何溶溶，胡煒薇，鄭 梁

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州 310018）

1 引言

2011年7月1日開始執(zhí)行的強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB25506-2011《消防控制室通用技術(shù)要求》中5.3.14條提出：“消防控制室應(yīng)能顯示消防用電設(shè)備的供電電源和備用電源的工作狀態(tài)和欠壓報警信息”，并在2011年提出該系統(tǒng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB28184-2011《消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)》。在各項火災(zāi)事故中，消防設(shè)備能否起到滅火的關(guān)鍵作用在于消防設(shè)備是否供電正常，而人為監(jiān)控和維護(hù)電源的困難則使得消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)必然產(chǎn)生。該系統(tǒng)主要是通過保證平時各項消防設(shè)備的電源能夠正常工作，從而保證消防設(shè)備在火災(zāi)事故發(fā)生時不會因為供電故障而無法滅火導(dǎo)致更大損失，在消防設(shè)備供電故障時能夠及早發(fā)現(xiàn)并予以解決[1]。

目前我國沿海城市已經(jīng)陸續(xù)有公司推出消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)，然而許多監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計參差不齊，并沒有按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB28184-2011來制作。尤其是置于消防設(shè)備電源進(jìn)入端與輸出端的監(jiān)控傳感模塊，沒有考慮到工作環(huán)境的復(fù)雜以及采樣精度不高、適用范圍小等問題。本文針對以上現(xiàn)象，設(shè)計并研發(fā)了消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的檢測傳感模塊，并對其中的采樣部分進(jìn)行了詳細(xì)分析和設(shè)計，創(chuàng)新點在于通過使用RN8209G電能芯片使得采樣精度達(dá)到1%，并結(jié)合了較為穩(wěn)定的CAN總線通信技術(shù)。本文設(shè)計的消防設(shè)備電源監(jiān)控傳感模塊已通過了GB28184-2011中規(guī)定的浪涌沖擊抗擾度試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗以及高低溫試驗等。

2 監(jiān)控傳感器整體設(shè)計

消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)整體可包括3個部分：監(jiān)控器主機(jī)，傳感監(jiān)控器以及上位機(jī)。這其中傳感監(jiān)控器為本文的核心討論內(nèi)容，下面給出監(jiān)控模塊的整體設(shè)計框圖，見圖1。

圖1 消防設(shè)備電源監(jiān)控傳感器整體框架圖

監(jiān)控傳感器的模塊構(gòu)成為圖1中的虛線框內(nèi)部分，包括采樣、通信、顯示、報警輸出等，本文設(shè)計的監(jiān)控傳感器類型為電壓電流型，即能夠監(jiān)測電流電壓兩種信號，電壓信號可直接接入監(jiān)控傳感器，而電流信號為保證消防設(shè)備電源連續(xù)性，則需要通過互感器接入。其中采樣模塊和通信模塊決定了監(jiān)控傳感器的性能好壞，下文對這兩個模塊進(jìn)行重點剖析論述。

3 監(jiān)控傳感器通信模塊

3.1 硬件設(shè)計

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB28184-2011中的要求，監(jiān)控傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)該能夠傳輸至監(jiān)控主機(jī)，傳輸?shù)倪^程要求保證穩(wěn)定性。監(jiān)控傳感器一般置于建筑消防設(shè)施的電源附近，隱藏在墻體之后，所處環(huán)境電磁干擾較大，對于通信的穩(wěn)定性要求較高。對比于傳統(tǒng)市面上采用的RS-485通信方案，本文中采用CAN總線，并給出了相應(yīng)的CAN協(xié)議格式，在通信總線中加入了TVS防止浪涌破壞，并加入了共軛線圈以抑制共模干擾。設(shè)計電路圖如圖2所示。

電路圖中，6N137光耦起到電氣隔離的作用，圖2中的B0505為隔離電源，將通信模塊中所用的電源、地與電路板上其余電源、地隔離開來，在通信的輸出端口，CANL與CANH之后加入了L41與L42差模濾波電感，用于抑制差模干擾。差模電感之后加入共模電感B3，共模電感的作用是抑制共模干擾。TVS41的作用是為了消除CANL與CANH之間的浪涌，而TVS42與TVS43分別是為了消除CANH與CANL對地的浪涌。有瞬間大電壓浪涌產(chǎn)生時，TVS管與C43電容會瞬間導(dǎo)通，將大電壓通過GGND導(dǎo)通至大地，以防止通信模塊受到破壞。

圖2 CAN通信電路設(shè)計

3.2 軟件設(shè)計

本設(shè)計中監(jiān)控傳感器的通信采用CAN傳輸，CAN通信采用事件觸發(fā)式，比主從方式的通信效率更高，CAN應(yīng)用層的協(xié)議相對開放，有CAN2.0A的版本以及擴(kuò)展版的CAN2.0B，該設(shè)計采用擴(kuò)展版本2.0B的通信擴(kuò)展幀模式，報文幀格式如表1所示，并參考了論文《基于CAN總線的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》中ZNCAN的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上依據(jù)消防監(jiān)控器的特點進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計更改。CAN2.0B擴(kuò)展幀中報文的格式分為報文標(biāo)識符以及報文數(shù)據(jù)定義兩個部分。報文標(biāo)識符主要用于設(shè)備識別，而報文數(shù)據(jù)部分即表1的字節(jié)6~13中傳輸電壓電流等數(shù)據(jù)信息。表格中報文識別碼的ID.28~ID.23定義為6位建筑編號，ID.22~ID.16定義為7位樓層編號，ID15~ID9定義為7位節(jié)點編號，而ID8~ID5為源節(jié)點編號，ID4~ID1定義為功能碼，ID0為應(yīng)答信號ACK。功能碼列表如表2所示。

表1 CAN2.0B擴(kuò)展幀格式

表2 CAN協(xié)議中功能碼設(shè)定

報文響應(yīng)中的數(shù)據(jù)主要用來傳送參數(shù)以及采樣數(shù)值，由于消防設(shè)備電源通常是雙電源，即主電和備用電源都需要監(jiān)測，本文設(shè)計的監(jiān)控傳感器為電流電壓型，采用三相四線輸入，有12組采樣數(shù)據(jù)，再加上電流電壓的設(shè)定閾值共14組，數(shù)據(jù)量較大，而CAN2.0B擴(kuò)展幀的數(shù)據(jù)位只有8位，所以采樣數(shù)據(jù)傳輸一共要發(fā)送14次。發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有如圖3所示的兩種[2]。

圖3 CAN擴(kuò)展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

狀態(tài)字節(jié)：狀態(tài)為監(jiān)控傳感器的當(dāng)前狀態(tài)，包括正常、過流、過壓、欠壓、缺相、錯相等狀態(tài)；電壓/電流設(shè)定：電壓/電流設(shè)定包括主電的設(shè)定值和備電的設(shè)定值；監(jiān)控類型：監(jiān)控類型表示上發(fā)數(shù)據(jù)的監(jiān)控傳感器類型，可以是電壓型也可以是電流型，亦或是電流電壓型。其中對于同一監(jiān)控傳感器的同一批采樣數(shù)據(jù)中，傳輸完圖3（a）后緊隨著圖3（b）的數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控器主機(jī)可以根據(jù)監(jiān)控類型來計算接收的次數(shù)以此來判決是否接收到所有的采樣數(shù)據(jù)。

4 監(jiān)控傳感器采樣模塊

市面上有的監(jiān)控傳感器采樣部分采用普通的峰值檢波電路或是簡單的分壓電路，輸入的采樣信號穩(wěn)定性不高，并且對于峰值檢波電路，應(yīng)用具有一定的局限性。峰值檢波電路存在充放電的問題，如若快速變換的波形一旦放電不及時，則容易出現(xiàn)采樣偏差，筆者在采用峰值檢波電路測試日光燈的供電電源時發(fā)現(xiàn)采樣電壓普遍偏大兩倍。消防設(shè)備的種類繁多決定了消防設(shè)備電源的多樣性，采樣電路需要有更大的適用范圍以及更強(qiáng)的抗干擾性能。

本設(shè)計的采樣方案采用RN8209電能芯片進(jìn)行電流電壓的信號采樣。RN8209是一款單相多功能防竊電專用的計量芯片，它能夠提供3路采樣信號，其中包括兩路電流和一路電壓的有效值測量，在1000:1的動態(tài)范圍內(nèi)，有效誤差小于0.1%，并且提供SPI/UART接口將信號輸出，功耗值低，使用十分便利。在使用該計量芯片時，根據(jù)芯片手冊設(shè)計的芯片外圍電路如圖4所示。圖4中一共有3路電流輸入，分別為IA_IN1、IB_IN1、IC_IN1，該3路電流在輸入該電路之前與峰值檢波電路一樣需要通過電流互感器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)為小信號之后再輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。

5 測試數(shù)據(jù)結(jié)果分析

5.1 基礎(chǔ)功能測試

監(jiān)控器的測試與校驗儀器采用XF20-5A三相校驗儀，精確度在小數(shù)點后1位。低于2 A的電流部分采用青島東來儀器的SDDL電流發(fā)生器系列測量，精確度能達(dá)到小數(shù)點后6位。表3給出傳感器采樣的電流電壓值以及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值之間的對比，并計算出誤差。

該設(shè)計的監(jiān)控傳感器針對于220 V的交流電，電壓采樣從180~300 V的區(qū)間中采樣6次，采樣電壓1、2、3分別對應(yīng)ABC三相電壓，由于國標(biāo)GB28184中要求消防設(shè)備的電壓需要穩(wěn)定在85%~110%左右，所以該監(jiān)控器的電壓取樣范圍符合標(biāo)準(zhǔn)，并且采樣精度達(dá)到1%左右，符合國標(biāo)中±5%的精度要求。

圖4 RN8209G應(yīng)用電路圖

表3 傳感器采樣電壓

表4 傳感器采樣電流1

表5 傳感器采樣電流2

由于采樣電流的跨度較大，可從1 A到50 A左右，為了更精確地測量誤差，這里的采樣電流分為兩部分進(jìn)行：0~2 A小電流范圍，以及2~50 A大電流范圍。每個采樣區(qū)間取6次，一共對3組電流采樣，可得誤差率如表4和表5中所示。

將峰值檢波的采樣線性與采用電能芯片RN8209進(jìn)行對比可得表6。采樣值1為峰值檢波采樣，采樣值2為RN8209G采樣。

由表4可計算出，峰值檢波的采樣平均誤差在3.4%左右，而采用RN8209G的精度能夠達(dá)到0.86%，采樣精度大幅度提高。

5.2 高低溫測試

圖5為本文設(shè)計的監(jiān)控傳感器的電路板圖。

圖5 監(jiān)控傳感器電路板圖

表6 峰值檢波采樣與RN8209G采樣對比

實驗過程中試驗降試樣在常規(guī)大氣的條件下放置2 h，然后按照正常監(jiān)視的狀態(tài)要求，將負(fù)載接入試樣，并接通電源，使其處于正常監(jiān)視的狀態(tài)。隨后調(diào)節(jié)試驗箱，使溫度在40 ℃左右，隨后調(diào)節(jié)相對濕度90%，對于恒定濕熱運(yùn)行試驗，將試樣在試驗箱中保持4天，隨后取出試樣進(jìn)行基本功能試驗。而對于恒定濕熱耐久試驗，則在不通電的情況下，將溫濕度調(diào)制與恒定濕熱運(yùn)行試驗相同，并保持21天，隨后取出，在正常的大氣條件下恢復(fù)12 h?；謴?fù)后，檢查試樣表面涂覆情況，并且接通電源、連接負(fù)載，檢測其監(jiān)測功能有無異常[3]。低溫運(yùn)行試驗與高溫運(yùn)行試驗步驟相同，只是溫度設(shè)定改變，先是使試樣在通電狀況下放入恒溫箱，并在20 ℃的溫度下保持30 min后，以1℃·min-1的速率緩慢降低溫度，降至3 ℃左右。取出試樣，在正常大氣中恢復(fù)后再進(jìn)行基本功能試驗，并與之前的基本功能進(jìn)行比較。圖6為監(jiān)控傳感器實物做高低溫試驗圖。

圖6 高低溫試驗圖

本文中測試選用兩臺監(jiān)控傳感器，分別接通電源后置于高低溫試驗箱，如圖6所示，取出后置于大氣中恢復(fù)并進(jìn)行基本功能檢測，檢測結(jié)果通過沒有異常。

5.3 環(huán)境測試表單

根據(jù)國標(biāo)要求，通過選取1臺監(jiān)控器、2臺傳感器連接后各自做了相對應(yīng)的環(huán)境測試。其測試結(jié)果如表7所示。通過各項測試表明，本文設(shè)計的消防設(shè)備電源監(jiān)控傳感器能夠符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB28184-2011的要求，通過CAN總線加強(qiáng)了通信穩(wěn)定性，采用RN8209G的采樣方式更能提高精度，并能適用于需要消防設(shè)備電源監(jiān)控的場合。

表7 監(jiān)控器及傳感器性能測試表

[1] 趙東明，王禹，王鵬. 消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置的必要性與應(yīng)用[J]. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息.

[2] 張軍. 基于CAN總線的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)[D]. 杭州：杭州電子科技大學(xué)，2011.

[3] 消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)[S]. GB28184-2011.

[4] 高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范[S]. GB50045-95.

[5] 消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)[S]. 10CX504.