配電箱智能報警器的設(shè)計與實現(xiàn)

何 曾 張雨涵 陳紅泉 卞秀婷

1. 北京首都國際機場股份有限公司建設(shè)項目管理中心 北京 100621；2. 北京工業(yè)大學信息學部 北京 100124

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計分析，目前施工現(xiàn)場施工動電類安全隱患約占總體隱患數(shù)量的25%，主要表現(xiàn)為施工現(xiàn)場配電箱接線不符合規(guī)范、未嚴格按照一機一閘使用、未及時進行巡檢維修等。

現(xiàn)有的煙霧報警器主要應用于室內(nèi)煙霧報警以及列車煙霧報警，主要技術(shù)包括應用溫度傳感器和ATmega16單片機，溫度超過預設(shè)閾值，通過蜂鳴器和LED燈光達到報警效果。對于低功耗的無線煙霧報警器，通常采用低功耗、低電壓的光電型煙霧探測器專用集成電路RE46C190和無線單片機CC1310，系統(tǒng)待機電流大約為14 μ A，無線通信距離為1 km?，F(xiàn)有的在配電箱等移動場景使用的煙霧報警器一般只具有測量煙霧功能，在導線過載未達到燃點時，無法通過導線溫度變化提前觸發(fā)報警并提示相關(guān)人員。

目前這些報警器安裝需要特定的工作環(huán)境，固定方式復雜，通信距離較短，只能在火災發(fā)生后報警，不具備提前預警功能，不適用于施工現(xiàn)場安裝簡易、工況復雜、方便移動、無人值守的需求。尤其是在機場不停航情況下的施工，如果發(fā)生火災將對通航安全造成巨大的危險，對機場造成沉重的財產(chǎn)損失。為解決這一問題，及時檢測預警施工現(xiàn)場配電箱過熱、冒煙等安全隱患，確保施工現(xiàn)場配電箱突發(fā)應急情況得到及時處置，研發(fā)了一種可移動式的施工現(xiàn)場配電箱智能報警器。本報警器具有體積小、功耗低、待機時間長、安裝方便等特點。主要創(chuàng)新點如下：

1）導線溫度和煙霧濃度雙重預警。現(xiàn)有的煙霧報警器一般只具有測量煙霧功能，而對于配電箱等使用環(huán)境，在導線過載未達到燃點時，無法通過導線溫度變化提前觸發(fā)報警。本報警器通過測量導線溫度及配電箱內(nèi)煙霧情況進行現(xiàn)場和遠程實時報警，及時處置施工現(xiàn)場配電箱過熱和冒煙等消防不安全問題。

2）現(xiàn)場和遠程雙重實時報警。當配電箱內(nèi)煙霧量或?qū)Ь€溫度達到報警閾值時，開始蜂鳴報警，提醒現(xiàn)場工作人員。同時報警器的報警信息通過移動網(wǎng)絡(luò)以短信和微信小程序通知形式觸達相關(guān)管理人員，實現(xiàn)遠程報警，及時消除起火隱患。

3）安裝使用方便。本配電箱智能報警器安裝可以使用強磁鐵吸附或M4螺釘固定，使用在鋼鐵材質(zhì)的配電箱內(nèi)時，可以直接將煙霧探測器以磁吸方式吸附在配電箱內(nèi)壁上，取下和更換十分方便。如果所安裝環(huán)境不適合磁鐵吸附時，可以選用M4螺釘將煙霧探測器固定在配電箱壁上。此外，智能報警器外殼設(shè)計具有一定的防塵能力，可以防止空氣中的灰塵和水分影響煙霧報警器的正常工作，防止器件腐蝕，提高報警器可靠性和使用壽命。

4）功耗低、使用壽命長。智能報警器硬件選用低功耗器件，處理器軟件采用低功耗設(shè)計，報警器根據(jù)環(huán)境溫度和煙霧濃度自動切換檢測頻率，在不工作時系統(tǒng)待機，降低功耗。通過這種方式，報警器整體待機能達2年以上。同時為了防止電池耗盡影響報警器正常工作，報警器具有低壓報警功能，在電壓過低時，提醒工作人員更換電池，防止因為電池電量不足導致的煙霧報警器無法正常工作。

1 系統(tǒng)方案

智能煙霧報警器系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 報警器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

報警器的系統(tǒng)核心是STM32處理器和軟件程序，外連煙霧報警模塊、溫度報警模塊、指示燈、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT）以及按鍵，從圖1中可以看出，輸入為煙霧信息、溫度信息以及按鍵信息，輸出為蜂鳴器、指示燈、NB-IoT工作信號。在運行過程中，煙霧傳感器和溫度傳感器感將相應的煙霧濃度和溫度傳給STM32處理器，在內(nèi)部進行閾值判斷，若是超過相應的警報閾值，則傳輸信號至蜂鳴器和指示燈，從而實現(xiàn)聲光報警的功能。同時，STM32處理器可以通過NB-IoT模塊與基站進行信息交互，通過微信小程序，實時顯示煙霧報警器的工作狀態(tài)和檢測信息，通過短信和微信小程序?qū)⒕瘓蟀l(fā)送至管理員手機。按鍵的功能是提供人為輸入信息取消報警。智能報警器的內(nèi)部電路如圖2所示。

圖2 報警器的內(nèi)部電路

2 硬件設(shè)計

2.1 處理器（STM32）

處理器選用意法半導體的STM32L011F4P6，該處理器具有極低的功耗和豐富的片上資源。處理器是報警器的核心，負責所有硬件的控制和狀態(tài)收集，通過運行在處理器上的系統(tǒng)軟件可以實現(xiàn)各模塊的相互協(xié)調(diào)，完成報警功能。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器的功能是監(jiān)測供電線纜的溫度變化。當發(fā)生過載，線纜溫度上升，達到設(shè)定的警報值時，觸發(fā)蜂鳴器報警。溫度傳感器由傳感器探頭、補償導線、變換器組成，外界溫度信號通過傳感器探頭轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過補償導線將探頭端的信號傳遞給溫度變換器，變換器將探頭端電壓信號進行處理及放大并輸出滿足要求的標準電壓信號[1]。溫度傳感器選用粘貼式DS18B20高溫微型表面溫度傳感器，通過防水硅膠屏蔽線引出，可將－50～125 ℃的溫度信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，工作電流最大1.5 mA，在非工作狀態(tài)下可關(guān)閉供電，非常適用于低功耗的溫度采集場景。

2.3 煙霧傳感器

煙霧傳感器的功能是監(jiān)測煙霧情況，在出現(xiàn)火情時煙霧量上升，檢測煙霧量可以判斷火情的發(fā)生，當煙霧量達到設(shè)定值時觸發(fā)報警。

配電箱中使用的是普通家庭常用光電式煙霧傳感器，光電式煙霧傳感器的工作原理是：煙霧是由無數(shù)微粒組成的，當單色光入射到這些微粒時，會受到顆粒團散射影響。當一束強度為lo的平行單色光入射到這些微粒時，會受到顆粒團散射和吸收的影響，光強將衰減為l（l＜lo）。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電信號強弱與l的大小成正比，通過檢測電信號的變化即可得出煙霧量[2]。在無煙環(huán)境下，紅外接收管幾乎接收不到紅外發(fā)射管發(fā)射的信號，當火災發(fā)生時，由于煙霧對光線的散射作用，使紅外接收管接收到較弱的紅外光信號，通過檢測電信號的變化即可得出煙霧的量。處理器內(nèi)部的運算放大器對該信號進行放大、送模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊采樣，若采樣值達到報警閾限值則報警。

本文設(shè)計的煙霧報警器選用CX-1088光電式煙霧探測傳感器。CX-1088由光學模塊和1個黑暗的煙霧迷宮組成，光學模塊部分采用紅外發(fā)光二極管（IRED）和光敏二極管（PD）。該裝置設(shè)計時，光束是偏離感應器的，當煙霧進入迷宮后，粒子會將部分光束散射到感應器上，當煙霧的量逐漸增重，就會有更多的光束被散射到感應器上。煙霧隨高溫空氣上升，當上層煙霧量增加到一定程度才會逐漸下沉，所以煙霧傳感器一般要放置于被監(jiān)控空間的上方。

煙霧探測傳感器內(nèi)置1個煙霧檢測用的專用單片機，型號為臺灣義隆的A88F656N。A88F656N是一款獨立型煙霧傳感器專用芯片，內(nèi)部集成了IR恒流電路和升壓電路，不但大大簡化了外圍電路，還能夠極大降低功耗。

2.4 NB-IoT模塊

NB-IoT是一種低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接[3]。NB-IoT模塊的功能是定期將煙霧報警器的數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠程服務器。NB-IoT只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)。該報警器的NB-IoT模塊選用上海移遠通信技術(shù)股份有限公司的BC28。其尺寸僅為18.7 mm×16.0 mm×2.1 mm，能最大限度地滿足終端設(shè)備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求。

報警器支持短信和微信報警2種方式，在發(fā)生火情后，報警器通過NB-IoT模塊向服務器發(fā)送報警請求，服務器接到報警請求后，通過微信小程序或短信服務器向綁定的微信用戶或手機號碼發(fā)送報警信息。

2.5 電池

煙霧報警器的電池用于給設(shè)備供電，無需外接電源，方便安裝。電池選用一次性鋰亞電池ER18505M，鋰亞電池具有安全性高、容量大的特點，年自放電小于1%，儲存壽命可達10年以上，非常安全可靠。

2.6 天線

報警器內(nèi)置PCB高增益天線，通過雙面膠粘在殼內(nèi)。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

煙霧報警系統(tǒng)以STM32處理器為基礎(chǔ)進行煙霧和溫度的監(jiān)測，以設(shè)定閾值的方式來實現(xiàn)報警功能。采用GPIO（General-Purpose Input /Output Ports，通用輸入輸出端口）實現(xiàn)ADC電壓采集、溫度采集、按鍵中斷、觸發(fā)蜂鳴器和LED，用串口實現(xiàn)煙霧采集、物聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。

上電時煙霧報警器首先對設(shè)備硬件進行初始化，初始化包括以下內(nèi)容：

1）參數(shù)初始化：煙霧、溫度報警閾值、電池報警閾值、持續(xù)時間、抑制時間和溫度等。

2）RTC時間及日期初始化。

3）煙霧報警系統(tǒng)狀態(tài)。

4）接口初始化：GPIO、USART、RTC、ADC。

初始化完成后，軟件進入正常工作流程。煙霧報警器工作流程如圖3所示。

圖3 煙霧報警器工作流程

工作時，首先獲取系統(tǒng)RTC時間和日期，判斷系統(tǒng)是否開機或者開始新的一天，當前為系統(tǒng)開機或新的一天時對自身狀態(tài)數(shù)據(jù)進行上報，若系統(tǒng)未重新開機或者未開始新的一天，則繼續(xù)進行后續(xù)操作。

然后進行警情判斷，首先對溫度、煙霧量進行總體判斷，判斷重復3次，減少誤報警發(fā)生的概率，再根據(jù)報警源對報警聲進行設(shè)置，煙霧報警設(shè)置為一長聲，溫度報警設(shè)置為兩短聲，目的是區(qū)分系統(tǒng)報警的種類以便及時告知工作人員，同時系統(tǒng)設(shè)置了按鍵取消報警的功能，工作人員可使用按鍵進行報警確認，確認后重置系統(tǒng)的報警狀態(tài)，取消報警后，系統(tǒng)待機60 s后重新進入警情的判斷。系統(tǒng)對報警次數(shù)進行判斷，若報警超過120 s則停止報警，待機60 s后，再次開始報警；若警情消失，系統(tǒng)狀態(tài)更新并設(shè)置喚醒時間后進入低功耗模式，在系統(tǒng)重新喚醒后再次開始新一輪的工作流程。系統(tǒng)在沒有報警的情況下喚醒時間設(shè)置為5 s，在有報警的情況下喚醒時間設(shè)置為1 s，目的是在警情發(fā)生后，系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)重復運行進行判斷，確認警情是否已消除。

3.2 煙霧檢測模塊工作流程

煙霧檢測模塊通過中斷方式來接收煙霧傳感器串口數(shù)據(jù)。程序通過串口中斷回調(diào)函數(shù)來更新煙霧量數(shù)據(jù)，從而在程序中能夠有效監(jiān)測煙霧信息，及時準確地進行預警。

3.3 溫度檢測模塊工作流程

溫度檢測模塊通過設(shè)置熱敏電阻1與熱敏電阻2雙熱敏電阻來實時監(jiān)測溫度信息，并通過溫度傳感器來實現(xiàn)與STM32的雙向通信。溫度檢測模塊具有抗干擾能力強、適合惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量等優(yōu)點（圖4）。

圖4 溫度模塊示意

3.4 通信模塊工作流程

通信模塊構(gòu)造如圖5所示。當系統(tǒng)軟件連續(xù)3次檢測檢測到煙霧量和溫度大于閾限值，就會生成報警信息，通過串口發(fā)傳送至NB-IoT模塊的BC28物聯(lián)網(wǎng)模塊，BC28物聯(lián)網(wǎng)模塊將報警信息發(fā)送給云服務器。

圖5 通信模塊構(gòu)造示意

3.5 微信小程序客戶端模塊工作流程

微信小程序通過HTTPS協(xié)議與服務器進行信息交互，處理流程如圖6所示。

圖6 微信小程序功能工作流程示意

首先是初始化階段，拉取基本的配置數(shù)據(jù)信息，更新用戶信息，解密用戶數(shù)據(jù)，通過填寫設(shè)備信息來生成二維碼，在后繼操作時使用小程序掃描二維碼就可以管理設(shè)備；然后是用戶登錄階段，掃描小程序二維碼登錄后，用戶的賬戶按照等級進行劃分，不同等級對應不同的權(quán)限和功能，通過登錄后的界面可以獲取設(shè)備的基本信息顯示，包含最后上報時間、探測到的溫度和煙霧量等等，在界面中也可以實時更新設(shè)備信息。

3.6 短信報警功能模塊工作流程

當煙霧報警系統(tǒng)檢測到溫度和煙霧濃度發(fā)生異常時，會通過請求云服務的短信息服務功能，將短信發(fā)送至手機，用以提醒系統(tǒng)用戶進行及時處理。發(fā)送的信息包含數(shù)據(jù)信息和位置信息兩類（圖7）。

圖7 短信報警功能示意

4 低功耗方案

硬件設(shè)計中對延長續(xù)航起到關(guān)鍵作用的是器件的選擇，選用安全性高、容量大的一次性鋰亞電池，年自放電小于1%，儲存壽命可達10年以上，非常安全可靠。選用的NB-IoT模塊支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)連接。STM32處理器內(nèi)部集成了升壓電路，省去了電壓變換模塊的熱耗。選用粘貼式高溫微型表面溫度傳感器，工作電流最大1.5 mA，在非工作狀態(tài)下可關(guān)閉供電，非常適用于低功耗的溫度采集場景。

軟件系統(tǒng)為了達到延長續(xù)航的方法主要是精簡邏輯，從執(zhí)行語句減少處理器的運行功耗。同時，在空閑時間讓處理器進入低功耗模式，減少耗電，使用DMA提高傳輸效率也是降低功耗的一個方法。最終使預計待機時間可長達2年。

5 測試結(jié)果

5.1 線纜高溫和煙霧警報

報警時，遠程發(fā)送信息主要包括傳送的信號強度、系統(tǒng)電量、監(jiān)測到的煙霧濃度、熱敏電阻檢測溫度以及測到異常的地點信息。

5.2 電量過低警報

在報警器電壓過低時，通過移動網(wǎng)絡(luò)將報警信息通過短信和語音電話的形式提醒工作人員更換電池。

6 結(jié)語

該報警器軟硬件設(shè)計合理，體積小，功耗低，待機時間長，靈敏度高，工作可靠，安裝方便，可在配電箱發(fā)生火情早期進行預警并已經(jīng)在首都機場建設(shè)項目施工現(xiàn)場不同位置安裝部署了10臺。通過現(xiàn)場驗證，誤報漏報均為零，可推廣至首都機場乃至其他建設(shè)項目施工現(xiàn)場使用，以提高施工現(xiàn)場配電箱安全管理能力，減少配電箱引起的消防事件。該報警器具有廣闊的應用前景。