消防設(shè)備電源監(jiān)控傳感模塊設(shè)計(jì)

何溶溶，胡煒薇，鄭 梁

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州 310018）

1 引言

2011年7月1日開(kāi)始執(zhí)行的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB25506-2011《消防控制室通用技術(shù)要求》中5.3.14條提出：“消防控制室應(yīng)能顯示消防用電設(shè)備的供電電源和備用電源的工作狀態(tài)和欠壓報(bào)警信息”，并在2011年提出該系統(tǒng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB28184-2011《消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)》。在各項(xiàng)火災(zāi)事故中，消防設(shè)備能否起到滅火的關(guān)鍵作用在于消防設(shè)備是否供電正常，而人為監(jiān)控和維護(hù)電源的困難則使得消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)必然產(chǎn)生。該系統(tǒng)主要是通過(guò)保證平時(shí)各項(xiàng)消防設(shè)備的電源能夠正常工作，從而保證消防設(shè)備在火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)不會(huì)因?yàn)楣╇姽收隙鵁o(wú)法滅火導(dǎo)致更大損失，在消防設(shè)備供電故障時(shí)能夠及早發(fā)現(xiàn)并予以解決[1]。

目前我國(guó)沿海城市已經(jīng)陸續(xù)有公司推出消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)，然而許多監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)參差不齊，并沒(méi)有按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB28184-2011來(lái)制作。尤其是置于消防設(shè)備電源進(jìn)入端與輸出端的監(jiān)控傳感模塊，沒(méi)有考慮到工作環(huán)境的復(fù)雜以及采樣精度不高、適用范圍小等問(wèn)題。本文針對(duì)以上現(xiàn)象，設(shè)計(jì)并研發(fā)了消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的檢測(cè)傳感模塊，并對(duì)其中的采樣部分進(jìn)行了詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)，創(chuàng)新點(diǎn)在于通過(guò)使用RN8209G電能芯片使得采樣精度達(dá)到1%，并結(jié)合了較為穩(wěn)定的CAN總線通信技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的消防設(shè)備電源監(jiān)控傳感模塊已通過(guò)了GB28184-2011中規(guī)定的浪涌沖擊抗擾度試驗(yàn)、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)以及高低溫試驗(yàn)等。

2 監(jiān)控傳感器整體設(shè)計(jì)

消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)整體可包括3個(gè)部分：監(jiān)控器主機(jī)，傳感監(jiān)控器以及上位機(jī)。這其中傳感監(jiān)控器為本文的核心討論內(nèi)容，下面給出監(jiān)控模塊的整體設(shè)計(jì)框圖，見(jiàn)圖1。

圖1 消防設(shè)備電源監(jiān)控傳感器整體框架圖

監(jiān)控傳感器的模塊構(gòu)成為圖1中的虛線框內(nèi)部分，包括采樣、通信、顯示、報(bào)警輸出等，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控傳感器類(lèi)型為電壓電流型，即能夠監(jiān)測(cè)電流電壓兩種信號(hào)，電壓信號(hào)可直接接入監(jiān)控傳感器，而電流信號(hào)為保證消防設(shè)備電源連續(xù)性，則需要通過(guò)互感器接入。其中采樣模塊和通信模塊決定了監(jiān)控傳感器的性能好壞，下文對(duì)這兩個(gè)模塊進(jìn)行重點(diǎn)剖析論述。

3 監(jiān)控傳感器通信模塊

3.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB28184-2011中的要求，監(jiān)控傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠傳輸至監(jiān)控主機(jī)，傳輸?shù)倪^(guò)程要求保證穩(wěn)定性。監(jiān)控傳感器一般置于建筑消防設(shè)施的電源附近，隱藏在墻體之后，所處環(huán)境電磁干擾較大，對(duì)于通信的穩(wěn)定性要求較高。對(duì)比于傳統(tǒng)市面上采用的RS-485通信方案，本文中采用CAN總線，并給出了相應(yīng)的CAN協(xié)議格式，在通信總線中加入了TVS防止浪涌破壞，并加入了共軛線圈以抑制共模干擾。設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。

電路圖中，6N137光耦起到電氣隔離的作用，圖2中的B0505為隔離電源，將通信模塊中所用的電源、地與電路板上其余電源、地隔離開(kāi)來(lái)，在通信的輸出端口，CANL與CANH之后加入了L41與L42差模濾波電感，用于抑制差模干擾。差模電感之后加入共模電感B3，共模電感的作用是抑制共模干擾。TVS41的作用是為了消除CANL與CANH之間的浪涌，而TVS42與TVS43分別是為了消除CANH與CANL對(duì)地的浪涌。有瞬間大電壓浪涌產(chǎn)生時(shí)，TVS管與C43電容會(huì)瞬間導(dǎo)通，將大電壓通過(guò)GGND導(dǎo)通至大地，以防止通信模塊受到破壞。

圖2 CAN通信電路設(shè)計(jì)

3.2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中監(jiān)控傳感器的通信采用CAN傳輸，CAN通信采用事件觸發(fā)式，比主從方式的通信效率更高，CAN應(yīng)用層的協(xié)議相對(duì)開(kāi)放，有CAN2.0A的版本以及擴(kuò)展版的CAN2.0B，該設(shè)計(jì)采用擴(kuò)展版本2.0B的通信擴(kuò)展幀模式，報(bào)文幀格式如表1所示，并參考了論文《基于CAN總線的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》中ZNCAN的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上依據(jù)消防監(jiān)控器的特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)更改。CAN2.0B擴(kuò)展幀中報(bào)文的格式分為報(bào)文標(biāo)識(shí)符以及報(bào)文數(shù)據(jù)定義兩個(gè)部分。報(bào)文標(biāo)識(shí)符主要用于設(shè)備識(shí)別，而報(bào)文數(shù)據(jù)部分即表1的字節(jié)6~13中傳輸電壓電流等數(shù)據(jù)信息。表格中報(bào)文識(shí)別碼的ID.28~ID.23定義為6位建筑編號(hào)，ID.22~ID.16定義為7位樓層編號(hào)，ID15~ID9定義為7位節(jié)點(diǎn)編號(hào)，而ID8~ID5為源節(jié)點(diǎn)編號(hào)，ID4~ID1定義為功能碼，ID0為應(yīng)答信號(hào)ACK。功能碼列表如表2所示。

表1 CAN2.0B擴(kuò)展幀格式

表2 CAN協(xié)議中功能碼設(shè)定

報(bào)文響應(yīng)中的數(shù)據(jù)主要用來(lái)傳送參數(shù)以及采樣數(shù)值，由于消防設(shè)備電源通常是雙電源，即主電和備用電源都需要監(jiān)測(cè)，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控傳感器為電流電壓型，采用三相四線輸入，有12組采樣數(shù)據(jù)，再加上電流電壓的設(shè)定閾值共14組，數(shù)據(jù)量較大，而CAN2.0B擴(kuò)展幀的數(shù)據(jù)位只有8位，所以采樣數(shù)據(jù)傳輸一共要發(fā)送14次。發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有如圖3所示的兩種[2]。

圖3 CAN擴(kuò)展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

狀態(tài)字節(jié)：狀態(tài)為監(jiān)控傳感器的當(dāng)前狀態(tài)，包括正常、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、缺相、錯(cuò)相等狀態(tài)；電壓/電流設(shè)定：電壓/電流設(shè)定包括主電的設(shè)定值和備電的設(shè)定值；監(jiān)控類(lèi)型：監(jiān)控類(lèi)型表示上發(fā)數(shù)據(jù)的監(jiān)控傳感器類(lèi)型，可以是電壓型也可以是電流型，亦或是電流電壓型。其中對(duì)于同一監(jiān)控傳感器的同一批采樣數(shù)據(jù)中，傳輸完圖3（a）后緊隨著圖3（b）的數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控器主機(jī)可以根據(jù)監(jiān)控類(lèi)型來(lái)計(jì)算接收的次數(shù)以此來(lái)判決是否接收到所有的采樣數(shù)據(jù)。

4 監(jiān)控傳感器采樣模塊

市面上有的監(jiān)控傳感器采樣部分采用普通的峰值檢波電路或是簡(jiǎn)單的分壓電路，輸入的采樣信號(hào)穩(wěn)定性不高，并且對(duì)于峰值檢波電路，應(yīng)用具有一定的局限性。峰值檢波電路存在充放電的問(wèn)題，如若快速變換的波形一旦放電不及時(shí)，則容易出現(xiàn)采樣偏差，筆者在采用峰值檢波電路測(cè)試日光燈的供電電源時(shí)發(fā)現(xiàn)采樣電壓普遍偏大兩倍。消防設(shè)備的種類(lèi)繁多決定了消防設(shè)備電源的多樣性，采樣電路需要有更大的適用范圍以及更強(qiáng)的抗干擾性能。

本設(shè)計(jì)的采樣方案采用RN8209電能芯片進(jìn)行電流電壓的信號(hào)采樣。RN8209是一款單相多功能防竊電專(zhuān)用的計(jì)量芯片，它能夠提供3路采樣信號(hào)，其中包括兩路電流和一路電壓的有效值測(cè)量，在1000:1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，有效誤差小于0.1%，并且提供SPI/UART接口將信號(hào)輸出，功耗值低，使用十分便利。在使用該計(jì)量芯片時(shí)，根據(jù)芯片手冊(cè)設(shè)計(jì)的芯片外圍電路如圖4所示。圖4中一共有3路電流輸入，分別為IA_IN1、IB_IN1、IC_IN1，該3路電流在輸入該電路之前與峰值檢波電路一樣需要通過(guò)電流互感器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)為小信號(hào)之后再輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。

5 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果分析

5.1 基礎(chǔ)功能測(cè)試

監(jiān)控器的測(cè)試與校驗(yàn)儀器采用XF20-5A三相校驗(yàn)儀，精確度在小數(shù)點(diǎn)后1位。低于2 A的電流部分采用青島東來(lái)儀器的SDDL電流發(fā)生器系列測(cè)量，精確度能達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后6位。表3給出傳感器采樣的電流電壓值以及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值之間的對(duì)比，并計(jì)算出誤差。

該設(shè)計(jì)的監(jiān)控傳感器針對(duì)于220 V的交流電，電壓采樣從180~300 V的區(qū)間中采樣6次，采樣電壓1、2、3分別對(duì)應(yīng)ABC三相電壓，由于國(guó)標(biāo)GB28184中要求消防設(shè)備的電壓需要穩(wěn)定在85%~110%左右，所以該監(jiān)控器的電壓取樣范圍符合標(biāo)準(zhǔn)，并且采樣精度達(dá)到1%左右，符合國(guó)標(biāo)中±5%的精度要求。

圖4 RN8209G應(yīng)用電路圖

表3 傳感器采樣電壓

表4 傳感器采樣電流1

表5 傳感器采樣電流2

由于采樣電流的跨度較大，可從1 A到50 A左右，為了更精確地測(cè)量誤差，這里的采樣電流分為兩部分進(jìn)行：0~2 A小電流范圍，以及2~50 A大電流范圍。每個(gè)采樣區(qū)間取6次，一共對(duì)3組電流采樣，可得誤差率如表4和表5中所示。

將峰值檢波的采樣線性與采用電能芯片RN8209進(jìn)行對(duì)比可得表6。采樣值1為峰值檢波采樣，采樣值2為RN8209G采樣。

由表4可計(jì)算出，峰值檢波的采樣平均誤差在3.4%左右，而采用RN8209G的精度能夠達(dá)到0.86%，采樣精度大幅度提高。

5.2 高低溫測(cè)試

圖5為本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控傳感器的電路板圖。

圖5 監(jiān)控傳感器電路板圖

表6 峰值檢波采樣與RN8209G采樣對(duì)比

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)降試樣在常規(guī)大氣的條件下放置2 h，然后按照正常監(jiān)視的狀態(tài)要求，將負(fù)載接入試樣，并接通電源，使其處于正常監(jiān)視的狀態(tài)。隨后調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱，使溫度在40 ℃左右，隨后調(diào)節(jié)相對(duì)濕度90%，對(duì)于恒定濕熱運(yùn)行試驗(yàn)，將試樣在試驗(yàn)箱中保持4天，隨后取出試樣進(jìn)行基本功能試驗(yàn)。而對(duì)于恒定濕熱耐久試驗(yàn)，則在不通電的情況下，將溫濕度調(diào)制與恒定濕熱運(yùn)行試驗(yàn)相同，并保持21天，隨后取出，在正常的大氣條件下恢復(fù)12 h?；謴?fù)后，檢查試樣表面涂覆情況，并且接通電源、連接負(fù)載，檢測(cè)其監(jiān)測(cè)功能有無(wú)異常[3]。低溫運(yùn)行試驗(yàn)與高溫運(yùn)行試驗(yàn)步驟相同，只是溫度設(shè)定改變，先是使試樣在通電狀況下放入恒溫箱，并在20 ℃的溫度下保持30 min后，以1℃·min-1的速率緩慢降低溫度，降至3 ℃左右。取出試樣，在正常大氣中恢復(fù)后再進(jìn)行基本功能試驗(yàn)，并與之前的基本功能進(jìn)行比較。圖6為監(jiān)控傳感器實(shí)物做高低溫試驗(yàn)圖。

圖6 高低溫試驗(yàn)圖

本文中測(cè)試選用兩臺(tái)監(jiān)控傳感器，分別接通電源后置于高低溫試驗(yàn)箱，如圖6所示，取出后置于大氣中恢復(fù)并進(jìn)行基本功能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果通過(guò)沒(méi)有異常。

5.3 環(huán)境測(cè)試表單

根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，通過(guò)選取1臺(tái)監(jiān)控器、2臺(tái)傳感器連接后各自做了相對(duì)應(yīng)的環(huán)境測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果如表7所示。通過(guò)各項(xiàng)測(cè)試表明，本文設(shè)計(jì)的消防設(shè)備電源監(jiān)控傳感器能夠符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB28184-2011的要求，通過(guò)CAN總線加強(qiáng)了通信穩(wěn)定性，采用RN8209G的采樣方式更能提高精度，并能適用于需要消防設(shè)備電源監(jiān)控的場(chǎng)合。

表7 監(jiān)控器及傳感器性能測(cè)試表

[1] 趙東明，王禹，王鵬. 消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置的必要性與應(yīng)用[J]. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息.

[2] 張軍. 基于CAN總線的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)[D]. 杭州：杭州電子科技大學(xué)，2011.

[3] 消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)[S]. GB28184-2011.

[4] 高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S]. GB50045-95.

[5] 消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)[S]. 10CX504.