消防设备电源监控传感模块设计

2015-12-05何溶溶胡炜薇

电子与封装 2015年6期

何溶溶，胡炜薇，郑梁

（杭州电子科技大学电子信息学院，杭州 310018）

1 引言

2011年7月1日开始执行的强制性国家标准GB25506-2011《消防控制室通用技术要求》中5.3.14条提出：“消防控制室应能显示消防用电设备的供电电源和备用电源的工作状态和欠压报警信息”，并在2011年提出该系统的产品标准GB28184-2011《消防设备电源监控系统》。在各项火灾事故中，消防设备能否起到灭火的关键作用在于消防设备是否供电正常，而人为监控和维护电源的困难则使得消防设备电源监控系统必然产生。该系统主要是通过保证平时各项消防设备的电源能够正常工作，从而保证消防设备在火灾事故发生时不会因为供电故障而无法灭火导致更大损失，在消防设备供电故障时能够及早发现并予以解决[1]。

目前我国沿海城市已经陆续有公司推出消防设备电源监控系统，然而许多监控系统设计参差不齐，并没有按照国家标准GB28184-2011来制作。尤其是置于消防设备电源进入端与输出端的监控传感模块，没有考虑到工作环境的复杂以及采样精度不高、适用范围小等问题。本文针对以上现象，设计并研发了消防设备电源监控系统的检测传感模块，并对其中的采样部分进行了详细分析和设计，创新点在于通过使用RN8209G电能芯片使得采样精度达到1%，并结合了较为稳定的CAN总线通信技术。本文设计的消防设备电源监控传感模块已通过了GB28184-2011中规定的浪涌冲击抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验以及高低温试验等。

2 监控传感器整体设计

消防设备电源监控系统整体可包括3个部分：监控器主机，传感监控器以及上位机。这其中传感监控器为本文的核心讨论内容，下面给出监控模块的整体设计框图，见图1。

图1 消防设备电源监控传感器整体框架图

监控传感器的模块构成为图1中的虚线框内部分，包括采样、通信、显示、报警输出等，本文设计的监控传感器类型为电压电流型，即能够监测电流电压两种信号，电压信号可直接接入监控传感器，而电流信号为保证消防设备电源连续性，则需要通过互感器接入。其中采样模块和通信模块决定了监控传感器的性能好坏，下文对这两个模块进行重点剖析论述。

3 监控传感器通信模块

3.1 硬件设计

根据国家标准GB28184-2011中的要求，监控传感器的监测数据应该能够传输至监控主机，传输的过程要求保证稳定性。监控传感器一般置于建筑消防设施的电源附近，隐藏在墙体之后，所处环境电磁干扰较大，对于通信的稳定性要求较高。对比于传统市面上采用的RS-485通信方案，本文中采用CAN总线，并给出了相应的CAN协议格式，在通信总线中加入了TVS防止浪涌破坏，并加入了共轭线圈以抑制共模干扰。设计电路图如图2所示。

电路图中，6N137光耦起到电气隔离的作用，图2中的B0505为隔离电源，将通信模块中所用的电源、地与电路板上其余电源、地隔离开来，在通信的输出端口，CANL与CANH之后加入了L41与L42差模滤波电感，用于抑制差模干扰。差模电感之后加入共模电感B3，共模电感的作用是抑制共模干扰。TVS41的作用是为了消除CANL与CANH之间的浪涌，而TVS42与TVS43分别是为了消除CANH与CANL对地的浪涌。有瞬间大电压浪涌产生时，TVS管与C43电容会瞬间导通，将大电压通过GGND导通至大地，以防止通信模块受到破坏。

图2 CAN通信电路设计

3.2 软件设计

本设计中监控传感器的通信采用CAN传输，CAN通信采用事件触发式，比主从方式的通信效率更高，CAN应用层的协议相对开放，有CAN2.0A的版本以及扩展版的CAN2.0B，该设计采用扩展版本2.0B的通信扩展帧模式，报文帧格式如表1所示，并参考了论文《基于CAN总线的电气火灾监控系统》中ZNCAN的设计，在此基础上依据消防监控器的特点进行了相应的设计更改。CAN2.0B扩展帧中报文的格式分为报文标识符以及报文数据定义两个部分。报文标识符主要用于设备识别，而报文数据部分即表1的字节6~13中传输电压电流等数据信息。表格中报文识别码的ID.28~ID.23定义为6位建筑编号，ID.22~ID.16定义为7位楼层编号，ID15~ID9定义为7位节点编号，而ID8~ID5为源节点编号，ID4~ID1定义为功能码，ID0为应答信号ACK。功能码列表如表2所示。

表1 CAN2.0B扩展帧格式

表2 CAN协议中功能码设定

报文响应中的数据主要用来传送参数以及采样数值，由于消防设备电源通常是双电源，即主电和备用电源都需要监测，本文设计的监控传感器为电流电压型，采用三相四线输入，有12组采样数据，再加上电流电压的设定阈值共14组，数据量较大，而CAN2.0B扩展帧的数据位只有8位，所以采样数据传输一共要发送14次。发送的数据结构有如图3所示的两种[2]。

图3 CAN扩展数据结构

状态字节：状态为监控传感器的当前状态，包括正常、过流、过压、欠压、缺相、错相等状态；电压/电流设定：电压/电流设定包括主电的设定值和备电的设定值；监控类型：监控类型表示上发数据的监控传感器类型，可以是电压型也可以是电流型，亦或是电流电压型。其中对于同一监控传感器的同一批采样数据中，传输完图3（a）后紧随着图3（b）的数据传输，监控器主机可以根据监控类型来计算接收的次数以此来判决是否接收到所有的采样数据。

4 监控传感器采样模块

市面上有的监控传感器采样部分采用普通的峰值检波电路或是简单的分压电路，输入的采样信号稳定性不高，并且对于峰值检波电路，应用具有一定的局限性。峰值检波电路存在充放电的问题，如若快速变换的波形一旦放电不及时，则容易出现采样偏差，笔者在采用峰值检波电路测试日光灯的供电电源时发现采样电压普遍偏大两倍。消防设备的种类繁多决定了消防设备电源的多样性，采样电路需要有更大的适用范围以及更强的抗干扰性能。

本设计的采样方案采用RN8209电能芯片进行电流电压的信号采样。RN8209是一款单相多功能防窃电专用的计量芯片，它能够提供3路采样信号，其中包括两路电流和一路电压的有效值测量，在1000:1的动态范围内，有效误差小于0.1%，并且提供SPI/UART接口将信号输出，功耗值低，使用十分便利。在使用该计量芯片时，根据芯片手册设计的芯片外围电路如图4所示。图4中一共有3路电流输入，分别为IA_IN1、IB_IN1、IC_IN1，该3路电流在输入该电路之前与峰值检波电路一样需要通过电流互感器进行转化，转为小信号之后再输入单片机进行处理。

5 测试数据结果分析

5.1 基础功能测试

监控器的测试与校验仪器采用XF20-5A三相校验仪，精确度在小数点后1位。低于2 A的电流部分采用青岛东来仪器的SDDL电流发生器系列测量，精确度能达到小数点后6位。表3给出传感器采样的电流电压值以及标准数值之间的对比，并计算出误差。

该设计的监控传感器针对于220 V的交流电，电压采样从180~300 V的区间中采样6次，采样电压1、2、3分别对应ABC三相电压，由于国标GB28184中要求消防设备的电压需要稳定在85%~110%左右，所以该监控器的电压取样范围符合标准，并且采样精度达到1%左右，符合国标中±5%的精度要求。

图4 RN8209G应用电路图

表3 传感器采样电压

表4 传感器采样电流1

表5 传感器采样电流2

由于采样电流的跨度较大，可从1 A到50 A左右，为了更精确地测量误差，这里的采样电流分为两部分进行：0~2 A小电流范围，以及2~50 A大电流范围。每个采样区间取6次，一共对3组电流采样，可得误差率如表4和表5中所示。

将峰值检波的采样线性与采用电能芯片RN8209进行对比可得表6。采样值1为峰值检波采样，采样值2为RN8209G采样。

由表4可计算出，峰值检波的采样平均误差在3.4%左右，而采用RN8209G的精度能够达到0.86%，采样精度大幅度提高。

5.2 高低温测试

图5为本文设计的监控传感器的电路板图。

图5 监控传感器电路板图

表6 峰值检波采样与RN8209G采样对比

实验过程中试验降试样在常规大气的条件下放置2 h，然后按照正常监视的状态要求，将负载接入试样，并接通电源，使其处于正常监视的状态。随后调节试验箱，使温度在40 ℃左右，随后调节相对湿度90%，对于恒定湿热运行试验，将试样在试验箱中保持4天，随后取出试样进行基本功能试验。而对于恒定湿热耐久试验，则在不通电的情况下，将温湿度调制与恒定湿热运行试验相同，并保持21天，随后取出，在正常的大气条件下恢复12 h。恢复后，检查试样表面涂覆情况，并且接通电源、连接负载，检测其监测功能有无异常[3]。低温运行试验与高温运行试验步骤相同，只是温度设定改变，先是使试样在通电状况下放入恒温箱，并在20 ℃的温度下保持30 min后，以1℃·min-1的速率缓慢降低温度，降至3 ℃左右。取出试样，在正常大气中恢复后再进行基本功能试验，并与之前的基本功能进行比较。图6为监控传感器实物做高低温试验图。

图6 高低温试验图

本文中测试选用两台监控传感器，分别接通电源后置于高低温试验箱，如图6所示，取出后置于大气中恢复并进行基本功能检测，检测结果通过没有异常。

5.3 环境测试表单

根据国标要求，通过选取1台监控器、2台传感器连接后各自做了相对应的环境测试。其测试结果如表7所示。通过各项测试表明，本文设计的消防设备电源监控传感器能够符合国家标准GB28184-2011的要求，通过CAN总线加强了通信稳定性，采用RN8209G的采样方式更能提高精度，并能适用于需要消防设备电源监控的场合。