基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的電纜防火監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭學(xué)樑

摘 要：設(shè)計(jì)一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的電纜防火監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)時、精準(zhǔn)監(jiān)測電纜火災(zāi)，并及時滅火。系統(tǒng)通過部署在電纜現(xiàn)場的煙霧和溫度傳感器分別采集煙霧和溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)轉(zhuǎn)換處理后傳輸至ZigBee通信模塊，利用ZigBee協(xié)議、ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及通信流程將溫度和煙霧數(shù)據(jù)傳輸至火災(zāi)控制模塊，實(shí)時監(jiān)測電纜各位置的溫度和煙霧濃度，當(dāng)溫度或煙霧濃度超出設(shè)定值時，及時通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)出報警并準(zhǔn)確定位著火位置，自動啟動滅火部件完成滅火，實(shí)現(xiàn)電纜防火監(jiān)控。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，這個系統(tǒng)可以通過監(jiān)測電纜的溫度以及煙霧濃度變化，實(shí)現(xiàn)電纜火災(zāi)的及時精準(zhǔn)監(jiān)控，監(jiān)測精度較高，準(zhǔn)確性較好，能夠及時精準(zhǔn)監(jiān)測電纜火災(zāi)，并及時滅火。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以實(shí)時、有效監(jiān)測電纜溫度和煙霧濃度變化，并及時報警，啟動電纜火災(zāi)自動滅火部件滅火，防止電纜火災(zāi)發(fā)生。

關(guān)鍵詞：ZigBee;電纜防火;溫度監(jiān)控;煙感監(jiān)控;無線傳感器;煙霧濃度;自動滅火部件

中圖分類號：TD 75+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-757X（2020）11-0140-03

Abstract：A cable fire prevention monitoring system based on ZigBee network is designed to accurately monitor the cable fire in real time， and put out the fire in time. The system collects smoke and temperature data through sensors， and deploys them on the cable site and transmits them to ZigBee communication module after being converted and processed by single chip microcomputer. Temperature and smoke data are transmitted to the fire control module by using ZigBee protocol， ZigBee network node and communication process， so as to monitor the temperature and smoke concentration of each position of the cable in real time. When the setting value is set， the alarm will be sent out through ZigBee network in time， and the fire location will be accurately located. The fire extinguishing components will be started automatically to complete the fire extinguishing and realize the cable fire prevention monitoring. Compared with the traditional system， this system can monitor the cable fire timely and accurately by monitoring the temperature and smoke concentration changes of the cable. The monitoring accuracy is high. It can timely and accurately monitor the cable fire and extinguish the fire in time. The experimental results show that the system can monitor the changes of cable temperature and smoke concentration in real time and effectively， and alarm in time， and start the automatic fire extinguishing components of cable fire to prevent the occurrence of cable fire.

Key words：ZigBee;cable fire protection;temperature monitoring;smoke sensing monitoring;wireless sensor;smoke concentration;automatic fire extinguishing components

0?引言

電纜自燃以及大范圍停電引發(fā)的重大經(jīng)濟(jì)損失都是源于電纜故障，電纜故障發(fā)生概率隨著使用量的提升而提升[1-3]。為了及時覺察并防止因電纜過熱導(dǎo)致事故發(fā)生，需要實(shí)施電纜的在線監(jiān)測[4]。由于電纜過熱以致火災(zāi)歷時較為漫長，設(shè)計(jì)一個電纜防火監(jiān)控系統(tǒng)可預(yù)測電纜火災(zāi)的發(fā)生。

通過直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了一個比其它無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)耗能少、組網(wǎng)能力優(yōu)、可靠性強(qiáng)的技術(shù)ZigBee。它以IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)為底，工作頻率是868～915 MHz，是一個新型的距離速率成本功耗都非常小的雙向無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5-6]。且ZigBee匯聚了IEEE802.15.4的安全元素是擁有128位高級加密標(biāo)準(zhǔn)的安全類軟件，能充分保障網(wǎng)絡(luò)安全性。由于電纜監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會工作在條件復(fù)雜的環(huán)境中[7]，能量無法及時調(diào)動，為了提高其整體性能，需要在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中加入低功耗的ZigBee技術(shù)以便實(shí)時監(jiān)測電纜火災(zāi)[8]。

因此，本文設(shè)計(jì)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的電纜防火監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)電纜防火的有效監(jiān)測和滅火控制。

1?基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的電纜防火監(jiān)控系統(tǒng)

1.1?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的電纜防火監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

據(jù)圖1可得，系統(tǒng)的核心控制模塊S3C2440A單片機(jī)中匯聚了3個串口和SPI接口，其中CO濃度、煙霧以及溫度的傳感器與其串口相連。SPI接口中的一路與16位AD，CO2濃度、濕度、火焰等傳感器外接;另一路與ZigBee通信模塊相接。RS232串口電路和計(jì)算機(jī)將整個系統(tǒng)連接起來，使數(shù)據(jù)的上傳更加便捷，與擴(kuò)展芯片以及16位ADC，組成采集數(shù)據(jù)的傳感器控制單元[9-10]。

系統(tǒng)通過部署在電纜現(xiàn)場的煙霧以及溫度傳感器分別采集煙霧以及溫度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)同系統(tǒng)的S3C2440A單片機(jī)進(jìn)行存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及控制處理后，通過SPI接口傳輸?shù)絑igBee通信模塊，利用該通信模塊的ZigBee協(xié)議、ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及通信流程將這些電纜現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)交馂?zāi)控制模塊中進(jìn)行分析，并通過電纜火災(zāi)自動滅火部件實(shí)現(xiàn)電纜火災(zāi)的實(shí)時滅火處理，確保電纜的安全。

1.1.1?溫度監(jiān)控

實(shí)時監(jiān)測各電纜接頭溫度的原理，如圖2所示。

系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)能連接10個串口，各串口可連300個數(shù)傳模塊，各數(shù)傳模塊能連100個溫度傳感器。部署一個中繼器在485總線大于1 190 m時，此時數(shù)傳模塊與最遠(yuǎn)端分支器的最長距離、分支器與溫度傳感器的最長距離分別為180 m和 9 m。

對于不知是負(fù)荷過大發(fā)熱抑或是故障發(fā)熱的電纜接頭的溫度過高問題，可通過系統(tǒng)比較電纜溫度、其接頭溫度以及運(yùn)行環(huán)境溫度來判斷。系統(tǒng)會在電纜溫度達(dá)到報警溫度時智能報警，提供準(zhǔn)確的報警點(diǎn)[11]。該功能能給負(fù)荷過重的夏季與冬季加大電纜出力給予有力支撐。

1.1.2?煙感監(jiān)控

電纜通道感煙監(jiān)控的原理，如圖3所示。

系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)能連接10個串口，各串口可接300個數(shù)傳模塊，各數(shù)傳模塊可接9個煙霧傳感器。部署一個中繼器需要485總線大于1 190 m。

報警數(shù)據(jù)被煙霧傳感器采集并反饋，煙霧傳感器可在煙霧產(chǎn)生時，向上位機(jī)傳輸報警開關(guān)量信號，系統(tǒng)通過報警信息位置進(jìn)行報警，同時自動關(guān)閉相鄰防火門，盡量封閉火災(zāi)現(xiàn)場，確?；馂?zāi)現(xiàn)場的區(qū)域面積最小化，減少損失風(fēng)險[12-13]。

1.2?火災(zāi)控制模塊設(shè)計(jì)

1.2.1?電纜火災(zāi)自動滅火部件結(jié)構(gòu)

電纜火災(zāi)自動滅火部件的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

長圓柱體結(jié)構(gòu)的超細(xì)干粉儲存艙，為電纜走向陣列排布部署提供便利，還可確保總艙體的壓力承受值保持在0.9 MPa中，為了提高固態(tài)氮儲能驅(qū)動藥的調(diào)換方便度，它與圓柱形腔體的固態(tài)氮儲能艙螺紋連接[14]。將供電電池與ZigBee通訊模塊以及電路控制器件密封于柱形塑料腔內(nèi)組成通訊控制觸發(fā)器，固定連接插拔式接口和固態(tài)氮儲能艙里的激發(fā)部件，同時為了將固態(tài)氮儲能藥激發(fā)成惰性氣體，需要通過該種觸發(fā)器觸發(fā)電流實(shí)現(xiàn);布置跟隨電纜流向的高壓橡膠噴管需要具備柔性高的優(yōu)勢，且需要噴管直徑是20 mm同時管壁擁有10噴孔阻燃抗靜電的耐壓膠管，利用需保護(hù)的電纜束的空間來計(jì)算噴管長度和噴孔的密度、直徑。

1.2.2?電纜火災(zāi)自動滅火部件通訊控制

每臺電纜火災(zāi)滅火部件被本身體積和驅(qū)動能量限制電纜滅火在10 m以里的范圍中，只有朝電纜流向首尾陣列部署多個自動滅火部件才能實(shí)現(xiàn)整條電纜自動滅火。因此為降低自動滅火部件中的電源以及通信線路的使用量，精準(zhǔn)依據(jù)信號驅(qū)動對應(yīng)位置的自動滅火部件[15]。利用ZigBee協(xié)議棧通信模塊和硬件調(diào)試提供支撐服務(wù)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，擁有無線收發(fā)以及任務(wù)操作性能佳的優(yōu)勢，且具備接收靈敏以及抗噪性能優(yōu)的優(yōu)勢。該種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用由電池供電的ZigBee無線通信技術(shù)，采用CC2530芯片設(shè)計(jì)完成。ZigBee終端通訊控制觸發(fā)器、ZigBee路由通訊控制觸發(fā)器、通訊分站構(gòu)成電纜火災(zāi)自動滅火部件網(wǎng)狀分布結(jié)構(gòu)通訊系統(tǒng)。

在電纜火災(zāi)自動滅火部件通訊系統(tǒng)每100 m處部署一個載有ZigBee路由的自動滅火部件，并在兩個載有ZigBee路由的自動滅火部件之間部署載有CC2530芯片PM3休眠模式的ZigBee終端自動滅火部件，向ZigBee路由ZigBee終端所構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸上位主機(jī)反饋給通訊基站的滅火啟動信號，向電纜火災(zāi)自動滅火部件傳輸滅火啟動信號，驅(qū)動通訊控制觸發(fā)器輸出7 V、700 mA電流啟動固態(tài)氮，形成超細(xì)干粉滅火劑完成滅火。

1.3?ZigBee無線通信設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的Zigbee通信模塊采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)命令與數(shù)據(jù)的通信流程，如圖5所示。

完成系統(tǒng)的通信工作。ZigBee網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)的前提條件是，網(wǎng)絡(luò)需要采集到傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。電纜無線火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)同遠(yuǎn)程服務(wù)器的通信依照相應(yīng)的交互協(xié)議實(shí)現(xiàn)，它選用的通信機(jī)制是“不問不答”。

ZigBee無線火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)通信故障流程，如圖6所示。

遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送的請求指令在規(guī)定時間內(nèi)，未收到ZigBee網(wǎng)絡(luò)或傳感器節(jié)點(diǎn)反饋的回應(yīng)，那么通信回路閉合，認(rèn)為超時。判斷ZigBee無線通信存在故障并報警的依據(jù)是，超時重發(fā)次數(shù)是否高于設(shè)置次數(shù)。

2?實(shí)驗(yàn)分析

將本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)電纜防火監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在某煤礦礦井電纜的防火監(jiān)控中。系統(tǒng)進(jìn)行一段時間的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)其整體運(yùn)行平穩(wěn)可靠，將礦井電纜的最大溫度值和最大煙霧濃度值分別設(shè)置為60 ℃和15.5%。監(jiān)控該礦井電纜的溫度界面，如圖7所示。

從圖7中可以看出，整體被監(jiān)控電纜的溫度平均值和最大溫度值分別為29 ℃和60 ℃。

且在光纖位置300 m時進(jìn)行了報警，說明本文系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)礦井電纜溫度的有效監(jiān)測和預(yù)警，為礦井電纜防火監(jiān)控提供可靠依據(jù)。

在不同光纖標(biāo)尺位置處對比分析本文系統(tǒng)與現(xiàn)場實(shí)際測溫結(jié)果，如表1所示。

對比不同光纖標(biāo)尺位置處的本文系統(tǒng)與現(xiàn)場的測溫部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，本文系統(tǒng)溫度測量誤差在±1 ℃的范圍內(nèi)，證明本文系統(tǒng)在礦井電纜溫度監(jiān)控中的精度，保證電纜火災(zāi)自動監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

監(jiān)控該礦井電纜的煙霧界面，如圖8所示。

圖8描述本文系統(tǒng)監(jiān)測顯示電纜線路上的煙霧濃度平均值和最大煙霧濃度值分別為11.9%和15.5%，且在光纖位置300 m處的煙霧濃度值超過15.5%，系統(tǒng)進(jìn)行報警，說明本文系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)礦井電纜煙霧濃度的有效監(jiān)測和預(yù)警，為礦井電纜防火監(jiān)控提供有力支撐。

在不同光纖標(biāo)尺位置處對比分析本文系統(tǒng)與現(xiàn)場實(shí)際煙霧濃度測量結(jié)果，結(jié)果如表2所示。

通過對比系統(tǒng)與現(xiàn)場不同光纖標(biāo)尺位置處的電纜煙霧濃度的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本文系統(tǒng)的煙霧濃度測量誤差在±1%的范圍內(nèi)。證明本文系統(tǒng)在礦井電纜煙霧濃度監(jiān)控中的精度，保證電纜火災(zāi)自動監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的滅火效果，實(shí)驗(yàn)對700 m位置的光纖電纜進(jìn)行人工加熱持續(xù)時間10 s，4 s時溫度為65 ℃，同時測量記錄不同時間本文系統(tǒng)滅火處理前后實(shí)驗(yàn)煤礦電纜的溫度和煙霧濃度變化情況，如圖9所示。

結(jié)果顯示，本文系統(tǒng)監(jiān)測到煤礦電纜700 m光纖位置在4 s之前的溫度以及煙霧濃度變化平穩(wěn)，且分別低于60 ℃和15.5%，在4 s時監(jiān)測到的電纜溫度以及煙霧濃度瞬間上升至65 ℃和18%，說明該點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)，此時本文系統(tǒng)啟動對應(yīng)電纜火災(zāi)自動滅火部件滅火，發(fā)現(xiàn)5 s到10 s后電纜溫度和煙霧濃度降至平穩(wěn)狀態(tài)，說明本文系統(tǒng)可對煤礦電纜火災(zāi)進(jìn)行有效滅火。

3?總結(jié)

本文利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線通信優(yōu)勢設(shè)計(jì)了一個電纜防火監(jiān)控系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^監(jiān)測電纜的溫度以及煙霧濃度變化，實(shí)現(xiàn)電纜火災(zāi)的及時精準(zhǔn)監(jiān)控。并以煤礦電纜火災(zāi)監(jiān)控為例，檢驗(yàn)本文系統(tǒng)對電纜火災(zāi)的實(shí)時監(jiān)測與防控管理效果。當(dāng)電纜的溫度或煙霧濃度超過系統(tǒng)設(shè)置溫度時， 系統(tǒng)報警并定位火災(zāi)位置，自動啟動滅火部件，利用超細(xì)干粉滅火劑在報警區(qū)域滅火，控制損失在最小范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效提升電纜火災(zāi)自動監(jiān)控性能，較好的解決了電纜防火的問題，對電纜系統(tǒng)安全運(yùn)行提供和強(qiáng)有力支持。

參考文獻(xiàn)

[1]?席偉， 陳廣鋒， 管觀洋. 母線接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 東華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2018，44（3）：430-436.

[2]?葉良鵬， 李文杰， 孫韜，等. 電力電纜防火材料發(fā)展及技術(shù)要求綜述[J]. 高電壓技術(shù)， 2019， 45（2）：22-27.

[3]?王婷. 基于MSP430和GPRS的煤礦高壓電纜絕緣監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 煤炭技術(shù)， 2018， 37（12）：291-293.

[4]?王蔚， 張和平， 萬玉田. 基于錐形量熱儀的PVC電纜燃燒性能試驗(yàn)研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報， 2008（2）：119-122.

[5]?張博思， 張佳慶， 謝輝，等. 基于CONE的電纜火災(zāi)危險性分析與多層次綜合評價[J]. 工程塑料應(yīng)用， 2018， 46（2）：103-109.

[6]?包光宏， 胡林明， 馮軍. 電纜燃燒性能分級差異及方法標(biāo)準(zhǔn)溯源分析[J]. 消防科學(xué)與技術(shù)， 2019， 38（5）：692-695.

[7]?陳新崗，趙唐，余兵，等.基于聲表面波和ZigBee的高壓開關(guān)柜電纜室溫度監(jiān)測[J].高壓電器，2018，54（8）：48-54.

[8]?周巍，姚斌.基于錐形量熱儀的幾種防火布燃燒性能研究[J].火災(zāi)科學(xué)，2018，27（1）：23-29.

[9]?朱世佳，尹向東.防火塑料對建筑消防安全的意義[J].塑料工業(yè)，2018，46（4）：123-126.

[10]?宋文琦， 薛崗， 陶鵬宇. 防火涂料產(chǎn)品現(xiàn)場快速檢測方法研究[J]. 消防科學(xué)與技術(shù)， 2018， 37（6）：823-825.

[11]?王明年， 田源， 于麗，等. 城市綜合管廊火災(zāi)溫度場分布及結(jié)構(gòu)損傷數(shù)值模擬[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2018， 55（5）：165-171.

[12]?閆小燕， 張平飛. 淺談提高外墻外保溫建筑的防火安全性[J]. 工業(yè)建筑， 2010（S1）：119-120.

[13]?閆瑋， 錢子明， 張偉健，等. 鋰瓷石粉或硼砂增強(qiáng)陶瓷化硅橡膠復(fù)合材料的制備與性能[J]. 功能高分子學(xué)報， 2017， 30（4）：464-470.

[14]?張璐，李艷麗，劉文華.基于PyroSim的核電廠多隔間火災(zāi)情景詳細(xì)火災(zāi)模擬分析[J].給水排水，2018，54（S1）：126-131.

[15]?伏麗娜， 楊桂松， 郭毅，等. 基于ZigBee的OPGW短路試驗(yàn)無線溫度測試系統(tǒng)[J]. 光通信技術(shù)， 2019， 43（1）：42-46.

（收稿日期：2020.07.06）