1 引言

目前，我國總線式電氣火災報警裝置正在發展當中，傳統的總線式電氣火災報警器（比如二總線、RS-485等）存在一定缺陷：數據傳輸速度低、距離短，數據丟失率高，可連接的探測器數量較少，無法充分發揮總線式電氣火災報警裝置的優勢。因此設計一種新型總線式電氣火災報警裝置勢在必行。

由于電氣火災具有發生頻率高、發生時間和地點隨機、危害特別大等特點，國家消防局陸續制定和修改了多項政策法規，對一些高層建筑強制安裝電氣防火設備，電氣火災監控系統面臨著巨大的商機。

2 系統整體方案

本設計方案的電氣火災監控系統包括電氣火災監控設備和電氣火災探測器兩部分。每個電氣火災探測器至少可帶一路漏電流互感器、一個斷路器和一路溫度傳感器。輸電線路經過斷路器和漏電流互感器接到用戶負載。探測器通過互感器檢測一組用戶線路的漏電流，通過溫度傳感器檢測線纜溫度。探測器和監控設備之間通過CAN總線通信。每個探測器必須設置一個獨一無二的ID，用于區別其他的探測器。用戶在使用之前，先根據需要設置好漏電流報警值和溫度報警值。系統的總體方案如圖1所示。

圖1 系統總體方案結構圖

一旦檢測到報警信號，探測器會再次復核，若還能檢測到報警信號，探測器會控制斷路器迅速切斷電路，同時發出聲光報警，并把報警信息發送給監控設備。探測器會一直保持聲、光報警信號，直到用戶按消音鍵消除聲音或排除故障后才能恢復正常。監控設備通過320×240液晶屏實時顯示各監控線路的運行狀態，如果監控設備接收到報警信息，則顯示報警所在節點的位置、報警類型、報警值和設定值等。同時發出聲光報警信號，提醒消防人員及時去現場查明原因，有效預防電氣火災的發生。還可以存儲報警信息，作為消防人員排查火災原因的依據。

3 系統硬件設計與實現

3.1 電氣火災探測器

電氣火災探測器的主要功能是檢測電路的剩余電流和溫度，并把采集到的數據通過CAN總線發送給監控設備。探測器可配置ID，用于網絡中區別于其他探測器。可設置漏電報警值和溫度報警值，并可選擇在漏電達到報警值時手動或者自動斷開斷路器。其硬件結構如圖2所示。

圖2 探測器硬件結構圖

探測器的主控制芯片選用價格低廉的PIC系列單片機PIC24H64GP506.該芯片是Microchip公司推出的高性能16位單片機，采用改進型哈佛結構。有53個通用I/O口、64K的程序存儲區、8通道硬件DMA、集成PLL可實現擴頻。帶一個增強型的ECAN模塊，在報文接收和發送時采用DMA的FIFO模式，提高了代碼的執行效率。采用了低功耗CMOS閃存工藝，全靜態設計，工作電壓3.3V.

溫度測量采用數字式傳感器DSl8B20.與傳統的熱敏電阻相比，DSl8B20具有如下性能特點：獨特的單線接口方式，與微處理器連接時僅需要一條線即可實現雙向通訊；在使用中不需要任何外圍元件；可用數據線供電，電壓范圍3.0V~5.5V;通過編程可實現9~12位的數字讀數方式；用戶可自設定非易失性的報警上下限值；支持多點組網功能，實現多點測溫；負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發熱而燒毀。因而使用DSl8B20可使系統結構更簡單，可靠性更高。溫度檢測電路比較簡單，只需一根數據線接到單片機的I/O口，數據線通過4.7K電阻上拉。電路如圖3所示。

圖3 溫度檢測電路

剩余電流測量采用的是穿心式電流互感器。在三相四線制線路中，正常情況下是沒有剩余電流的，流過A相、B相和C相的電流應和流過N相的相等，即矢量和為零，此時互感器的二級繞組沒有感應電流；如果發生漏電，則矢量和不為零，二級繞組上就有感應電流，該電流經過負荷后就會產生感應電壓。這個電壓經過調理電路整形放大，再經過單片機A/D采樣處理后就能得到準確的剩余電流值。剩余電流放大調理電路如圖4所示。

圖4 電流放大調理電路

圖4中，MCP6004是Microchip公司生產的低功率運算放大器、4運放封裝、1M增益帶寬、供電電壓1.8V到5.5V、供電電流100μA.功耗低、性能穩定，適合工控產品的使用。Sensor為電流互感器，其二次繞組引出兩根線，一根接地，另一根與電阻R152相連，把電流信號轉變為電壓信號Vi.輸出信號Vo2與單片機的A/D口連接。為了使峰值檢波電路能根據輸入漏電流的大小變化跟著瞬態變化，實現起來也比較簡單，就是每次單片機采樣完，使端口定義為輸出，稍做延時，使電容迅速放電，再把端口定義為輸入。

探測器通過控制繼電器來完成斷路器的脫扣功能。斷路器上有一個AC220V的脫扣器，給脫扣器一個交流220V電壓就能使斷路器斷開，切斷線路。脫扣器一端接零線，一端接繼電器1腳，繼電器的3腳接火線。繼電器控制火線的通斷就可以實現脫扣器的開關，斷路器脫扣電路如圖5.

圖5 斷路器脫扣控制電路

CAN通信電路必須具備較強的抗干擾能力，如雷擊、強電場、電磁輻射的干擾。本設計使用了兩個高速光耦6N137，分別加在了電路的CAN發送和接收端口，用于把總線和電路隔離開來，這樣總線的干擾就不會影響電路運行。同時在光耦兩邊用不同的獨立電源供電，實現了真正意義上的電氣隔離。此處用了B0505-1W實現電源隔離。B0505-1W最大輸出功率1W，體積小、價格便宜，輸入5V輸出為電氣隔離的5V.收發電路如圖6所示，V+和0為隔離后的電源和地。

CAN收發器是CAN協議控制器和物理總線上的接口，這里采用TJAl050.TJAl050是高速CAN收發器，完全符合ISO11898標準，最高速度1Mbps，電磁輻射EME非常低，差動接收器具有較寬的共模范圍，可抗電磁干擾（EMI），待機模式消耗電流極低，具有通過總線喚醒的功能和熱保護功能。TJAl050采用了高速模式，并用隔離電源供電。CANH和CANL上的電容和二極管使CAN總線實現要求更高的抗干擾/輻射性能。

圖6 CAN通信原理圖

3.2 電氣火災監控設備

電氣火災監控設備由主板、鍵盤和顯示器組成。主板采用Atmel公司的AT90CANl28為控制核心。監控設備先連接探測器，然后通過鍵盤配置每個探測器的ID，打開通信端口，就可以接收CAN總線上面的數據（溫度和漏電流）。一旦檢測到報警信號，監控設備就會持續發出聲光報警，直到管理人員消除報警信號并按復位鍵才能恢復正常狀態。報警時，液晶顯示屏上會顯示出報警節點的具體信息，如節點地址、報警值和設定值，方便用戶快速定位報警節點，及時消除火災隱患。若同時有多處報警，顯示界面按國標要求顯示的是最近的那個報警節點信息。監控設備還可遠程設置各探測器的漏電流和溫度報警值，指定探測器的斷路器脫扣以切斷用戶線路和對探測器遠程復位、消音等操作。監控設備設計框圖如圖7所示。

圖7 監控設備硬件結構圖

AT90CANl28是Atmel公司推出的高性能8位AVR單片機，基于AVR RISC結構。芯片采用哈佛結構，所有的寄存器直接與算術邏輯單元相連，大大提高了代碼效率。硬件資源豐富，有53個通用I/O口。程序存儲器大小為128KB，同時帶4k容量的內部EEPROM.支持ITAG在線仿真技術，給軟件開發帶來了極大的方便，同時帶CAN控制器。

鍵盤電路采用5×5矩陣鍵盤，一共25個鍵。實際只用到24個，功能為：0~9數字輸入、上下左右4個方向鍵、確定、取消、自檢、消音、復位和5個功能鍵。鍵盤的列KEY L1到KEY L5分別連接單片機的5個外部中斷口，鍵盤的行KEY H1到KEY H5與單片機的5個普通IO口相連。

本設計為了達到良好的人機交互界面效果，采用了320×240點陣的液晶模塊。該模塊為藍底白字，帶中文字庫，支持圖形和文字模式，使用十分方便。接口電路如圖8所示。液晶模塊留出了22個接口供用戶編程使用。圖中LCD-RS為寫入命令/數據選擇，LCD-RW和LCD-RD為數據讀寫接口，LCD-CS為模塊片選，LCD-RES為復位口，LCD-DB0~LCD-DB7為數據輸入口，采用并行通信，一次可寫入一個字節。

圖8 液晶顯示接口電路

4 系統軟件設計及實現

電氣火災探測器總體軟件設計如圖9所示。程序從初始化開始，初始化包括了單片機I/O口初始化、A/D初始化、CAN控制器初始化等準備工作。接著單片機開始采集漏電流和溫度數據。為了保證采樣的實時性，漏電流的采集采用了定時采樣。

圖9 電氣火災探測器軟件流程

根據國標對監控設備的要求，用戶對監控設備的操作權限分三級級別：操作員、管理員和超級管理員。要切換到另一個級別之前必須先注銷，然后登錄。操作員只能查看一些記錄信息，操作權限低；管理員可以查看建筑的實時信息，遠程控制探測器，操作權限高；超級管理員可以配置探測器節點，操作權限最高。級別高的可以操作低級別任務，反之不行。軟件總體構架如圖10，清晰展示了電氣火災監控設備的程序運行情況。

圖10 電氣火災監控設備軟件流程

5 結論

本文提出的電氣火災監控系統設計方案包括一個最多可帶的200個節點的電氣火災監控設備和電氣火災監控探測器。電氣火災監控探測器用于檢測各線路的剩余電流（漏電流）和溫度。監控設備與探測器之間通過CAN總線通信。監控設備能實時顯示各監控節點的運行狀態，一旦檢測到有漏電報警或溫度報警，監控設備和探測器都能發出聲光報警信號，同時在監控設備上面顯示報警地點和何種報警，并存儲報警記錄。該方案中設計的報警系統通信距離遠、速度快，數據傳輸可靠性高，即插即用，使用靈活。