度的電壓傳感器。剩余電流采集電路的電路設計如圖 2 所示。選用的液晶顯示模塊為 AMPIRE12864。將AMPIRE12864 接入到控制芯片中.實現參數查詢界面、DIDO 狀態、報警動作值、剩余電流實時值的顯示。

（3）信號數據處理模塊設計

在電流信號數據處理模塊中使用的信號濾波處理算法是自適應算法,具體處理步驟如下:

1)y(a)表示時間b某點處的一組信號其中包含著N個信號.具體描述為

2)信號y(a)的權值為

3）過自適應線性模型獲取輸出信號?(a)，?(a)可以通過輸入向量及其對應權向量來表示，具體如下式:

式中:是第j個輸出的輸人向量對應的權向量;是第j個輸出的輸入向量;I是N中的一個正整數。

4）c(a)表示期望信號,d(a)表示誤差信號，則誤差信號為:

5)將均方差函數作為誤差準則.即:

6)根據均方差函數對原始信號實施濾波處理,也就是當 y *小時,對*佳權系數 B" 進行求解求解結果為*小均方誤差點,濾除誤差大于求解結果的信號。其中*佳權系數求解公式為

就此完成各種信號的濾波處理。

（4）火災預警模塊設計

在火災預警模塊中,基于模糊神經網絡設計電氣火災預警算法.實施電氣火災預警。預警流程如下:

(1)通過 MATLAB 軟件構建糊神經網絡火災預警模型.模型為三層結構。

其中輸入層中共有 4 個節點分別為工作電流信號、電流電壓信號、線路溫度信號、線路剩余電流信號;隱含層中共設置 6 個節點,節點數目由式(7)決定,而輸出層中共有 3 個節點,分別為明火概率陰燃概率以及無火概率。

參考文獻

[1]安 軍. 基于無線通信技術的電氣火災智能監控系統

[2]安科瑞電氣企業微電網設計與應用手冊2020.06版

[3]安科瑞安全用電管理云平臺 2020.02版

[4]劉毅.城市軌道交通電氣火災監控系統誤報警分析及治理[J].

[5]邢國新，趙海龍，吳志強.熱解粒子式電氣火災探測器在地鐵中的應用[J].