胡汪琪，周林潔，薛大為

（蚌埠學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

0 引 言

電氣線路火災(zāi)是一種十分危險(xiǎn)的火災(zāi)形式，其爆發(fā)不僅會(huì)造成重大財(cái)產(chǎn)損失，還會(huì)威脅人身安全，因此研發(fā)一種高效準(zhǔn)確的電氣線路火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于預(yù)防和減少火災(zāi)事故具有重要意義。目前，市場(chǎng)上的電氣線路火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)多為接觸式監(jiān)測(cè)方式，存在安裝難度大、易受環(huán)境干擾等缺點(diǎn)。文章提出一種基于非接觸多點(diǎn)式電氣線路火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，用以解決這些問題。

為了提升電氣線路火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，提出一種新的預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用熱紅外溫度傳感器進(jìn)行非接觸多點(diǎn)式溫度測(cè)量，當(dāng)電氣線路發(fā)生火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警，有效預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。此外，該系統(tǒng)采用RS485 總線，通過主從式通信方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)多個(gè)電氣線路溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電氣線路溫度異常情況，提前預(yù)警并進(jìn)行故障排查，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性[1]。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)旨在利用熱紅外溫度傳感器對(duì)電氣線路溫度進(jìn)行非接觸式測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣線路火災(zāi)的早期預(yù)警，從而避免或減少火災(zāi)造成的損失，設(shè)計(jì)思路如下。

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，將溫度采集和預(yù)警處理分為下位機(jī)與上位機(jī)2 個(gè)模塊。下位機(jī)模塊通過熱紅外溫度傳感器對(duì)多個(gè)電氣線路的溫度進(jìn)行非接觸式測(cè)量，將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警處理。

（2）傳感器選型。由于電氣線路火災(zāi)時(shí)溫度升高較快，選擇具有高測(cè)量速度和精度的熱紅外溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。該傳感器可以在電氣線路不停電的情況下進(jìn)行非接觸式測(cè)量，同時(shí)具有較高的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

（3）通信方式設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用RS485 總線進(jìn)行下位機(jī)和上位機(jī)之間的通信，通過主從式通信方式實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)式溫度數(shù)據(jù)的傳輸和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示，包括下位機(jī)模塊和上位機(jī)模塊2 部分，其中下位機(jī)模塊主要由單片機(jī)、熱紅外溫度傳感器以及信號(hào)調(diào)理電路等組成，負(fù)責(zé)對(duì)多個(gè)電氣線路的溫度進(jìn)行非接觸式測(cè)量，并將數(shù)據(jù)通過RS485 總線發(fā)送至上位機(jī)模塊。上位機(jī)模塊主要由計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)程序組成，負(fù)責(zé)對(duì)多個(gè)電氣線路的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警處理，并在必要時(shí)向用戶發(fā)出報(bào)警提示[3]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

2 下位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)模塊主要完成溫度采集、處理和發(fā)送等工作，主要由單片機(jī)、紅外溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路等組成。

2.1.1 單片機(jī)的選型與原理

在該系統(tǒng)中，STM32F103ZET6 單片機(jī)被選作下位機(jī)控制器。首先，該單片機(jī)基于英國(guó)ARM 公司生產(chǎn)的Cortex-M3 內(nèi)核，具有高性能、低功耗的32 位精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）處理器和512 kB 閃存等豐富的存儲(chǔ)器，可支持復(fù)雜的應(yīng)用程序。其次，該單片機(jī)具有多個(gè)通用用途的輸入/輸出（Input/Output，I/O）引腳、定時(shí)器、串口和控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線接口等豐富的外設(shè)接口，方便與其他設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。此外，該單片機(jī)不僅可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行，節(jié)省電源消耗，還具有完善的開發(fā)工具鏈和調(diào)試功能，易于開發(fā)和調(diào)試應(yīng)用程序[4]。

2.1.2 熱紅外溫度傳感器的選型與原理

熱紅外溫度傳感器是一種通過測(cè)量物體輻射出的紅外輻射能量計(jì)算物體表面溫度的傳感器，其工作原理基于斯特藩-玻爾茲曼定律，即物體表面的紅外輻射能量與其溫度成正比，且其輻射能量的波長(zhǎng)范圍為8 ～14 μs。因此，利用紅外溫度傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的溫度測(cè)量。

在選型方面，需要考慮傳感器的測(cè)量范圍、精度、響應(yīng)速度、溫度漂移等因素。選用的熱紅外溫度傳感器型號(hào)為MLX90614ESF-BCF-000-TU，具有測(cè)量范圍廣、高精度、響應(yīng)速度快以及低溫漂移小等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足電氣線路火災(zāi)預(yù)警的高要求。同時(shí)，該傳感器的價(jià)格也比較適中，符合實(shí)際應(yīng)用的需求。

2.1.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)分為2 部分：溫度傳感器電路和信號(hào)放大電路。溫度傳感器電路用于將熱紅外傳感器檢測(cè)到的溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，而信號(hào)放大電路則將電壓信號(hào)放大到合適的范圍，以便后續(xù)處理。

在溫度傳感器電路方面，采用了環(huán)路反饋放大電路。該電路具有放大精度高、線性度好、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可精準(zhǔn)檢測(cè)傳感器輸出的微弱信號(hào)。此外，該電路采用了低噪聲運(yùn)放，有效降低了系統(tǒng)的噪聲干擾，提升了信號(hào)的可靠性。

在信號(hào)放大電路方面，采用了差動(dòng)放大電路。該電路具有抗干擾能力強(qiáng)、輸出電壓范圍大等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)信號(hào)放大的需求。此外，該電路采用了高精度電阻和高精度運(yùn)放，有效保證了信號(hào)放大的精度性和穩(wěn)定性[5]。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)的軟件流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程

（1）系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化主要包括I/O 口、串口等外設(shè)的初始化配置以及系統(tǒng)變量的初始化。

（2）溫度采集與處理。系統(tǒng)通過定時(shí)器定時(shí)觸發(fā)紅外溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，將測(cè)量得到的模擬信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波和轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并存儲(chǔ)到系統(tǒng)變量。

（3）數(shù)據(jù)發(fā)送。系統(tǒng)通過串口將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警處理。數(shù)據(jù)傳輸采用RS485 總線，通過主從式通信方式實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互。在通信過程中，下位機(jī)作為從機(jī)接收上位機(jī)的命令和數(shù)據(jù)，上位機(jī)作為主機(jī)發(fā)送命令和數(shù)據(jù)給下位機(jī)。

3 RS485 通信模塊設(shè)計(jì)

3.1 RS485 通信

RS485 是一種串行通信協(xié)議，具有高抗干擾性和長(zhǎng)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。在本系統(tǒng)中，采用RS485 總線作為下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信方式，其中下位機(jī)為從設(shè)備，上位機(jī)為主設(shè)備。通信采用異步通信方式，傳輸速率為9 600 b/s，采用Modbus RTU 通信協(xié)議，主要定義了數(shù)據(jù)的傳輸方式、數(shù)據(jù)格式以及數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)。通信幀包括地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)以及循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check，CRC）碼等，其中地址碼和功能碼指示了數(shù)據(jù)是由哪個(gè)設(shè)備發(fā)出和執(zhí)行哪個(gè)功能，數(shù)據(jù)區(qū)包含了數(shù)據(jù)信息，CRC 校驗(yàn)碼則用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。此外，系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即每個(gè)從設(shè)備通過獨(dú)立的雙絞線連接到主設(shè)備，所有從設(shè)備共用一條總線。主設(shè)備通過發(fā)送指令的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)從設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制[6]。

3.2 通信步驟

上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信步驟如下。

（1）上位機(jī)作為主設(shè)備，通過RS485 總線與下位機(jī)，即從設(shè)備進(jìn)行通信，其中上位機(jī)發(fā)送查詢以請(qǐng)求下位機(jī)的溫度數(shù)據(jù)，而下位機(jī)則以響應(yīng)的形式回復(fù)所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。

（2）查詢幀包括起始位、地址位、控制位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位以及停止位，其中起始位始終為高電平，表示數(shù)據(jù)幀的開始，而停止位為低電平，表示數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。

（3）下位機(jī)接收到查詢后，收集溫度數(shù)據(jù)并在響應(yīng)幀中將其發(fā)送回上位機(jī)，響應(yīng)幀也包括起始位、地址位、控制位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位以及停止位。

（4）當(dāng)上位機(jī)接收到響應(yīng)幀時(shí)，解析溫度數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)在用戶界面上顯示，可以定期向下位機(jī)發(fā)送查詢以持續(xù)監(jiān)測(cè)電路的溫度數(shù)據(jù)。

總的來說，RS485 通信模塊提供了一種高效、可靠的方式，使上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)地與下位機(jī)進(jìn)行通信，有助于通過及時(shí)檢測(cè)溫度變化來預(yù)防潛在的電氣線路火災(zāi)。

4 上位機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的模塊如圖3 所示，主要包括以下內(nèi)容。

圖3 上位機(jī)主要模塊

（1）界面設(shè)計(jì)。上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序的界面設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面和報(bào)警界面2 個(gè)部分。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面通過圖表的方式實(shí)時(shí)顯示各個(gè)電氣線路的溫度變化情況，同時(shí)提供歷史數(shù)據(jù)查詢和導(dǎo)出功能；報(bào)警界面則通過彈窗和聲音的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)異常溫度的警報(bào)提示。

（2）數(shù)據(jù)接收與處理。上位機(jī)通過串口與下位機(jī)進(jìn)行通信，接收下位機(jī)發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)。通過解析Modbus 協(xié)議中的數(shù)據(jù)區(qū)，獲取各電氣線路的溫度值，并將其顯示在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面上。同時(shí)，程序根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度閾值進(jìn)行判斷，如果有電氣線路的溫度超過閾值，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制。

（3）報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)到電氣線路溫度超過預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制。報(bào)警界面會(huì)自動(dòng)彈出提示框，并發(fā)出聲音警報(bào)。同時(shí)，程序會(huì)將該電氣線路的溫度信息記錄在日志中。系統(tǒng)界面如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)界面

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

在本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，使用了3 個(gè)電氣線路實(shí)驗(yàn)樣本，每個(gè)樣本有多個(gè)測(cè)試點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試環(huán)境溫度為20 ℃左右。

將實(shí)驗(yàn)樣本接入系統(tǒng)，通過紅外溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，通過RS485 總線發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)過程中，模擬了電氣線路出現(xiàn)過載、短路和接觸不良等故障情況，并觀察系統(tǒng)是否能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠?qū)﹄姎饩€路進(jìn)行高精度的溫度測(cè)量，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。在故障模擬實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，有效避免了火災(zāi)的發(fā)生。

6 結(jié) 論

文章設(shè)計(jì)了一種基于熱紅外溫度傳感器和RS485總線的電氣線路火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，具有非接觸測(cè)量、多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、可遠(yuǎn)程監(jiān)控以及高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，有效預(yù)防火災(zāi)事故的發(fā)生。