李艷龍， 李申山

(石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

基于無線網(wǎng)絡(luò)的消防水泵監(jiān)測系統(tǒng)研究

李艷龍， 李申山

(石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

針對我國當(dāng)前消防自動巡檢系統(tǒng)迅速推廣應(yīng)用，提出了將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到消防巡檢系統(tǒng)中的設(shè)想，并設(shè)計出相應(yīng)的硬件和軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)分別采用光電傳感器和壓力傳感器采集消防水泵的轉(zhuǎn)速和管道水壓，再經(jīng)過一系列信號處理，通過基于nRF2401芯片的無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳給上位機。上位機用Labview對設(shè)備進行狀態(tài)顯示、報警以及數(shù)據(jù)存儲等。經(jīng)實驗調(diào)試，該系統(tǒng)完全滿足實際應(yīng)用的要求。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟可靠，具有一定的實用價值和市場推廣意義，并且具有系統(tǒng)兼容性和可擴展性，為后續(xù)系統(tǒng)升級和智能擴展提供技術(shù)平臺。

無線網(wǎng)絡(luò)；消防水泵；監(jiān)測

0 引言

近些年由于消防給水系統(tǒng)不能正常運行，從而在火災(zāi)事故發(fā)生時造成的重大損失的報道屢見不鮮。其中主要原因是由于消防設(shè)備長時間不用造成設(shè)備銹蝕、損壞，影響消防水泵正常開啟，從而當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時消防系統(tǒng)不能正常工作。為此，國家相關(guān)部門出臺了許多規(guī)范和法規(guī)，要求消防系統(tǒng)要安裝定期巡檢裝置。自動巡檢系統(tǒng)便得到大力發(fā)展和應(yīng)用。目前國內(nèi)外相關(guān)研究大都集中在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在火災(zāi)檢測方面的應(yīng)用上，而在消防巡檢的給水系統(tǒng)檢測方面的研究相對較少。

當(dāng)前國內(nèi)的消防檢測系統(tǒng)主要有兩種類型：一是傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)，存在硬件集成復(fù)雜，人機交互性能差，操作不方便，可靠性低等特點；二是采用RS485或CAN等總線技術(shù)的檢測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，但成本較高，安裝和維護麻煩，自動化、智能化程度低。因此隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，新型的智能檢測技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用就變得急切和很有必要。針對現(xiàn)有消防巡檢系統(tǒng)存在的問題，提出了基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能巡檢技術(shù)解決方案，實現(xiàn)了消防巡檢系統(tǒng)的高效化、自動化和智能化。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

采集的信號，分別是最能反映消防給水系統(tǒng)性能的水泵轉(zhuǎn)速和管道水壓。這兩個信號分別通過放大、整理等一系列操作送入單片機，由單片機識別、整理、發(fā)出信號，再經(jīng)過無線收發(fā)模塊進行無線傳輸，最后經(jīng)過U轉(zhuǎn)串模塊將采集到的信息傳送到上位機，在上位機上進行顯示、報警、存儲等操作?？傮w方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 硬件電路設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)速采集電路是對消防水泵轉(zhuǎn)速的檢測

圖2 光電型號采集

目前常用的檢測方法[1]有磁電式傳感器、電渦流傳感器和光電傳感器進行電機測速，通常水泵測速是通過光電傳感器可以利用光電碼盤來實現(xiàn)的?？紤]到檢測精度、實時性、可靠性及安裝維護成本，本設(shè)計采用無接觸式的光電探測器RPR220，利用RPR220對黑色反射敏感性來獲得旋轉(zhuǎn)脈沖，再通過計算[2]完成對水泵轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集。如圖2所示。

RPR220光電傳感器輸出的是0～5 V模擬電壓，再通過LM339比較器將模擬電壓轉(zhuǎn)化為TTL電平，供給單片機接收，具體信號采集電路如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速采集電路

2.2 壓力采集電路是對消防管道水壓的數(shù)據(jù)采集

按輸出信號的類型分，有模擬傳感器和數(shù)字傳感器兩類。

但是當(dāng)前市場的數(shù)字傳感器較貴，而且輸出信號需要數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)化。綜合考慮之后，本設(shè)計采用模擬傳感器完成對消防管道水壓的數(shù)據(jù)采集。壓力傳感器輸出的是電流，通過轉(zhuǎn)化電路將4～20 mA的電流轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓。采集電路如圖4所示。

圖4 壓力采集電路

2.3 單片機選擇

目前市場上應(yīng)用最廣的是美國ATMEL公司和臺灣的STC單片機。而與臺灣的STC單片機相比，ATMEL公司的單片機品種單一、功能少、速度慢、運行不夠穩(wěn)定，且RAM/ROM相對較少。相對同樣性能的單片機STC單片機更便宜。此外，STC單片機的程序下載方便，易于調(diào)試和升級維護?？紤]到信號2(管道水壓)采集電路輸出是模擬信號，單片機選擇STC90C52AD，這樣省去模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，節(jié)約成本，減少節(jié)點，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

2.4 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊采用nRF2401[3]搭配STC11L04E驅(qū)動。nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5 mA，接收時工作電流只有18 mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計更方便。此外，nRF2401同時接收兩個以上不同頻道的數(shù)據(jù)，易于系統(tǒng)的擴展。

總體系統(tǒng)原理電路如圖5。

圖5 總體系統(tǒng)原理電路圖

2.5 電源模塊

傳感器完成數(shù)據(jù)采集和單片機要完成模數(shù)轉(zhuǎn)化都需要穩(wěn)定的5 V電源供電。從應(yīng)用的角度出發(fā)，設(shè)計采用容量為700 mAh額定電壓為7.2 V的可充電電池組，電源調(diào)節(jié)器件采用低壓差線性電源芯片TPS7350。TPS7350具有輸入電壓范圍大，過熱、過流及電壓反接保護。輸出電流為150 mA時壓差小于0.1 V，特別是當(dāng)輸出電流為100 mA時，壓差僅僅為0.035 V。TPS7350可保證電池電壓在+7 V～+5.1 V范圍內(nèi)變化時，輸出穩(wěn)定的5 V電壓，提高了電源的利用效率。其電路連接圖如圖6所示。

圖6 電源電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括信號采集部分和上位機程序設(shè)計。

(1)信號采集部分的程序設(shè)計包括對光傳感器的脈沖信號和對壓力傳感器的模擬信號的處理。

圖7 主邏輯程序圖

①對于光電傳感器的脈沖信號的處理有測頻法和測周期法。消防水泵的工頻轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，巡檢時消防水泵的轉(zhuǎn)速要低于工頻轉(zhuǎn)速，屬低頻信號，所以本設(shè)計采用測周期法。將被測量信號經(jīng)過整形后轉(zhuǎn)換成方波信號，利用單片機查詢兩個上升沿，在此期間根據(jù)晶體振蕩器產(chǎn)生的周期為TC的脈沖送計數(shù)器進行計數(shù)，設(shè)計數(shù)值為N，則得被測量信號的周期值TX=TC×N，然后取其倒數(shù)即為被測量信號的頻率。

② 對于壓力數(shù)據(jù)采集，可轉(zhuǎn)化后的電壓信號直接接到單片機的ADC接口上，利用單片機自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，獲得壓力的數(shù)字信號。

③STC90C52SAD將以上這兩個信號進行運算和處理，再發(fā)給無線發(fā)射模塊。由于這兩個信號要通過同一個無線通路進行傳送，為了區(qū)分這兩個信號，在發(fā)送信號1(水泵轉(zhuǎn)速)前連續(xù)發(fā)送二個00，在發(fā)送信號2(管道水壓)前連續(xù)發(fā)送二個FF，用于上位機對接受信號進行識別。主要邏輯程序圖如圖7。

(2)上位機采用Labview程序設(shè)計[4-5]，利用Labview豐富的程序模塊框圖和靈活的數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)計出該系統(tǒng)的顯示界面，對設(shè)備狀態(tài)進行顯示和數(shù)據(jù)存儲。如圖8、圖9所示，分別顯示水泵轉(zhuǎn)速和管道水壓的瞬態(tài)值和隨時間的波形圖。

圖8 前面板圖

圖9 后面板圖

4 實驗結(jié)論

實驗室模擬測試該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和信號處理等功能。

經(jīng)測試，該系統(tǒng)在實時性和精度方面完全滿足消防巡檢的要求，并且該系統(tǒng)同時采集了兩個信號，互為補充，增加了對消防水泵運行狀態(tài)判斷的可靠性。此外，該系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，降低材料及施工維護費用的同時，還提高了系統(tǒng)的自動化、智能化程度、實用性，并且該系統(tǒng)具有很好的可擴展性，易于系統(tǒng)后續(xù)擴展和升級。最后，該系統(tǒng)為無線網(wǎng)路技術(shù)在消防巡檢系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一個研究平臺，為后續(xù)信號濾波、消防智能控制等課題研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]毛敏. 非接觸測量電機轉(zhuǎn)速傳感器綜述[J].電子測試,2015(23):40-42.

[2]于海征,馮國勝,袁新華,等. 基于DSPF2812的發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2016，29(2):72-77.

[3]季昌瑞. 基于nRF401芯片的多路消防栓無水監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009(23):124-126.

[4]夏浩,潘存治. 一種基于LabView的光纖傳感檢測系統(tǒng)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2015,28(3):76-80.

[5]王偉清，程國剛. 單片機Keil Cx51應(yīng)用開發(fā)技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社,2007.

Research of Fire Pump Monitoring System Based on Wireless Network

Li Yanlong, Li Shenshan

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043,China)

Currently fire automatic inspection system is popularized rapidly in our country. An idea with wireless network technology applied to fire inspection system is proposed and the corresponding hardware and software system are designed.There are two kinds of signals collected in this system. One is the fire pump rotation speed collected by the photoelectric sensor and the other is pipe pressure collected by pressure sensor. After a series of signal processing, these signals are transmitted to PC by the wireless transceiver module based on nRF2401 chip.These signals are displayed, alarmed and stored in PC with Labview. The experimental results show that the system can completely satisfy the requirements of practical application. The design is simple, economic, reliable and has market value. What's more, it provides a technology platform for the follow-up system upgrade and intelligent extension .

wireless network；fire pump；monitoring

李艷龍(1988-)，男，碩士研究生，主要從事電機檢測與控制的研究。E-mail:749850061@qq.com

TP29

A

2095-0373(2017)02-0072-05

2016-05-05 責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.13

李艷龍，李申山.基于無線網(wǎng)絡(luò)的消防水泵監(jiān)測系統(tǒng)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2017,30(2):72-76.