何 曾 張雨涵 陳紅泉 卞秀婷

1. 北京首都國際機(jī)場股份有限公司建設(shè)項(xiàng)目管理中心 北京 100621；2. 北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部 北京 100124

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，目前施工現(xiàn)場施工動(dòng)電類安全隱患約占總體隱患數(shù)量的25%，主要表現(xiàn)為施工現(xiàn)場配電箱接線不符合規(guī)范、未嚴(yán)格按照一機(jī)一閘使用、未及時(shí)進(jìn)行巡檢維修等。

現(xiàn)有的煙霧報(bào)警器主要應(yīng)用于室內(nèi)煙霧報(bào)警以及列車煙霧報(bào)警，主要技術(shù)包括應(yīng)用溫度傳感器和ATmega16單片機(jī)，溫度超過預(yù)設(shè)閾值，通過蜂鳴器和LED燈光達(dá)到報(bào)警效果。對于低功耗的無線煙霧報(bào)警器，通常采用低功耗、低電壓的光電型煙霧探測器專用集成電路RE46C190和無線單片機(jī)CC1310，系統(tǒng)待機(jī)電流大約為14 μ A，無線通信距離為1 km。現(xiàn)有的在配電箱等移動(dòng)場景使用的煙霧報(bào)警器一般只具有測量煙霧功能，在導(dǎo)線過載未達(dá)到燃點(diǎn)時(shí)，無法通過導(dǎo)線溫度變化提前觸發(fā)報(bào)警并提示相關(guān)人員。

目前這些報(bào)警器安裝需要特定的工作環(huán)境，固定方式復(fù)雜，通信距離較短，只能在火災(zāi)發(fā)生后報(bào)警，不具備提前預(yù)警功能，不適用于施工現(xiàn)場安裝簡易、工況復(fù)雜、方便移動(dòng)、無人值守的需求。尤其是在機(jī)場不停航情況下的施工，如果發(fā)生火災(zāi)將對通航安全造成巨大的危險(xiǎn)，對機(jī)場造成沉重的財(cái)產(chǎn)損失。為解決這一問題，及時(shí)檢測預(yù)警施工現(xiàn)場配電箱過熱、冒煙等安全隱患，確保施工現(xiàn)場配電箱突發(fā)應(yīng)急情況得到及時(shí)處置，研發(fā)了一種可移動(dòng)式的施工現(xiàn)場配電箱智能報(bào)警器。本報(bào)警器具有體積小、功耗低、待機(jī)時(shí)間長、安裝方便等特點(diǎn)。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

1）導(dǎo)線溫度和煙霧濃度雙重預(yù)警?，F(xiàn)有的煙霧報(bào)警器一般只具有測量煙霧功能，而對于配電箱等使用環(huán)境，在導(dǎo)線過載未達(dá)到燃點(diǎn)時(shí)，無法通過導(dǎo)線溫度變化提前觸發(fā)報(bào)警。本報(bào)警器通過測量導(dǎo)線溫度及配電箱內(nèi)煙霧情況進(jìn)行現(xiàn)場和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)報(bào)警，及時(shí)處置施工現(xiàn)場配電箱過熱和冒煙等消防不安全問題。

2）現(xiàn)場和遠(yuǎn)程雙重實(shí)時(shí)報(bào)警。當(dāng)配電箱內(nèi)煙霧量或?qū)Ь€溫度達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，開始蜂鳴報(bào)警，提醒現(xiàn)場工作人員。同時(shí)報(bào)警器的報(bào)警信息通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以短信和微信小程序通知形式觸達(dá)相關(guān)管理人員，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警，及時(shí)消除起火隱患。

3）安裝使用方便。本配電箱智能報(bào)警器安裝可以使用強(qiáng)磁鐵吸附或M4螺釘固定，使用在鋼鐵材質(zhì)的配電箱內(nèi)時(shí)，可以直接將煙霧探測器以磁吸方式吸附在配電箱內(nèi)壁上，取下和更換十分方便。如果所安裝環(huán)境不適合磁鐵吸附時(shí)，可以選用M4螺釘將煙霧探測器固定在配電箱壁上。此外，智能報(bào)警器外殼設(shè)計(jì)具有一定的防塵能力，可以防止空氣中的灰塵和水分影響煙霧報(bào)警器的正常工作，防止器件腐蝕，提高報(bào)警器可靠性和使用壽命。

4）功耗低、使用壽命長。智能報(bào)警器硬件選用低功耗器件，處理器軟件采用低功耗設(shè)計(jì)，報(bào)警器根據(jù)環(huán)境溫度和煙霧濃度自動(dòng)切換檢測頻率，在不工作時(shí)系統(tǒng)待機(jī)，降低功耗。通過這種方式，報(bào)警器整體待機(jī)能達(dá)2年以上。同時(shí)為了防止電池耗盡影響報(bào)警器正常工作，報(bào)警器具有低壓報(bào)警功能，在電壓過低時(shí)，提醒工作人員更換電池，防止因?yàn)殡姵仉娏坎蛔銓?dǎo)致的煙霧報(bào)警器無法正常工作。

1 系統(tǒng)方案

智能煙霧報(bào)警器系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 報(bào)警器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

報(bào)警器的系統(tǒng)核心是STM32處理器和軟件程序，外連煙霧報(bào)警模塊、溫度報(bào)警模塊、指示燈、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT）以及按鍵，從圖1中可以看出，輸入為煙霧信息、溫度信息以及按鍵信息，輸出為蜂鳴器、指示燈、NB-IoT工作信號(hào)。在運(yùn)行過程中，煙霧傳感器和溫度傳感器感將相應(yīng)的煙霧濃度和溫度傳給STM32處理器，在內(nèi)部進(jìn)行閾值判斷，若是超過相應(yīng)的警報(bào)閾值，則傳輸信號(hào)至蜂鳴器和指示燈，從而實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警的功能。同時(shí)，STM32處理器可以通過NB-IoT模塊與基站進(jìn)行信息交互，通過微信小程序，實(shí)時(shí)顯示煙霧報(bào)警器的工作狀態(tài)和檢測信息，通過短信和微信小程序?qū)⒕瘓?bào)發(fā)送至管理員手機(jī)。按鍵的功能是提供人為輸入信息取消報(bào)警。智能報(bào)警器的內(nèi)部電路如圖2所示。

圖2 報(bào)警器的內(nèi)部電路

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器（STM32）

處理器選用意法半導(dǎo)體的STM32L011F4P6，該處理器具有極低的功耗和豐富的片上資源。處理器是報(bào)警器的核心，負(fù)責(zé)所有硬件的控制和狀態(tài)收集，通過運(yùn)行在處理器上的系統(tǒng)軟件可以實(shí)現(xiàn)各模塊的相互協(xié)調(diào)，完成報(bào)警功能。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器的功能是監(jiān)測供電線纜的溫度變化。當(dāng)發(fā)生過載，線纜溫度上升，達(dá)到設(shè)定的警報(bào)值時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。溫度傳感器由傳感器探頭、補(bǔ)償導(dǎo)線、變換器組成，外界溫度信號(hào)通過傳感器探頭轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過補(bǔ)償導(dǎo)線將探頭端的信號(hào)傳遞給溫度變換器，變換器將探頭端電壓信號(hào)進(jìn)行處理及放大并輸出滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)[1]。溫度傳感器選用粘貼式DS18B20高溫微型表面溫度傳感器，通過防水硅膠屏蔽線引出，可將－50～125 ℃的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，工作電流最大1.5 mA，在非工作狀態(tài)下可關(guān)閉供電，非常適用于低功耗的溫度采集場景。

2.3 煙霧傳感器

煙霧傳感器的功能是監(jiān)測煙霧情況，在出現(xiàn)火情時(shí)煙霧量上升，檢測煙霧量可以判斷火情的發(fā)生，當(dāng)煙霧量達(dá)到設(shè)定值時(shí)觸發(fā)報(bào)警。

配電箱中使用的是普通家庭常用光電式煙霧傳感器，光電式煙霧傳感器的工作原理是：煙霧是由無數(shù)微粒組成的，當(dāng)單色光入射到這些微粒時(shí)，會(huì)受到顆粒團(tuán)散射影響。當(dāng)一束強(qiáng)度為lo的平行單色光入射到這些微粒時(shí)，會(huì)受到顆粒團(tuán)散射和吸收的影響，光強(qiáng)將衰減為l（l＜lo）。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)強(qiáng)弱與l的大小成正比，通過檢測電信號(hào)的變化即可得出煙霧量[2]。在無煙環(huán)境下，紅外接收管幾乎接收不到紅外發(fā)射管發(fā)射的信號(hào)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由于煙霧對光線的散射作用，使紅外接收管接收到較弱的紅外光信號(hào)，通過檢測電信號(hào)的變化即可得出煙霧的量。處理器內(nèi)部的運(yùn)算放大器對該信號(hào)進(jìn)行放大、送模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊采樣，若采樣值達(dá)到報(bào)警閾限值則報(bào)警。

本文設(shè)計(jì)的煙霧報(bào)警器選用CX-1088光電式煙霧探測傳感器。CX-1088由光學(xué)模塊和1個(gè)黑暗的煙霧迷宮組成，光學(xué)模塊部分采用紅外發(fā)光二極管（IRED）和光敏二極管（PD）。該裝置設(shè)計(jì)時(shí)，光束是偏離感應(yīng)器的，當(dāng)煙霧進(jìn)入迷宮后，粒子會(huì)將部分光束散射到感應(yīng)器上，當(dāng)煙霧的量逐漸增重，就會(huì)有更多的光束被散射到感應(yīng)器上。煙霧隨高溫空氣上升，當(dāng)上層煙霧量增加到一定程度才會(huì)逐漸下沉，所以煙霧傳感器一般要放置于被監(jiān)控空間的上方。

煙霧探測傳感器內(nèi)置1個(gè)煙霧檢測用的專用單片機(jī)，型號(hào)為臺(tái)灣義隆的A88F656N。A88F656N是一款獨(dú)立型煙霧傳感器專用芯片，內(nèi)部集成了IR恒流電路和升壓電路，不但大大簡化了外圍電路，還能夠極大降低功耗。

2.4 NB-IoT模塊

NB-IoT是一種低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接[3]。NB-IoT模塊的功能是定期將煙霧報(bào)警器的數(shù)據(jù)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器。NB-IoT只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)。該報(bào)警器的NB-IoT模塊選用上海移遠(yuǎn)通信技術(shù)股份有限公司的BC28。其尺寸僅為18.7 mm×16.0 mm×2.1 mm，能最大限度地滿足終端設(shè)備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求。

報(bào)警器支持短信和微信報(bào)警2種方式，在發(fā)生火情后，報(bào)警器通過NB-IoT模塊向服務(wù)器發(fā)送報(bào)警請求，服務(wù)器接到報(bào)警請求后，通過微信小程序或短信服務(wù)器向綁定的微信用戶或手機(jī)號(hào)碼發(fā)送報(bào)警信息。

2.5 電池

煙霧報(bào)警器的電池用于給設(shè)備供電，無需外接電源，方便安裝。電池選用一次性鋰亞電池ER18505M，鋰亞電池具有安全性高、容量大的特點(diǎn)，年自放電小于1%，儲(chǔ)存壽命可達(dá)10年以上，非常安全可靠。

2.6 天線

報(bào)警器內(nèi)置PCB高增益天線，通過雙面膠粘在殼內(nèi)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

煙霧報(bào)警系統(tǒng)以STM32處理器為基礎(chǔ)進(jìn)行煙霧和溫度的監(jiān)測，以設(shè)定閾值的方式來實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。采用GPIO（General-Purpose Input /Output Ports，通用輸入輸出端口）實(shí)現(xiàn)ADC電壓采集、溫度采集、按鍵中斷、觸發(fā)蜂鳴器和LED，用串口實(shí)現(xiàn)煙霧采集、物聯(lián)網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。

上電時(shí)煙霧報(bào)警器首先對設(shè)備硬件進(jìn)行初始化，初始化包括以下內(nèi)容：

1）參數(shù)初始化：煙霧、溫度報(bào)警閾值、電池報(bào)警閾值、持續(xù)時(shí)間、抑制時(shí)間和溫度等。

2）RTC時(shí)間及日期初始化。

3）煙霧報(bào)警系統(tǒng)狀態(tài)。

4）接口初始化：GPIO、USART、RTC、ADC。

初始化完成后，軟件進(jìn)入正常工作流程。煙霧報(bào)警器工作流程如圖3所示。

圖3 煙霧報(bào)警器工作流程

工作時(shí)，首先獲取系統(tǒng)RTC時(shí)間和日期，判斷系統(tǒng)是否開機(jī)或者開始新的一天，當(dāng)前為系統(tǒng)開機(jī)或新的一天時(shí)對自身狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行上報(bào)，若系統(tǒng)未重新開機(jī)或者未開始新的一天，則繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)操作。

然后進(jìn)行警情判斷，首先對溫度、煙霧量進(jìn)行總體判斷，判斷重復(fù)3次，減少誤報(bào)警發(fā)生的概率，再根據(jù)報(bào)警源對報(bào)警聲進(jìn)行設(shè)置，煙霧報(bào)警設(shè)置為一長聲，溫度報(bào)警設(shè)置為兩短聲，目的是區(qū)分系統(tǒng)報(bào)警的種類以便及時(shí)告知工作人員，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置了按鍵取消報(bào)警的功能，工作人員可使用按鍵進(jìn)行報(bào)警確認(rèn)，確認(rèn)后重置系統(tǒng)的報(bào)警狀態(tài)，取消報(bào)警后，系統(tǒng)待機(jī)60 s后重新進(jìn)入警情的判斷。系統(tǒng)對報(bào)警次數(shù)進(jìn)行判斷，若報(bào)警超過120 s則停止報(bào)警，待機(jī)60 s后，再次開始報(bào)警；若警情消失，系統(tǒng)狀態(tài)更新并設(shè)置喚醒時(shí)間后進(jìn)入低功耗模式，在系統(tǒng)重新喚醒后再次開始新一輪的工作流程。系統(tǒng)在沒有報(bào)警的情況下喚醒時(shí)間設(shè)置為5 s，在有報(bào)警的情況下喚醒時(shí)間設(shè)置為1 s，目的是在警情發(fā)生后，系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)運(yùn)行進(jìn)行判斷，確認(rèn)警情是否已消除。

3.2 煙霧檢測模塊工作流程

煙霧檢測模塊通過中斷方式來接收煙霧傳感器串口數(shù)據(jù)。程序通過串口中斷回調(diào)函數(shù)來更新煙霧量數(shù)據(jù)，從而在程序中能夠有效監(jiān)測煙霧信息，及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)警。

3.3 溫度檢測模塊工作流程

溫度檢測模塊通過設(shè)置熱敏電阻1與熱敏電阻2雙熱敏電阻來實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度信息，并通過溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)與STM32的雙向通信。溫度檢測模塊具有抗干擾能力強(qiáng)、適合惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量等優(yōu)點(diǎn)（圖4）。

圖4 溫度模塊示意

3.4 通信模塊工作流程

通信模塊構(gòu)造如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)軟件連續(xù)3次檢測檢測到煙霧量和溫度大于閾限值，就會(huì)生成報(bào)警信息，通過串口發(fā)傳送至NB-IoT模塊的BC28物聯(lián)網(wǎng)模塊，BC28物聯(lián)網(wǎng)模塊將報(bào)警信息發(fā)送給云服務(wù)器。

圖5 通信模塊構(gòu)造示意

3.5 微信小程序客戶端模塊工作流程

微信小程序通過HTTPS協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行信息交互，處理流程如圖6所示。

圖6 微信小程序功能工作流程示意

首先是初始化階段，拉取基本的配置數(shù)據(jù)信息，更新用戶信息，解密用戶數(shù)據(jù)，通過填寫設(shè)備信息來生成二維碼，在后繼操作時(shí)使用小程序掃描二維碼就可以管理設(shè)備；然后是用戶登錄階段，掃描小程序二維碼登錄后，用戶的賬戶按照等級進(jìn)行劃分，不同等級對應(yīng)不同的權(quán)限和功能，通過登錄后的界面可以獲取設(shè)備的基本信息顯示，包含最后上報(bào)時(shí)間、探測到的溫度和煙霧量等等，在界面中也可以實(shí)時(shí)更新設(shè)備信息。

3.6 短信報(bào)警功能模塊工作流程

當(dāng)煙霧報(bào)警系統(tǒng)檢測到溫度和煙霧濃度發(fā)生異常時(shí)，會(huì)通過請求云服務(wù)的短信息服務(wù)功能，將短信發(fā)送至手機(jī)，用以提醒系統(tǒng)用戶進(jìn)行及時(shí)處理。發(fā)送的信息包含數(shù)據(jù)信息和位置信息兩類（圖7）。

圖7 短信報(bào)警功能示意

4 低功耗方案

硬件設(shè)計(jì)中對延長續(xù)航起到關(guān)鍵作用的是器件的選擇，選用安全性高、容量大的一次性鋰亞電池，年自放電小于1%，儲(chǔ)存壽命可達(dá)10年以上，非常安全可靠。選用的NB-IoT模塊支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)連接。STM32處理器內(nèi)部集成了升壓電路，省去了電壓變換模塊的熱耗。選用粘貼式高溫微型表面溫度傳感器，工作電流最大1.5 mA，在非工作狀態(tài)下可關(guān)閉供電，非常適用于低功耗的溫度采集場景。

軟件系統(tǒng)為了達(dá)到延長續(xù)航的方法主要是精簡邏輯，從執(zhí)行語句減少處理器的運(yùn)行功耗。同時(shí)，在空閑時(shí)間讓處理器進(jìn)入低功耗模式，減少耗電，使用DMA提高傳輸效率也是降低功耗的一個(gè)方法。最終使預(yù)計(jì)待機(jī)時(shí)間可長達(dá)2年。

5 測試結(jié)果

5.1 線纜高溫和煙霧警報(bào)

報(bào)警時(shí)，遠(yuǎn)程發(fā)送信息主要包括傳送的信號(hào)強(qiáng)度、系統(tǒng)電量、監(jiān)測到的煙霧濃度、熱敏電阻檢測溫度以及測到異常的地點(diǎn)信息。

5.2 電量過低警報(bào)

在報(bào)警器電壓過低時(shí)，通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息通過短信和語音電話的形式提醒工作人員更換電池。

6 結(jié)語

該報(bào)警器軟硬件設(shè)計(jì)合理，體積小，功耗低，待機(jī)時(shí)間長，靈敏度高，工作可靠，安裝方便，可在配電箱發(fā)生火情早期進(jìn)行預(yù)警并已經(jīng)在首都機(jī)場建設(shè)項(xiàng)目施工現(xiàn)場不同位置安裝部署了10臺(tái)。通過現(xiàn)場驗(yàn)證，誤報(bào)漏報(bào)均為零，可推廣至首都機(jī)場乃至其他建設(shè)項(xiàng)目施工現(xiàn)場使用，以提高施工現(xiàn)場配電箱安全管理能力，減少配電箱引起的消防事件。該報(bào)警器具有廣闊的應(yīng)用前景。