《托尔先生-实时监测建筑电气智能报警系统》

郝茂生 张亦舒

（沈阳城市建设学院，辽宁 沈阳 110000）

随着城市化进程的不断加快，智能建筑、商业综合体、多功能建筑等连地而起，建筑的复杂程度越来越高。而建筑电气作为现代建筑系统中的核心技术之一，其发展日新月异，更新换代的速度也越来越快。在建筑物中，由于建筑电气系统包含的子系统数量多、规模大，特别是对于大型建筑而言，其建筑电气系统发生故障的概率高，并且故障的种类也复杂多样，经常使系统无法实现其预定功能，从而引起用电设备停机、计算机信息数据丢失等事故。对于用电可靠性要求较高的部门（如金融机构、医院、电视台等），甚至会发生重大停电事故。

因此，如何及时避免出现故障情况发生是当今建筑电气领域最重要的研究事项之一。由此，我们提出了这个创意。即利用自动化及智能化技术，结合建筑电气故障诊断方法研究内容，制作一个适用于所有建筑物的实时检测建筑电气智能报警系统。如果未来可以将其应用到实际建筑电气系统中，不仅填补了我国建筑电气领域在此处的一大空白。同时也迎合了现阶段建筑电气发展的趋势，使建筑电气系统的可靠性和稳定性得到显著的提高。

一、研究内容

（一）对现阶段各类建筑物内常见的电气故障进行了调研

项目组成员通过查阅大量资料及文献、问卷调查等方式对现阶段各类建筑物内常见的电气故障进行了前期调研（各类建筑物包括民用住宅、大型商场、医院等私人住户及公共场所建筑）。通过调研分析得出，随着社会的发展和人们物质文化生活的提高，人们对居住、工作、生活环境有了更好的要求，人们不尽满足与对环境的基本需求，更追求与更高品质、更加安全、更加舒适的工作生活居住环境。然而，现阶段所有建筑物内的所有设施都离不开电力。一旦建筑物的电气系统发生故障，复杂的电气网络不仅会给维修带来一定的难度，还会引发设备停机、计算机信息数据丢失、火灾等等事故的发生，不仅会给工作和生活带来极大不便，甚至还会带来重大的经济损失和人身伤亡。

（二）现阶段建筑电气预防及诊断故障研究现状

根据查阅相关资料可知，全世界每年发表关于故障诊断的论文、报告在1500篇以上，近年来更是呈不断上升的趋势。但是如何将自动化技术应用到建筑电气系统的研究才刚刚开始。虽有相关想法的提出，但仍停留在理论阶段，没有具体的实物应用。针对建筑电气故障诊断方法的研究，也仅仅停留在故障发生之后的处理方面，而不是提前感知，提前预防。并且现阶段建筑电气系统的故障检修也基本依靠人工，而随着建筑电气系统规模的不断扩大、复杂性的不断提高，大量故障信息往往超过维修人员的处理能力。建筑电气系统一旦出现故障，维修时间是整个维修过程中最关键的环节。如果时间过长，不仅会对居民及企业生活带来极大不便，更会使因电气故障而出现意外事故的可能性大幅增加。因此，如何在建筑电气系统即将出现故障时，提前告知维修人员，及时到达现场检修，避免出现故障情况发生是当今建筑电气领域最重要的研究事项之一。

（三）本系统第一环节--传感器的设计

在经过了充分调研的基础上，对实施实时监测建筑电气智能报警系统的总体方案进行了设计。那么本系统第一步就要实现实时监测建筑电气系统的功能。在查阅相关资料后并根据所总结的建筑电气系统常见故障类型，我们项目小组最终决定利用STC89C51单片机设计检测电气系统的传感器。选择该款单片机的原因为其结构小巧精致，较同类芯片造价较低，工作电压较小，接口较多可实现各种常用功能，等各种优点。

其次，考虑到初期的测试以及未来的定期检修，所以我们在初期设计中给该单片机组成系统连接了LED显示屏，在初期产品介绍及测试时，方便直接的观察检验系统结果现象。并且，我们在调研了各类建筑电气系统的常用故障后，决定通过检测电压的方式检测整个建筑电气系统。并根据户内系统进行分配。超过数值则单片机通过蜂鸣器自动报警，但这仅限于实验阶段，后期我们将会通过ZIGBEE无线通信技术，将发生故障区域通过无线通信的方式传输到维修人员的监控系统中，方便维修人员及时检修。

最后，结合数字模拟电子技术，通过测定电信号的方式，实时监测建筑电气各系统状态。例如，我们先通过编程，设定监测电压值为0~5V，正常情况下的电压将会在这区间内稳定或者上下浮动，一旦低于0.5V或超过4.8V，单片机系统将会自动报警，LED数值实时表达此电路数值（初期测验阶段）。

图一 单片机系统设计原理图

二、本系统第二部分——基于物联网的Zigbee技术在智能建筑中的应用研究

（一）物联网介绍

物联网是通过信息传感设备，按约定的协议实现物品到物品、人到物品、人到人、全面互联的网络，其主要特征是通过信息传感设备等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、通信网等网络进行信息传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制

物联网主要由感知层、网络层和应用层组成，其中：感知层包括传感器、二维码RIFD（射频识别）、多媒体设备等数据采集和自组织网络系统；网络层包括各种网关和接入网络以及异构网融合、云计算等承载网支撑系统；应用层包括信息管理、业务分析管理、服务管理、目录管理等物联网业务中间件和物联网应用子系统。

（二）Zigbee技术介绍

Zigbee主要适合于工业控制、传感和远程控制领域。它在数千个微小的传感器之间相互协调，实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。Zigbee技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定了它适合于承载数据流量较小的业务。

Zigbee具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的特点，这些特点使得其在工业监控、传感器网 络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。

（三）利用Zigbee无线通信技术对于无线传感网监测节点进行组网设计研究

我们可以假象一下这样的场景，突然有一天，建筑里那些隐藏在墙体中的的某一根电线发生了故障。找来物业，排查，解决。但是在这段时间中会浪费大量排查的时间，也会浪费更多的资源。而如果当时在建造这座建筑的时候，将ZIGBEE等技术利用进去，将无线传感网络利用在建筑电气系统的一些固定的节点，形成固定的节点组网，在每一个组网都能有固定的检测区域，实行大面积的监测。在那些易于老化的特殊节点，例如在墙体的拐角处，此类地方，可以设计多一些的节点，将组网进行缩小，这样的话不管哪部分出现故障都能第一时间找到故障原，及时的进行解决，大大减少了排查所浪费的时间，资源。

当在建筑电气系统中每一根电缆等都有了自己的IP地址之后，我们就都可以在一个客户端对于整栋建筑进行监察，监测。这样全方面大面幅的监测，也是更有效的防范了那些豆腐渣工程，及时的排查故障，对于我们所处建筑之中的安全问题有了大大的保障。而基于ZIGBEE无线通信技术有着较高的灵活度与准确的定位，且价格实惠，这对于整个建筑电气监测系统而言是最合适的无线通信方式。

三、结语

随着互联网，物联网的普及，将所有的一切都进行连网不会再是问题，无线通信技术更缩小了人类与机器的差距，在这个通往大数据的时代，智能建筑也一定会像电脑，智能家居一样的普及。一座充满大数据的建筑，不论哪方面都会是有利而无害的。那些我们能够排查到却解决不了的故障，我们也可以利用无线通信技术，进行修复。能要准确地找到位置，所有的故障就终不是问题。如果未来可以将本系统应用到实际建筑电气系统中，不仅填补了我国建筑电气领域在此处的一大空白。同时也迎合了现阶段建筑电气发展的趋势，使建筑电气系统的可靠性和稳定性得到显著的提高。