自適應(yīng)智能用電安全探測(cè)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

深圳市賦安安全系統(tǒng)有限公司　吳曉娜

公安部、中央綜治辦、民政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《高層建筑消防安全綜合治理工作方案》（公消〔2017〕218號(hào)），要求結(jié)合老舊高層住宅改造工程推動(dòng)安裝電氣火災(zāi)監(jiān)控裝置，利用智慧用電安全管理系統(tǒng)加強(qiáng)數(shù)據(jù)搜集、分析和應(yīng)用，實(shí)行智能監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)管控，確保用電安全[1]。目前市場(chǎng)上的電氣火災(zāi)產(chǎn)品滿足不了小型工業(yè)園區(qū)、城中村、出租屋、三小場(chǎng)所、古建筑群、老舊高層建筑等細(xì)分領(lǐng)域的電氣防火監(jiān)控需求[2-3]。且目前市場(chǎng)上的探測(cè)器每個(gè)通道的類型固定，不能根據(jù)外接的傳感器或互感器自動(dòng)識(shí)別出通道類型?；诖耍O(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)智能用電安全探測(cè)器，能夠根據(jù)所接互感器或傳感器自動(dòng)識(shí)別剩余電流或溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路剩余電流變化、溫度變化等相關(guān)數(shù)據(jù)；并進(jìn)行分析處理，將結(jié)果通過(guò)轉(zhuǎn)換器上報(bào)到遠(yuǎn)端監(jiān)控平臺(tái)，遠(yuǎn)端監(jiān)控平臺(tái)及時(shí)將相關(guān)信息以短信、微信、電話等方式推送到監(jiān)控人員以便及時(shí)知曉火情并采取措施，可以極大的提高消防預(yù)警和信息化管理水平。本文將詳細(xì)介紹自適應(yīng)智能用電安全探測(cè)器的軟硬件設(shè)計(jì)及測(cè)試情況。

1.系統(tǒng)整體框架

自適應(yīng)智能用電安全探測(cè)器，具有4路剩余電流

或溫度采集通道，并可任意配置為剩余電流或溫度輸入方式，能夠?qū)κＳ嚯娏骱蜏囟鹊耐ǖ李愋妥赃m應(yīng)判斷。探測(cè)器能夠檢測(cè)與其相連的剩余電流或溫度傳感器之間的連接線斷開和短路時(shí)，點(diǎn)亮相應(yīng)指示燈，判斷開路/短路故障信息，以及超過(guò)閾值的報(bào)警信息。探測(cè)器將剩余電流和溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，報(bào)警狀態(tài)，故障狀態(tài)通過(guò)RS485總線發(fā)送給轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器將信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給消防云平臺(tái)。系統(tǒng)整體框架如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)整體框架

2.系統(tǒng)硬件組成

自適應(yīng)智能用電安全探測(cè)器采用ST的微處理器STM32F-030C8T6 ，該芯片有10路AD口，滿足探測(cè)器采集4路剩余電流或溫度傳感器所需的8個(gè)AD口。電源處理模塊是通過(guò)開關(guān)電源將外部220V交流電源轉(zhuǎn)成5V電壓，然后再通過(guò)LDO轉(zhuǎn)換為3.3V給CPU供電。通信模塊采用RS485通信方式。指示燈模塊使用通用GPIO口控制5個(gè)指示燈的顯示。

2.1　通道類型自適應(yīng)模塊設(shè)計(jì)

探測(cè)器4個(gè)通道能任意接剩余電流或溫度信號(hào)進(jìn)行采集，圖2給出第1個(gè)通道的電路設(shè)計(jì)，其他通道電路與第1通道類似。RT11，RT12連接剩余電流互感器或者溫度傳感器的接線端子。選擇閉口式剩余電流互感器[4]，二次阻抗100±20歐，額定一次剩余電流1000mA，額定二次剩余電流0.5mA，根據(jù)內(nèi)孔尺寸的不同，應(yīng)用于不同的用電線路阻回路漏電流（1000A，630A，400A，315A，225A，100A，63A）。選擇帶鍍鎳銅外殼的溫度傳感器，電阻抵抗值為100k±2%歐，使用溫度范圍為-20℃～150℃。SGM48751是一個(gè)

CMOS模擬IC，配置為8通道多路復(fù)用器，當(dāng)CPU引腳SW_C2，SW_B2，SW_A2輸出為低電平，低電平，高電平時(shí)，控制SGM48751的IKT1輸出3.3V高電平。SGM3005是一個(gè)雙重單刀雙擲開關(guān)，CPU引腳ADCC1為高電平時(shí)控制RT11連接IL1，RT12連接RV1，ADCC1為低電平時(shí)控制RT11連接IKH1，RT12連接地。CPU控制SGM3005引腳將電路切換為RT11連接IKH1，RT12連接地，根據(jù)所選剩余電流互感器和溫度傳感器的內(nèi)阻計(jì)算，軟件采集判斷ADT1的電壓。當(dāng)0.02V≤ADT1<0.06V時(shí)，判斷外部輸入為剩余電流互感器，當(dāng)ADT1>2.8V時(shí)，可判斷外部輸入為溫度傳感器或輸入開路。

2.2　剩余電流/溫度開路、短路判斷模塊設(shè)計(jì)

CPU控制SGM3005引腳將電路切換為RT11連接IKH1，RT12連接地，這個(gè)電路判斷輸入為溫度傳感器時(shí)，當(dāng)ADT1≧3.15V，可判斷為所接溫度傳感器的通道開路，當(dāng)ADT1<0.005V時(shí)，可判斷溫度傳感器的通道短路。

判斷輸入為剩余電流互感器時(shí)，CPU控制SGM48751芯片使得IKT1輸出3.3V高電平，R1和R5并聯(lián)后與剩余電流互感器內(nèi)阻分壓。當(dāng)ADT1≧3.15V，可判斷為所接剩余電流互感器的通道開路，當(dāng)ADT1<0.005V時(shí)，可判斷剩余電流互感器的通道短路。

2.3　剩余電流/溫度報(bào)警判斷模塊設(shè)計(jì)

CPU控制SGM3005引腳將電路切換為RT11連接IKH1，RT12連接地，這個(gè)電路判斷輸入為溫度傳感器時(shí)，電路不變，被監(jiān)視部位溫度變化引起溫度傳感器電阻阻值變化，采樣電路將電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓琈CU對(duì)檢測(cè)的電壓信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并通過(guò)算法處理實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)被監(jiān)視部位溫度的變化判斷用電線路工作是否正常。

CPU控制SGM3005引腳將電路切換為RT11連接IKH1，RT12連接地，這個(gè)電路判斷輸入為剩余電流互感器時(shí)，CPU引腳ADCC1輸出低高電平時(shí)控制RT11連接IL1，RT12連接RV1，使電路切換為判斷剩余電流報(bào)警，RT11和RT12連接剩余電流互感器，通過(guò)ADC1采集。剩余電流互感器采集的剩余電流信號(hào)送到運(yùn)放的兩端組成差分輸入，MCU對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并通過(guò)算法處理實(shí)現(xiàn)通過(guò)監(jiān)測(cè)剩余電流變化判斷用電線路工作是否正常。

圖2　第一通道電路設(shè)計(jì)

3.系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)上電后，軟件控制ADCC1為高電平，切換電路為判斷通道類型的電路。軟件進(jìn)行采樣判斷出該通道接入的是剩余電流或溫度。 再切換為對(duì)應(yīng)的開路/短路判斷電路，報(bào)警判斷電路。程序流程如圖3所示。探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)通道的剩余電流/溫度采集，每個(gè)通道占用兩個(gè)AD口。軟件設(shè)計(jì)采樣定時(shí)器間隔為1.25ms，定時(shí)器1.25ms間隔到時(shí)，切換電路為第1通道，啟動(dòng)該AD采樣，AD轉(zhuǎn)換完成后，保存采樣數(shù)據(jù)到緩存中；依次切換電路為2，3，4通道，完成其他通道的AD采樣，轉(zhuǎn)換，保存數(shù)據(jù)，每個(gè)通道采集到各自的16個(gè)點(diǎn)后計(jì)算有效值。剩余電流有效值通過(guò)參考電壓，12位采樣分辨率，運(yùn)放，互感器額定一次與二次比值，得到用電線路的剩余電流值[5]。溫度有效值通過(guò)廠家提供查表后，得到用電線路的溫度值。

圖3　軟件程序流程圖

根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)大于開路AD值時(shí)，開路故障點(diǎn)數(shù)加1，當(dāng)開路故障點(diǎn)數(shù)≥12個(gè)時(shí)，更新剩余電流開路故障位。采集的數(shù)據(jù)小于短路AD值時(shí)，短路故障點(diǎn)數(shù)加1，當(dāng)短路故障點(diǎn)數(shù)≥12個(gè)時(shí)，更新剩余電流短路故障位。溫度開路/短路的程序流程相同。故障狀態(tài)使用兩個(gè)字節(jié)，按位顯示不同的狀態(tài)，位值為1表示故障，為0表示不故障。其中，bit0表示通道1剩余電流通道開路，bit1表示通道1剩余電流通道短路，bit2表示通道1溫度通道開路，bit3表示通道1溫度通道短路；bit4-bit7表示通道2的故障；bit8-bit11表示通道3的故障；bit12-bit15表示通道4的故障。

當(dāng)剩余電流值超過(guò)閾值500mA時(shí)，更新報(bào)警狀態(tài)位。當(dāng)溫度值超過(guò)閾值65℃時(shí)，更新報(bào)警狀態(tài)位，并點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)指示燈[6]。報(bào)警狀態(tài)使用一個(gè)字節(jié)，按位顯示不同的狀態(tài)，位值為1表示報(bào)警，為0表示不報(bào)警。其中，bit0表示通道1剩余電流報(bào)警，bit1表示通道1溫度報(bào)警；bit2表示通道2剩余電流報(bào)警，bit3表示通道2溫度報(bào)警；bit4表示通道3剩余電流報(bào)警，bit5表示通道3溫度報(bào)警；bit6表示通道4剩余電流報(bào)警，bit7表示通道4溫度報(bào)警。

采集到的數(shù)據(jù)，故障狀態(tài)，報(bào)警狀態(tài)以1S的時(shí)間間隔通過(guò)RS485總線定時(shí)上報(bào)給轉(zhuǎn)換器[7]。

4.系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

對(duì)自適應(yīng)智能用電安全探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，探測(cè)器通道1接溫度傳感器，探測(cè)器2接剩余電流傳感器。圖4是用示波器對(duì)探測(cè)器測(cè)試,示波器CH1測(cè)試探測(cè)器的通道1,CH2測(cè)試探測(cè)器的通道2。從圖中可以看出，CH1測(cè)得的電壓為2.97V，CH2測(cè)得的電壓為30mV，滿足當(dāng)0.02V≤ADT1<0.06V時(shí)，判斷外部輸入為剩余電流互感器，當(dāng)ADT1>2.8V時(shí)，可判斷外部輸入為溫度傳感器。

圖4　系統(tǒng)測(cè)試

5.結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)智能用電安全探測(cè)器，自動(dòng)識(shí)別通道類型，多種組合配置，方便施工。適合消防三小場(chǎng)所（小商鋪、小作坊、小娛樂場(chǎng)所）、學(xué)生宿舍、批發(fā)市場(chǎng)、醫(yī)院、城中村、出租屋等小微場(chǎng)所以及各類老舊建筑消防改造的煙感安裝工程。探測(cè)器采集剩余電流精度可以達(dá)到3%，溫度精度2%，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足電氣火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]肖華.六部門聯(lián)合印發(fā)高層建筑消防安全綜合治理工作方案[J].中國(guó)消防,2017(08).

[2]王堃.文物古建筑消防安全現(xiàn)狀與對(duì)策[J].消防界(電子版),2017(11).

[3]周喬恒.淺談“三小”場(chǎng)所安全隱患及安全管理對(duì)策[J].科技風(fēng),2017(07).

[4]張冠英,楊曉光,李奎,王堯,張波.剩余電流互感器的設(shè)計(jì)與特性分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2011(06).

[5]田樹仁,張鐵壁.一種智能火災(zāi)探測(cè)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討[J].消防科學(xué)與技術(shù),2011(10).

[6]蔡方廷,曲娜,叢作明,寧文雙.剩余電流式電氣火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技視界,2017(09).

[7]葉亮.一種復(fù)合型電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué)碩士論文，2010.