基于无线网络的古建筑电气火灾报警系统技术

胡 浩

云南先驱建筑工程有限公司，云南昆明 650500

古代建筑不仅是国家遗产，也是传统文化的物质载体，对促进我国传统文化的发展起着至关重要的作用。与现代建筑相比，古建筑具有十分显著的特点，绝大多数古代建筑的主体结构都是由纯木材或砖瓦组成。然而，这种建筑物像火柴一样非常容易燃烧。电气火灾报警系统可以十分准确监控电线的实时故障和异常状态，及时发现电火灾隐患，并且报警，以此来提醒有关人员消除该隐患，避免发生重大的火灾。然而，传统的电气火灾预警系统大多数都采用有线网络进行数据传输，其敷设线路和维护成本较高。钻孔对古建筑造成十分严重的破坏，老化线的现象将对监测火灾造成不利的影响。随着无线传感器网络（WSN）技术的飞速发展，无线传感器网络应用于实施监控古建筑电火灾将成为现实。因此，设计基于Jen Net无线技术的电气火灾监控系统，提高防火可靠性是非常及时和必要的。

古建筑电气防火报警系统是指当检测到的受保护的电路参数超过设定警报阈值时，可以发出报警信号并且指示出报警位置的自动装置。目前，建筑电气报警系统主要采用RS-485总线和CAN总线进行数据传输，其是无法实现数据传输的有线网络，敷设线受到限制。在本文中，我们研究了剩余电流电气火灾监测系统，并设计了一种新型的电火灾预警系统基于无线传感器网络技术，将传统的RS-485总线与Jen Net无线通信技术相结合，解决了古建筑电气火灾监控系统中敷设线路的局限性问题，非常适合监测古建筑的电火灾。

1 古建筑电气火灾分析

中国古代建筑中木结构火灾负荷载重大约是现代建筑的33倍。建筑物的耐火等级为三级或者四级，耐火性能非常差。古代建筑的大多为群体建筑，建筑所处的位置通风性良好，并且有充足的氧气，木质建筑十分干燥。当火灾发生时，建筑物的内部散热较为缓慢，由于温度上升过快，因此容易发生火灾。又因为建筑物彼此相邻过近，并且没有防火隔离带，如若发生火灾，控制不及时，会蔓延至整个建筑群体。古建筑电气火灾产生的原因有如下几点：漏电火灾、短路火灾、过负荷火灾、接触电阻过大火灾。古建筑电气火灾有如下惨痛的案列：

2003年1月20 日，位于武当山的遇真宫因电气发生火灾，烧毁遇真宫主殿三间，建筑面积达236m2。

2007年3月7 日，位于贵州铜仁的“川主宫”，其是国家级文物保护单位，因为配电箱内线路发生故障引发电气火灾，烧毁古建筑达850m2，造成无法挽回的惨重损失。

2014年1月11 日，位于云南迪庆藏族自治州州府，香格里拉县的古建筑群发生大火，除造成房屋、商铺和基础建筑设施等受灾外，此次火灾还造成古城内部分文物及其它佛教文化艺术品烧毁，据初步统计火灾烧毁房屋100多间，初步计算已造成经济损失多达1亿元，此次火灾产生的原因也是由于用电不慎引起的电气火灾。

2 电气火灾监测系统的通信结构

2.1 Jen Net协议

由英国Jennic开发的基于IEEE 802.15.4的Jen Net协议，被广泛应用于该领域，无线监控作为一个低功率的无线网络协议。Jen Net协议可以进一步简化应用程序和开发的过程，Zig Bee协议作为一种替代协议，比实际操作简单，通过集成智能网络、路由功能自我修复。传统的低功耗无线传感器网络很短、节点不稳定，但基于IEEE 802.15.4的Jen Net协议突破交流距离的极限，高智慧和灵活性的珍网使网络更适应动态更改，如节点连接和节点退出。

2.2 电气火灾监测系统的通信结构

在本技术中，将有线传输网络与无线传输网络相结合，并将Jen Net无线网络添加到RS-485总线上，设计成电气火灾监控系统。电气火灾监控系统的通信结构由RS-485总线和无线传感器网络组成。无线传感器网络（WSN）选择网络树拓扑结构，由终端节点、路由节点和协调器节点组成。在接线有限的情况下，我们使用终端节点作为电气火灾监测检测器的一部分，用于收集剩余电流、温度和湿度的数据，并通过Jen Net无线传感器网络与路由节点和协调器节点进行通信。与此同时，由于Jen Net从站路由节点负责路由数据，当Jen Net主站协调器节点工作时，连接RS -485总线的数据采集单元直接连接计算机，将数据传输到中央控制器。

图1 电气火灾监测系统的通信结构

在电气火灾监控系统中，上位机通过RS-485总线与Jen Net主站进行的通信。当中央控制器接收到报警信号时，首先它会判断是否需要发出命令来中断电路，然后在断开上级电路后尽量减少火灾带来的损失。如果现场人员接到电气火灾监测探测器的报警，应打断上级电路，立即采取相应措施，及时有效地控制火灾的发生。

2.3 Jen Net网络拓扑结构

Jen Net网络主要支持两种网络拓扑结构：星形拓扑和树拓扑结构。星形拓扑包含一个协调节点和多个终端，其结构相对简单。树拓扑包含所有三种类型的节点。路由器和终端设备作为子节点连接到协调器节点，每个路由器还可以由其他路由节点或终端节点作为自身的子节点，最终形成多层结构。在这种设计中，我们选择树形拓扑作为Jen Net网络结构。

图2 网络拓扑结构

3 电气火灾报警探测器的设计

探测器的设计是电气火灾报警系统的重要组成部分，硬件采用模块化设计，分别为无线微控制器模块、剩余电流采集模块、温度采集模块、电源模块、声光报警模块。

本设计主要介绍了无线微控制器、剩余电流的采集、温度和湿度的采集。剩余电流传感器和温湿度传感器可以自动收集物体的信息，然后上传到无线处理器，用于存储数据和控制传感器节点。当发现异常数据后，无线处理器启动声光报警，完成节点间的通信。电源模块主要为每个模块提供电源。

图3 探测器结构

3.1 剩余电流采集模块

剩余电流的检测是监测电气火灾系统的一个重要指标。剩余电流是通过剩余电流保护装置的主回路的电流矢量，换句话说，是漏电电流。在正常状态下，回路的剩余电流与故障状态的剩余电流不同。在正常工作条件下，剩余电流通常是正常的带电导体的漏电流。事实上，所有的电气设备和电源电路都有剩余电流，这是线路或设备固有的。异常剩余电流，即故障剩余电流，主要是指电路漏电，导致相线与地之间短路。当异常剩余电流达到一定程度时，就可能产生电弧或电火花，甚至导致火灾。异常剩余电流的原因复杂多样，如电线绝缘老化、电气设备的损坏、线路的人为误接，容易导致异常剩余电流。正常的剩余电流一般不会导致电火花，剩余电流是由异常剩余电流引起的。因此，一些早期发现和消除异常剩余电流故障可以防止电火灾发生。

为了探测古代建筑的电气火灾，探测器安装在配电线路或配电箱的入口。火灾探测器可收集低压配电线路和周围温度信号的剩余电流信号。通过微机处理分析，将信号上传到处理电路和微计算机上，与预设的剩余电流报警值和温度报警值进行比较。如果测量值高于设置值，声音和光报警模块发送警报信号，并将警报信号上传到上计算机。配电箱中通常安装电气火灾监测检测器。如果JN5148模块也应包括在配电箱中，天线必须从配电箱中伸出，否则，铁壳的屏蔽效应将大大降低无线信号的衰减。

在这种设计中，我们选择AKH-0.66 L-35型作为剩余电流互感器，专门用于采集火灾报警系统的剩余电流，电流互感器输出数字信号，输出电压为0～1 V。

3.2 温湿度采集模块

在发生电气火灾之前，线路的温度会大幅上升，相反，湿度会急剧下降。根据温度和湿度的变化，通过收集外部电气火灾监测系统的温度和湿度确定是否有火灾。我们使用数字温湿度传感器SHT11作为温湿度检测器，SHT11是SMT型传感器芯片，传感器和处理电路集成在一个微型电路板上。SHT11的工作电压低于3.3V，其平均工作电流极低，具有精度高、功耗低的特点（如图4所示）。

图4 HT11温湿度采集模块

3.3 无线微处理器模块

无线射频控制器可以集成到一个芯片中，大大降低了产品的体积。 因此，本设计采用JN5148芯片作为无线传感器节点的核心，采用Jen Net协议实现多个无线网络节点的数据传输。JN5148由Jennic公司推出，体积小、功耗低、嵌入了一个增强型低功耗32位CPU，包含128 KB ROM，128 KB RAM。 因此，非常适合于无线传感器网络的低功耗和低成本的要求。

Jen Net协议定义了三种类型的节点，协调器、路由器和终端设备。所有三种类型的节点的硬件都是基于JN5148的，功能区分是由特定程序设置的。在这个设计中，协调者是Jen Net主站，在无线网络系统初始化中起着重要的作用。路由器作为无线网络上的Jen Net的从站，主要功能是将信息不断传输到另一个节点。终端设备作为电气火灾探测器的重要组成部分，其主要任务是在发送或接收终端设备数据后收集数据并进行自身控制，不能作为父节点允许其他节点连接，也不能传递其他节点发送的数据。

图5 JN5148：无线微处理器模块

3.4 协调器的主要工作流程

协调器是一种关键的节点类型，无论在什么网络拓扑中，网络都需要有一个唯一的协调节点。网络层协调节点的功能是：选择网络频道（一般是最安静的频道）、启动网络、加入其他节点、提供路由信息和安全管理等。协调器节点可以建立和维护网络运行，并自动查找其他节点加入网络的请求，具有自动功能。它的工作流程如图6所示。

图6 Jen Net协调器工作流程

4 系统功能测试

我们在房间内安排多个Jen Net节点，形成了一个树状结构，并通过Rs - 485总线将Jen Net主站连接到电火花早期预警系统的中央控制器。在实验中，建筑电气实验台产生故障剩余电流，同时，设置中央控制器和终端节点探测器的报警值。在终端节点检测到剩余电流后，通过Jen Net无线网络将数据上传到从站，然后由Jen Net无线网络上传到Jen Net主站，最后通过RS-485总线上传到中央控制器。经过测试，电气火灾报警系统可以正常工作，终端检测器的数据和报警信号可以通过中央控制器的管理软件进行观察，检测器也可以产生声光报警信号。当数据异常时，起初，终端节点检测器的蜂鸣器将报警，之后上位机的管理软件将通知主管。受通信条件影响的时间间隔分别在5s和7s，测试结果在预期中。如果我们用人造火逐渐靠近终端节点检测器的温湿度模块，测试结果与之前的测试结果相同。

5 结语

在本设计中，在电气火灾报警系统的数据传输方面，我们将Jen Net无线网络作为电缆传输的一部分添加到RS-485电缆传输网络。最终根据古建筑的特点，结合有线传输和无线传输的优点，采用Jen Net无线通信方式，在有限布线的情况下，使用主站和中央控制器之间的电缆通信来弥补缺陷和不足。Jen Net网络数据传输采用点对点通信，这种智能无线火灾预警系统可以解决传统有线监控系统的很多不足，诸如布线复杂的缺陷，造成建筑物的破坏等，无线火灾预警系统特别是对古建筑早期的火灾的探测具有显著的效果。

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