0 引言
随着现代化的日新月异，建筑物内部的电气线路越来越复杂多样，在给人们带来便利的同时，由电气故障引起火灾事件的数量也在不断增加。电气火灾监控系统可以通过监测线路的温度、漏电流大小等对电气火灾进行预警。经过不断发展，电气火灾监控领域有许多知名企业，这些厂家的电气火灾监控系统一般采用传统的现场通信技术如CAN总线式传输。但在实际应用中电气火灾监控系统的安装往往在楼体布线时间之后，存在布线困难的弊端，对于一些兼具艺术特性的建筑如文物古建，会影响其外貌美观。本文拟研究一种基于超长距低功耗无线传输技术（Long Range，LoRa）的电气火灾监控系统，具有不用排线的优点，可以降低施工难度，更能保护建筑物原貌。
1 电气火灾监控系统构成及原理
本文所研究的电气火灾监控系统由温度传感器、剩余电流互感器、电气火灾探测器和监控主机组成[1]，系统框图如图1所示。
LoRa是一种采用扩频技术的超长距低功耗的无线传输方式。通过测试比较发射功率均为1 W的ZigBee和LoRa无线通信模块，ZigBee无线通信在穿一面墙时有效传输距离约为110 m；LoRa无线通信在穿10面墙时有效传输距离约为400 m。因此确定LoRa为最优无线通信方式。
当线路发生非正常漏电或短路现象时，电气火灾探测器通过温度传感器和剩余电流互感器对线路温度和漏电流数据进行采集。数据经过A/D转换、滤波、放大等处理后，若超过预设报警阈值，探测器主控芯片STM32F103判断并上传报警信息，同时显示报警实时值。探测器和监控主机内均置有无线发射芯片SX1278，探测器通过LoRa无线传输技术将信号发送给监控主机发出报警并显示报警部位及数据，从而值班人员可以尽快做出判断采取措施预防电气火灾的发生。
2 电气火灾探测器的硬件设计
本文所设计电气火灾探测器的硬件系统主要包括MCU、无线通信电路、通信接口、供电电源和信号采样电路。单片机分别与供电电源和信号采样电路连接，并通过通信接口与无线通信电路连接[2]。
2.1 MCU
本设计采用意法半导体(ST)公司出品的STM32F103作为主芯片，它是一款基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器，内置64 KB的程序存储器以及高速SRAM，可以存储报警信息。该芯片的工作电压为2 V～3.6 V，工作温度为-40 ℃～85 ℃，具有功耗小、运算速度快的特点，与无线模块TTL电平连接，没有中间电路，结构简单，稳定性高，可以根据需求设置多种优先级使探测器的工作模式多样化。
2.2 信号采样电路
信号采样电路包括信号采样回路、信号滤波电路、运算放大器、基准电源、分压电路和电压跟随器等。以测温采样回路为例介绍，如图2所示。基准电压Vref通过分压电阻、开关管和外部温度传感器PT100，形成采样回路。电压跟随器做缓冲级及隔离级，具有高输入电阻、低输出电阻的特点，可以使前、后级电路之间互不影响，降低所采集温度信号的电压干扰。采样时单片机通过CHI控制开关管导通。在外部温度传感器上产生的电压信号接入到信号滤波电路，经过运算放大器将电压信号放大接入到单片机进行数据处理，连接电压范围为0.9 V~3.5 V[3]。
2.3 通信接口
经过MCU处理的数据信息可通过SPI通信接口传输给无线通信电路进行数据传输。图3是通信接口的电路图，R13是片式电阻阵列，R12~R14作为无线通信电路与MCU之间的连接，起到匹配阻抗的作用，可有效减少、消除高频信号反射。NRESET引脚是复位引脚，可以初始化参数，低电平有效；MOSI、MISO是ISP同步串行接口，可以完成无线通信电路与MCU之间数据的发送和接收[4]。
2.4 无线通信电路
在电气火灾监控系统中，探测器与监控主机之间的通信是基于SX1278发射芯片采用LoRa无线数传技术进行的，图4是无线通信电路原理图。SX1278是Semtech公司推出的一款高集成度、低功耗、多频段的RF收发器，用于超长距离扩频通信，抗干扰性强，灵敏度可达-148 dBm，频率范围为137 MHz~525 MHz。晶振电路为系统提供时钟信号，直流电源3.3 V经过滤波供电给无线芯片SX1278和功率放大器RFE2410C。采用第一匹配电路和第二匹配电路的形式组成收发电路，可有效提高无线通信的抗干扰能力和稳定可靠性。
2.4.1 发射电路
在发射电路中发送的数据经过滤波处理可以减轻外界高频信号对其的干扰，降低信噪比。如图5所示，C28与L8组成了串联谐振电路，C31与L9、C33与L10组成了两组并联谐振电路，可以根据不同的通信频率调整元件的参数以达到最佳发射状态[5]。
2.4.2 接收电路
SAW Filter是声表面波滤波器，可以过滤通信频率外的信号，工作时输入端由压电效应将无线信号转换为声信号在介质表面传播，输出端由逆压电效应再将声信号转换为无线信号。L12、L13、C36、C37组成了滤波电路，既可以对信号滤波也可以对电路进行无功补偿。图6是SX1278的接收电路。
3 无线电气火灾监控系统软件设计
无线电气火灾监控系统的软件设计是在Keil开发环境下采用C语言实现的。系统主要包括现场采集监控、无线通信、监控主机的接收与显示三层[6]。
3.1 现场采集监控层软件设计
现场采集监控层的主要设备包括温度传感器、剩余电流传感器和电气火灾探测器等，可以采集并处理信号，同时具有报警显示、数据存储的功能。现场采集监控模块的工作流程图如图7所示。上电后系统首先进行初始化操作，包括单片机和探测器的复位、屏幕的清屏和I/O口的配置等[7]。初始化完成后探测器发出启动命令，温度传感器和剩余电流互感器进行数据采集，并与探测器预定阈值进行比较。若没有超过预定阈值则返回继续采集信号，若超过预定阈值则报警、显示屏显示报警数值并上传数据。
3.2 无线通信软件设计
SX1278有正常、唤醒、省电、休眠四种工作模式，通过在程序中对寄存器写入指令来选择相应的工作模式[8]。对发射芯片SX1278、系统时钟、定时器、Flash等进行初始化，对载波频率、扩频因子、CRC校验方式、信号带宽、发送功率以及数据包结构进行设置[9]。在配置寄存器工作参数选择工作模式后进入主循环程序进行数据的无线发送，每组数据发送成功后收发器将进入休眠模式等待下次指令从而降低功耗，如图8所示。
3.3 监控主机软件设计
监控主机与探测器之间通过自定义的协议栈采用LoRa技术收发数据。监控主机采用模块化设计，运用调度算法保证报警与故障信息能实时显示，可靠性高、维护方便、易于扩充。人机界面采用触摸屏界面，具有良好的交互性，可以实现说明、设置、进入、退出等功能。探测器的数据上传成功后，监控主机通过检验处理，显示并发出报警信息，从而预警工作人员电气火灾发生的可能性，并具有记录历史数据的功能。在设置功能时，用户可以对多个探测器的顺序地址及报警值等数据进行设置。
4 测试结果
电气火灾探测器的采集底板和无线通信硬件电路板实物图如图9和图10所示。监控主机的硬件电路板实物图如图11所示。在北京市通州区三教庙对所设计的无线电气火灾监控系统是否可以正常发送火灾预警信号进行了测试，测试时将温度传感器的报警阈值设置为60 ℃，剩余电流互感器漏电流报警阈值设置为300 mA，电气火灾探测器和中继器分别与电脑相连使用串口调试助手发送数据，经过测试所设计基于LoRa无线传输技术的电气火灾监控系统穿3堵墙时最远通信距离可达1.2 km无丢包，系统反应灵敏，可以满足对电气火灾无线预警的要求。
5 结论
本文设计了一种基于LoRa无线传输技术的电气火灾监控系统，可以在无需布线、不破坏建筑物原貌的条件下对线路温度及漏电流进行实时监控从而预防电气火灾的发生。经过测试，本系统信号传输性能可靠，监控主机显示数据准确。该研究为实现电气火灾的无线监控报警在文物建筑中的应用提供了理论与技术支撑。
参考文献
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[9] 申景，张丽丽.基于单片机的家用无线火灾报警系统设计[J].消防科学与技术，2016，35(10)：1421-1424.
作者信息:
岳云涛1，贾 佳1，王靖波2，王 昊1
（1.北京建筑大学 电气与信息工程学院，北京100044；2.中国建筑科学研究院建筑防火研究所，北京100013）
