文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181757
中文引用格式： 岳云濤，賈佳，王靖波，等. 基于LoRa無線傳輸技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(12)：32-35.
英文引用格式： Yue Yuntao，Jia Jia，Wang Jingbo，et al. Design of electric fire monitoring system based on LoRa wireless transmission technology[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(12)：32-35.
0 引言
隨著現(xiàn)代化的日新月異，建筑物內(nèi)部的電氣線路越來越復(fù)雜多樣，在給人們帶來便利的同時(shí)，由電氣故障引起火災(zāi)事件的數(shù)量也在不斷增加。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)可以通過監(jiān)測線路的溫度、漏電流大小等對(duì)電氣火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警。經(jīng)過不斷發(fā)展，電氣火災(zāi)監(jiān)控領(lǐng)域有許多知名企業(yè)，這些廠家的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場通信技術(shù)如CAN總線式傳輸。但在實(shí)際應(yīng)用中電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的安裝往往在樓體布線時(shí)間之后，存在布線困難的弊端，對(duì)于一些兼具藝術(shù)特性的建筑如文物古建，會(huì)影響其外貌美觀。本文擬研究一種基于超長距低功耗無線傳輸技術(shù)（Long Range，LoRa）的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，具有不用排線的優(yōu)點(diǎn)，可以降低施工難度，更能保護(hù)建筑物原貌。
1 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成及原理
本文所研究的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)由溫度傳感器、剩余電流互感器、電氣火災(zāi)探測器和監(jiān)控主機(jī)組成[1]，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
LoRa是一種采用擴(kuò)頻技術(shù)的超長距低功耗的無線傳輸方式。通過測試比較發(fā)射功率均為1 W的ZigBee和LoRa無線通信模塊，ZigBee無線通信在穿一面墻時(shí)有效傳輸距離約為110 m；LoRa無線通信在穿10面墻時(shí)有效傳輸距離約為400 m。因此確定LoRa為最優(yōu)無線通信方式。
當(dāng)線路發(fā)生非正常漏電或短路現(xiàn)象時(shí)，電氣火災(zāi)探測器通過溫度傳感器和剩余電流互感器對(duì)線路溫度和漏電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、濾波、放大等處理后，若超過預(yù)設(shè)報(bào)警閾值，探測器主控芯片STM32F103判斷并上傳報(bào)警信息，同時(shí)顯示報(bào)警實(shí)時(shí)值。探測器和監(jiān)控主機(jī)內(nèi)均置有無線發(fā)射芯片SX1278，探測器通過LoRa無線傳輸技術(shù)將信號(hào)發(fā)送給監(jiān)控主機(jī)發(fā)出報(bào)警并顯示報(bào)警部位及數(shù)據(jù)，從而值班人員可以盡快做出判斷采取措施預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生。
2 電氣火災(zāi)探測器的硬件設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)電氣火災(zāi)探測器的硬件系統(tǒng)主要包括MCU、無線通信電路、通信接口、供電電源和信號(hào)采樣電路。單片機(jī)分別與供電電源和信號(hào)采樣電路連接，并通過通信接口與無線通信電路連接[2]。
2.1 MCU
本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體(ST)公司出品的STM32F103作為主芯片，它是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核的32位微控制器，內(nèi)置64 KB的程序存儲(chǔ)器以及高速SRAM，可以存儲(chǔ)報(bào)警信息。該芯片的工作電壓為2 V～3.6 V，工作溫度為-40 ℃～85 ℃，具有功耗小、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，與無線模塊TTL電平連接，沒有中間電路，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高，可以根據(jù)需求設(shè)置多種優(yōu)先級(jí)使探測器的工作模式多樣化。
2.2 信號(hào)采樣電路
信號(hào)采樣電路包括信號(hào)采樣回路、信號(hào)濾波電路、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源、分壓電路和電壓跟隨器等。以測溫采樣回路為例介紹，如圖2所示。基準(zhǔn)電壓Vref通過分壓電阻、開關(guān)管和外部溫度傳感器PT100，形成采樣回路。電壓跟隨器做緩沖級(jí)及隔離級(jí)，具有高輸入電阻、低輸出電阻的特點(diǎn)，可以使前、后級(jí)電路之間互不影響，降低所采集溫度信號(hào)的電壓干擾。采樣時(shí)單片機(jī)通過CHI控制開關(guān)管導(dǎo)通。在外部溫度傳感器上產(chǎn)生的電壓信號(hào)接入到信號(hào)濾波電路，經(jīng)過運(yùn)算放大器將電壓信號(hào)放大接入到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，連接電壓范圍為0.9 V~3.5 V[3]。
2.3 通信接口
經(jīng)過MCU處理的數(shù)據(jù)信息可通過SPI通信接口傳輸給無線通信電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖3是通信接口的電路圖，R13是片式電阻陣列，R12~R14作為無線通信電路與MCU之間的連接，起到匹配阻抗的作用，可有效減少、消除高頻信號(hào)反射。NRESET引腳是復(fù)位引腳，可以初始化參數(shù)，低電平有效；MOSI、MISO是ISP同步串行接口，可以完成無線通信電路與MCU之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[4]。
2.4 無線通信電路
在電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，探測器與監(jiān)控主機(jī)之間的通信是基于SX1278發(fā)射芯片采用LoRa無線數(shù)傳技術(shù)進(jìn)行的，圖4是無線通信電路原理圖。SX1278是Semtech公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的RF收發(fā)器，用于超長距離擴(kuò)頻通信，抗干擾性強(qiáng)，靈敏度可達(dá)-148 dBm，頻率范圍為137 MHz~525 MHz。晶振電路為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)，直流電源3.3 V經(jīng)過濾波供電給無線芯片SX1278和功率放大器RFE2410C。采用第一匹配電路和第二匹配電路的形式組成收發(fā)電路，可有效提高無線通信的抗干擾能力和穩(wěn)定可靠性。
2.4.1 發(fā)射電路
在發(fā)射電路中發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理可以減輕外界高頻信號(hào)對(duì)其的干擾，降低信噪比。如圖5所示，C28與L8組成了串聯(lián)諧振電路，C31與L9、C33與L10組成了兩組并聯(lián)諧振電路，可以根據(jù)不同的通信頻率調(diào)整元件的參數(shù)以達(dá)到最佳發(fā)射狀態(tài)[5]。
2.4.2 接收電路
SAW Filter是聲表面波濾波器，可以過濾通信頻率外的信號(hào)，工作時(shí)輸入端由壓電效應(yīng)將無線信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)在介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ敵龆擞赡鎵弘娦?yīng)再將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線信號(hào)。L12、L13、C36、C37組成了濾波電路，既可以對(duì)信號(hào)濾波也可以對(duì)電路進(jìn)行無功補(bǔ)償。圖6是SX1278的接收電路。
3 無線電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
無線電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在Keil開發(fā)環(huán)境下采用C語言實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場采集監(jiān)控、無線通信、監(jiān)控主機(jī)的接收與顯示三層[6]。
3.1 現(xiàn)場采集監(jiān)控層軟件設(shè)計(jì)
現(xiàn)場采集監(jiān)控層的主要設(shè)備包括溫度傳感器、剩余電流傳感器和電氣火災(zāi)探測器等，可以采集并處理信號(hào)，同時(shí)具有報(bào)警顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。現(xiàn)場采集監(jiān)控模塊的工作流程圖如圖7所示。上電后系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化操作，包括單片機(jī)和探測器的復(fù)位、屏幕的清屏和I/O口的配置等[7]。初始化完成后探測器發(fā)出啟動(dòng)命令，溫度傳感器和剩余電流互感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并與探測器預(yù)定閾值進(jìn)行比較。若沒有超過預(yù)定閾值則返回繼續(xù)采集信號(hào)，若超過預(yù)定閾值則報(bào)警、顯示屏顯示報(bào)警數(shù)值并上傳數(shù)據(jù)。
3.2 無線通信軟件設(shè)計(jì)
SX1278有正常、喚醒、省電、休眠四種工作模式，通過在程序中對(duì)寄存器寫入指令來選擇相應(yīng)的工作模式[8]。對(duì)發(fā)射芯片SX1278、系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器、Flash等進(jìn)行初始化，對(duì)載波頻率、擴(kuò)頻因子、CRC校驗(yàn)方式、信號(hào)帶寬、發(fā)送功率以及數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置[9]。在配置寄存器工作參數(shù)選擇工作模式后進(jìn)入主循環(huán)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，每組數(shù)據(jù)發(fā)送成功后收發(fā)器將進(jìn)入休眠模式等待下次指令從而降低功耗，如圖8所示。
3.3 監(jiān)控主機(jī)軟件設(shè)計(jì)
監(jiān)控主機(jī)與探測器之間通過自定義的協(xié)議棧采用LoRa技術(shù)收發(fā)數(shù)據(jù)。監(jiān)控主機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)用調(diào)度算法保證報(bào)警與故障信息能實(shí)時(shí)顯示，可靠性高、維護(hù)方便、易于擴(kuò)充。人機(jī)界面采用觸摸屏界面，具有良好的交互性，可以實(shí)現(xiàn)說明、設(shè)置、進(jìn)入、退出等功能。探測器的數(shù)據(jù)上傳成功后，監(jiān)控主機(jī)通過檢驗(yàn)處理，顯示并發(fā)出報(bào)警信息，從而預(yù)警工作人員電氣火災(zāi)發(fā)生的可能性，并具有記錄歷史數(shù)據(jù)的功能。在設(shè)置功能時(shí)，用戶可以對(duì)多個(gè)探測器的順序地址及報(bào)警值等數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。
4 測試結(jié)果
電氣火災(zāi)探測器的采集底板和無線通信硬件電路板實(shí)物圖如圖9和圖10所示。監(jiān)控主機(jī)的硬件電路板實(shí)物圖如圖11所示。在北京市通州區(qū)三教廟對(duì)所設(shè)計(jì)的無線電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)是否可以正常發(fā)送火災(zāi)預(yù)警信號(hào)進(jìn)行了測試，測試時(shí)將溫度傳感器的報(bào)警閾值設(shè)置為60 ℃，剩余電流互感器漏電流報(bào)警閾值設(shè)置為300 mA，電氣火災(zāi)探測器和中繼器分別與電腦相連使用串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過測試所設(shè)計(jì)基于LoRa無線傳輸技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)穿3堵墻時(shí)最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)1.2 km無丟包，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，可以滿足對(duì)電氣火災(zāi)無線預(yù)警的要求。
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種基于LoRa無線傳輸技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，可以在無需布線、不破壞建筑物原貌的條件下對(duì)線路溫度及漏電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控從而預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)信號(hào)傳輸性能可靠，監(jiān)控主機(jī)顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。該研究為實(shí)現(xiàn)電氣火災(zāi)的無線監(jiān)控報(bào)警在文物建筑中的應(yīng)用提供了理論與技術(shù)支撐。
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作者信息:
岳云濤1，賈 佳1，王靖波2，王 昊1
（1.北京建筑大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，北京100044；2.中國建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所，北京100013）