1 基于无线通信质评的电气火灾智能监控系统设计
（1）无线通信网络设计
无线通信网络由 ZigBee 主站、ZigBee 从站、总线、上位机单元构成,运行流程如下:ZigBee 主站与总线相连，上位机单元向总线发送信息后,主站会收到发送的信息。而一些监控设备也与总线相连同样会接收到发送的信息并进行处理。ZigBee 主站在收到信息后,会通过无线通信网络向 ZigBee 从站发送信息,由从站向与从站相连的监控设备发送接收信息四。而信息的回送过程则刚好与发送过程相反。其中总线选用的是 485 总线，上位机单元中选用的上位机为 OptiPlex-2x,选用的服务器为 IPC610L 多扩展双千兆网口上位机服务器问。在 ZigBee主站、ZigBee 从站搭建的无线通信网络中，节点使用的 ZigBee 芯片设计具体如下:首先配置高性能的无线收发器与高性能的 CPU 内核.CPU 内核选用的是 32-bit RISC。并在芯片中植入 3 种网络协议栈包括 JenNet,ZigBee,IEEE823.15.2。配置多种数字应用接口,包括 Comparators,DAC,12-bit ADC,PWMTimers,GPIO ,2-Wire Serial(12C),SPI,UARTs,并配置 96K的 RAM 与192K的 ROM。在 ROM 中对成熟底层协议栈进行固化.在 RAM 中对网络协议栈进行固化。*后配置 128-bit 的 AES 加密器件与多个低成本外扩器件.包括 1个串行 FLASH、5 个电容1 个晶振问。ZigBee 芯片作为主控芯片,为节点配置其他单元,完成 ZigBee 节点的设计,具体配置如图1 所示口。
其中供电单元通过电压调节器为 ZigBee 芯片提供 1.8 V 电源。并设计一种 USB 供电方式为其他器件供电。在 USB 供电方式中,选用 LD1117-3.3 V芯片对 USB 的 5 V 电压进行转换,将其转换为3.3 V.在射频单元中.使用的无线射频芯片为CC2541F256芯片上搭载的片载系统为 2.4 GHz Bluetooth。并为无线射频芯片配置一些外部组件,包括 5 通道直接内存访问、红外生成电路等网。
蓝牙单元使用的蓝牙芯片为 BXM 芯片通过该芯片实现 ZigBee 节点之间的通信。为芯片配置接收管脚与 UART串口发送脚。24 MHz 晶振选用的是 TCXO 温补晶振,将其接入 ZigBee 芯片中,通过3225 贴片进行封装。在 ZigBee 协议栈中，使用的ZigBee 协议为 Z-Wave。ZigBee 主站与 ZigBee 从站均由协调器与 ZigBee 节点构成。其中协调器能够构建无线网络.对无线网络的运行进行维护。并发现其他节点想要加入无线网络的请求,具备自动组织的功能网。协调器的工作流程设计具体如下:
1)对 ZigBee 芯片与外设进行初始化处理.
2)对 ZigBee 协议栈进行初始化处理:
3)构建 ZigBee 网络:
4)对缺省参数进行配置:
5)监听 ZigBee 网络,在 ZigBee 网络中接收数据并对数据包进行解析:
6)将数据封装为串口数据包,通过总线向上位机发送数据;
7)在监听 ZigBee 网络的同时对总线进行监听.在总线中接收数据并对数据包进行解析:
8)将数封装为 ZigBee 数据包，通过 ZigBee 网络向 ZigBee 从站发送数据。
（2） 监控模块设计
在监控模块中.通过剩余电流探测器与开关电压调节器实现电气火灾剩余电流的监控。其中剩余电流探测器能够实现自检、DI 消防、按键切换、声光报警、液晶显示以及剩余电流报警功能l10。剩余电流探测器的设计具体如下:设计了一种控制芯片,能够实现外部信号采集、实时数据显示、信号转换以及开关状态显示等功能”。芯片的设计具体如下:配置多个中断源.通过中断的方式将芯片切换至低功耗运行模式。配置 16 位精简指令集,使芯片具有多样化的寻址方式与更加灵活的程序编写方式。通过多个寄存器开展运算处理,具体包括功能选择寄存器、输人寄存器、方向寄存器、输出寄存器。通过8 MHz 晶体进行驱动.使芯片达到 125 ns 的指令周期。为芯片配置以下片内外设:2k的 BRAM、60 k的BFLASHROM、多个 I/0 端口、硬件双串口 USARTI与 USARTO 以及看门狗电路。在剩余电流采集电路中,通过电压传感器进行剩余电流的测量,选择的电压传感器为毫安级别精密度的电压传感器。剩余电流采集电路的电路设计如图 2 所示。选用的液晶显示模块为 AMPIRE12864。将AMPIRE12864 接入到控制芯片中.实现参数查询界面、DIDO 状态、报警动作值、剩余电流实时值的显示。
（3）信号数据处理模块设计
在电流信号数据处理模块中使用的信号滤波处理算法是自适应算法,具体处理步骤如下:
1)y(a)表示时间b某点处的一组信号其中包含着N个信号.具体描述为
2)信号y(a)的权值为
3）过自适应线性模型获取输出信号?(a)，?(a)可以通过输入向量及其对应权向量来表示，具体如下式:
式中:
4）c(a)表示期望信号,d(a)表示误差信号，则误差信号为:
5)将均方差函数作为误差准则.即:
6)根据均方差函数对原始信号实施滤波处理,也就是当 y *小时,对*佳权系数 B" 进行求解求解结果为*小均方误差点,滤除误差大于求解结果的信号。其中*佳权系数求解公式为
就此完成各种信号的滤波处理。
（4）火灾预警模块设计
在火灾预警模块中,基于模糊神经网络设计电气火灾预警算法.实施电气火灾预警。预警流程如下:
(1)通过 MATLAB 软件构建糊神经网络火灾预警模型.模型为三层结构。
其中输入层中共有 4 个节点分别为工作电流信号、电流电压信号、线路温度信号、线路剩余电流信号;隐含层中共设置 6 个节点,节点数目由式(7)决定,而输出层中共有 3 个节点,分别为明火概率阴燃概率以及无火概率。
参考文献
[1]安 军. 基于无线通信技术的电气火灾智能监控系统
[2]安科瑞电气企业微电网设计与应用手册2020.06版
[3]安科瑞安全用电管理云平台 2020.02版
[4]刘毅.城市轨道交通电气火灾监控系统误报警分析及治理[J].
[5]邢国新，赵海龙，吴志强.热解粒子式电气火灾探测器在地铁中的应用[J].
是第j个输出的输人向量对应的权向量;
是第j个输出的输入向量;I是N中的一个正整数。
