《托爾先生-實時監(jiān)測建筑電氣智能報警系統(tǒng)》

郝茂生 張亦舒

（沈陽城市建設學院，遼寧 沈陽 110000）

隨著城市化進程的不斷加快，智能建筑、商業(yè)綜合體、多功能建筑等連地而起，建筑的復雜程度越來越高。而建筑電氣作為現(xiàn)代建筑系統(tǒng)中的核心技術之一，其發(fā)展日新月異，更新?lián)Q代的速度也越來越快。在建筑物中，由于建筑電氣系統(tǒng)包含的子系統(tǒng)數量多、規(guī)模大，特別是對于大型建筑而言，其建筑電氣系統(tǒng)發(fā)生故障的概率高，并且故障的種類也復雜多樣，經常使系統(tǒng)無法實現(xiàn)其預定功能，從而引起用電設備停機、計算機信息數據丟失等事故。對于用電可靠性要求較高的部門（如金融機構、醫(yī)院、電視臺等），甚至會發(fā)生重大停電事故。

因此，如何及時避免出現(xiàn)故障情況發(fā)生是當今建筑電氣領域最重要的研究事項之一。由此，我們提出了這個創(chuàng)意。即利用自動化及智能化技術，結合建筑電氣故障診斷方法研究內容，制作一個適用于所有建筑物的實時檢測建筑電氣智能報警系統(tǒng)。如果未來可以將其應用到實際建筑電氣系統(tǒng)中，不僅填補了我國建筑電氣領域在此處的一大空白。同時也迎合了現(xiàn)階段建筑電氣發(fā)展的趨勢，使建筑電氣系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到顯著的提高。

一、研究內容

（一）對現(xiàn)階段各類建筑物內常見的電氣故障進行了調研

項目組成員通過查閱大量資料及文獻、問卷調查等方式對現(xiàn)階段各類建筑物內常見的電氣故障進行了前期調研（各類建筑物包括民用住宅、大型商場、醫(yī)院等私人住戶及公共場所建筑）。通過調研分析得出，隨著社會的發(fā)展和人們物質文化生活的提高，人們對居住、工作、生活環(huán)境有了更好的要求，人們不盡滿足與對環(huán)境的基本需求，更追求與更高品質、更加安全、更加舒適的工作生活居住環(huán)境。然而，現(xiàn)階段所有建筑物內的所有設施都離不開電力。一旦建筑物的電氣系統(tǒng)發(fā)生故障，復雜的電氣網絡不僅會給維修帶來一定的難度，還會引發(fā)設備停機、計算機信息數據丟失、火災等等事故的發(fā)生，不僅會給工作和生活帶來極大不便，甚至還會帶來重大的經濟損失和人身傷亡。

（二）現(xiàn)階段建筑電氣預防及診斷故障研究現(xiàn)狀

根據查閱相關資料可知，全世界每年發(fā)表關于故障診斷的論文、報告在1500篇以上，近年來更是呈不斷上升的趨勢。但是如何將自動化技術應用到建筑電氣系統(tǒng)的研究才剛剛開始。雖有相關想法的提出，但仍停留在理論階段，沒有具體的實物應用。針對建筑電氣故障診斷方法的研究，也僅僅停留在故障發(fā)生之后的處理方面，而不是提前感知，提前預防。并且現(xiàn)階段建筑電氣系統(tǒng)的故障檢修也基本依靠人工，而隨著建筑電氣系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大、復雜性的不斷提高，大量故障信息往往超過維修人員的處理能力。建筑電氣系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，維修時間是整個維修過程中最關鍵的環(huán)節(jié)。如果時間過長，不僅會對居民及企業(yè)生活帶來極大不便，更會使因電氣故障而出現(xiàn)意外事故的可能性大幅增加。因此，如何在建筑電氣系統(tǒng)即將出現(xiàn)故障時，提前告知維修人員，及時到達現(xiàn)場檢修，避免出現(xiàn)故障情況發(fā)生是當今建筑電氣領域最重要的研究事項之一。

（三）本系統(tǒng)第一環(huán)節(jié)--傳感器的設計

在經過了充分調研的基礎上，對實施實時監(jiān)測建筑電氣智能報警系統(tǒng)的總體方案進行了設計。那么本系統(tǒng)第一步就要實現(xiàn)實時監(jiān)測建筑電氣系統(tǒng)的功能。在查閱相關資料后并根據所總結的建筑電氣系統(tǒng)常見故障類型，我們項目小組最終決定利用STC89C51單片機設計檢測電氣系統(tǒng)的傳感器。選擇該款單片機的原因為其結構小巧精致，較同類芯片造價較低，工作電壓較小，接口較多可實現(xiàn)各種常用功能，等各種優(yōu)點。

其次，考慮到初期的測試以及未來的定期檢修，所以我們在初期設計中給該單片機組成系統(tǒng)連接了LED顯示屏，在初期產品介紹及測試時，方便直接的觀察檢驗系統(tǒng)結果現(xiàn)象。并且，我們在調研了各類建筑電氣系統(tǒng)的常用故障后，決定通過檢測電壓的方式檢測整個建筑電氣系統(tǒng)。并根據戶內系統(tǒng)進行分配。超過數值則單片機通過蜂鳴器自動報警，但這僅限于實驗階段，后期我們將會通過ZIGBEE無線通信技術，將發(fā)生故障區(qū)域通過無線通信的方式傳輸到維修人員的監(jiān)控系統(tǒng)中，方便維修人員及時檢修。

最后，結合數字模擬電子技術，通過測定電信號的方式，實時監(jiān)測建筑電氣各系統(tǒng)狀態(tài)。例如，我們先通過編程，設定監(jiān)測電壓值為0~5V，正常情況下的電壓將會在這區(qū)間內穩(wěn)定或者上下浮動，一旦低于0.5V或超過4.8V，單片機系統(tǒng)將會自動報警，LED數值實時表達此電路數值（初期測驗階段）。

圖一 單片機系統(tǒng)設計原理圖

二、本系統(tǒng)第二部分——基于物聯(lián)網的Zigbee技術在智能建筑中的應用研究

（一）物聯(lián)網介紹

物聯(lián)網是通過信息傳感設備，按約定的協(xié)議實現(xiàn)物品到物品、人到物品、人到人、全面互聯(lián)的網絡，其主要特征是通過信息傳感設備等方式獲取物理世界的各種信息，結合互聯(lián)網、通信網等網絡進行信息傳送與交互，采用智能計算技術對信息進行分析處理，從而提高對物質世界的感知能力，實現(xiàn)智能化的決策和控制

物聯(lián)網主要由感知層、網絡層和應用層組成，其中：感知層包括傳感器、二維碼RIFD（射頻識別）、多媒體設備等數據采集和自組織網絡系統(tǒng)；網絡層包括各種網關和接入網絡以及異構網融合、云計算等承載網支撐系統(tǒng)；應用層包括信息管理、業(yè)務分析管理、服務管理、目錄管理等物聯(lián)網業(yè)務中間件和物聯(lián)網應用子系統(tǒng)。

（二）Zigbee技術介紹

Zigbee主要適合于工業(yè)控制、傳感和遠程控制領域。它在數千個微小的傳感器之間相互協(xié)調，實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。Zigbee技術的較低數據速率以及較小通信范圍的特點決定了它適合于承載數據流量較小的業(yè)務。

Zigbee具有近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的特點，這些特點使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網 絡、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領域有很大的發(fā)展空間。

（三）利用Zigbee無線通信技術對于無線傳感網監(jiān)測節(jié)點進行組網設計研究

我們可以假象一下這樣的場景，突然有一天，建筑里那些隱藏在墻體中的的某一根電線發(fā)生了故障。找來物業(yè)，排查，解決。但是在這段時間中會浪費大量排查的時間，也會浪費更多的資源。而如果當時在建造這座建筑的時候，將ZIGBEE等技術利用進去，將無線傳感網絡利用在建筑電氣系統(tǒng)的一些固定的節(jié)點，形成固定的節(jié)點組網，在每一個組網都能有固定的檢測區(qū)域，實行大面積的監(jiān)測。在那些易于老化的特殊節(jié)點，例如在墻體的拐角處，此類地方，可以設計多一些的節(jié)點，將組網進行縮小，這樣的話不管哪部分出現(xiàn)故障都能第一時間找到故障原，及時的進行解決，大大減少了排查所浪費的時間，資源。

當在建筑電氣系統(tǒng)中每一根電纜等都有了自己的IP地址之后，我們就都可以在一個客戶端對于整棟建筑進行監(jiān)察，監(jiān)測。這樣全方面大面幅的監(jiān)測，也是更有效的防范了那些豆腐渣工程，及時的排查故障，對于我們所處建筑之中的安全問題有了大大的保障。而基于ZIGBEE無線通信技術有著較高的靈活度與準確的定位，且價格實惠，這對于整個建筑電氣監(jiān)測系統(tǒng)而言是最合適的無線通信方式。

三、結語

隨著互聯(lián)網，物聯(lián)網的普及，將所有的一切都進行連網不會再是問題，無線通信技術更縮小了人類與機器的差距，在這個通往大數據的時代，智能建筑也一定會像電腦，智能家居一樣的普及。一座充滿大數據的建筑，不論哪方面都會是有利而無害的。那些我們能夠排查到卻解決不了的故障，我們也可以利用無線通信技術，進行修復。能要準確地找到位置，所有的故障就終不是問題。如果未來可以將本系統(tǒng)應用到實際建筑電氣系統(tǒng)中，不僅填補了我國建筑電氣領域在此處的一大空白。同時也迎合了現(xiàn)階段建筑電氣發(fā)展的趨勢，使建筑電氣系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到顯著的提高。