基于ZigBee网络的电缆防火监控系统设计

2020-12-23郑学樑

微型电脑应用 2020年11期

郑学樑

摘要：设计一种基于ZigBee网络的电缆防火监控系统，能实时、精准监测电缆火灾，并及时灭火。系统通过部署在电缆现场的烟雾和温度传感器分别采集烟雾和温度数据，经单片机转换处理后传输至ZigBee通信模块，利用ZigBee协议、ZigBee网络节点以及通信流程将温度和烟雾数据传输至火灾控制模块，实时监测电缆各位置的温度和烟雾浓度，当温度或烟雾浓度超出设定值时，及时通过ZigBee网络发出报警并准确定位着火位置，自动启动灭火部件完成灭火，实现电缆防火监控。与传统系统相比，这个系统可以通过监测电缆的温度以及烟雾浓度变化，实现电缆火灾的及时精准监控，监测精度较高，准确性较好，能够及时精准监测电缆火灾，并及时灭火。实验结果表明：该系统可以实时、有效监测电缆温度和烟雾浓度变化，并及时报警，启动电缆火灾自动灭火部件灭火，防止电缆火灾发生。

关键词：ZigBee;电缆防火;温度监控;烟感监控;无线传感器;烟雾浓度;自动灭火部件

中图分类号：TD 75+2

文献标志码：A

文章编号：1007-757X（2020）11-0140-03

Abstract：A cable fire prevention monitoring system based on ZigBee network is designed to accurately monitor the cable fire in real time， and put out the fire in time. The system collects smoke and temperature data through sensors， and deploys them on the cable site and transmits them to ZigBee communication module after being converted and processed by single chip microcomputer. Temperature and smoke data are transmitted to the fire control module by using ZigBee protocol， ZigBee network node and communication process， so as to monitor the temperature and smoke concentration of each position of the cable in real time. When the setting value is set， the alarm will be sent out through ZigBee network in time， and the fire location will be accurately located. The fire extinguishing components will be started automatically to complete the fire extinguishing and realize the cable fire prevention monitoring. Compared with the traditional system， this system can monitor the cable fire timely and accurately by monitoring the temperature and smoke concentration changes of the cable. The monitoring accuracy is high. It can timely and accurately monitor the cable fire and extinguish the fire in time. The experimental results show that the system can monitor the changes of cable temperature and smoke concentration in real time and effectively， and alarm in time， and start the automatic fire extinguishing components of cable fire to prevent the occurrence of cable fire.

Key words：ZigBee;cable fire protection;temperature monitoring;smoke sensing monitoring;wireless sensor;smoke concentration;automatic fire extinguishing components

0 引言

電缆自燃以及大范围停电引发的重大经济损失都是源于电缆故障，电缆故障发生概率随着使用量的提升而提升[1-3]。为了及时觉察并防止因电缆过热导致事故发生，需要实施电缆的在线监测[4]。由于电缆过热以致火灾历时较为漫长，设计一个电缆防火监控系统可预测电缆火灾的发生。

通过直接序列扩频技术，发现了一个比其它无线网络技术耗能少、组网能力优、可靠性强的技术ZigBee。它以IEEE802.15.4无线标准为底，工作频率是868～915 MHz，是一个新型的距离速率成本功耗都非常小的双向无线网络技术[5-6]。且ZigBee汇聚了IEEE802.15.4的安全元素是拥有128位高级加密标准的安全类软件，能充分保障网络安全性。由于电缆监测系统的无线传感器网络会工作在条件复杂的环境中[7]，能量无法及时调动，为了提高其整体性能，需要在无线传感器网络中加入低功耗的ZigBee技术以便实时监测电缆火灾[8]。

因此，本文设计基于ZigBee网络的电缆防火监控系统，充分利用ZigBee网络的通信优势，实现电缆防火的有效监测和灭火控制。

1 基于ZigBee网络的电缆防火监控系统

1.1 系统总体结构

基于ZigBee网络的电缆防火监控系统总体结构，如图1所示。

据图1可得，系统的核心控制模块S3C2440A单片机中汇聚了3个串口和SPI接口，其中CO浓度、烟雾以及温度的传感器与其串口相连。SPI接口中的一路与16位AD，CO2浓度、湿度、火焰等传感器外接;另一路与ZigBee通信模块相接。RS232串口电路和计算机将整个系统连接起来，使数据的上传更加便捷，与扩展芯片以及16位ADC，组成采集数据的传感器控制单元[9-10]。

系统通过部署在电缆现场的烟雾以及温度传感器分别采集烟雾以及温度数据，这些数据同系统的S3C2440A单片机进行存储、数据转换以及控制处理后，通过SPI接口传输到ZigBee通信模块，利用该通信模块的ZigBee协议、ZigBee网络节点以及通信流程将这些电缆现场采集数据传输到火灾控制模块中进行分析，并通过电缆火灾自动灭火部件实现电缆火灾的实时灭火处理，确保电缆的安全。

1.1.1 温度监控

实时监测各电缆接头温度的原理，如图2所示。

系统中计算机能连接10个串口，各串口可连300个数传模块，各数传模块能连100个温度传感器。部署一个中继器在485总线大于1 190 m时，此时数传模块与最远端分支器的最长距离、分支器与温度传感器的最长距离分别为180 m和 9 m。

对于不知是负荷过大发热抑或是故障发热的电缆接头的温度过高问题，可通过系统比较电缆温度、其接头温度以及运行环境温度来判断。系统会在电缆温度达到报警温度时智能报警，提供准确的报警点[11]。该功能能给负荷过重的夏季与冬季加大电缆出力给予有力支撑。

1.1.2 烟感监控

电缆通道感烟监控的原理，如图3所示。

系统中计算机能连接10个串口，各串口可接300个数传模块，各数传模块可接9个烟雾传感器。部署一个中继器需要485总线大于1 190 m。

报警数据被烟雾传感器采集并反馈，烟雾传感器可在烟雾产生时，向上位机传输报警开关量信号，系统通过报警信息位置进行报警，同时自动关闭相邻防火门，尽量封闭火灾现场，确保火灾现场的区域面积最小化，減少损失风险[12-13]。

1.2 火灾控制模块设计

1.2.1 电缆火灾自动灭火部件结构

电缆火灾自动灭火部件的结构，如图4所示。

长圆柱体结构的超细干粉储存舱，为电缆走向阵列排布部署提供便利，还可确保总舱体的压力承受值保持在0.9 MPa中，为了提高固态氮储能驱动药的调换方便度，它与圆柱形腔体的固态氮储能舱螺纹连接[14]。将供电电池与ZigBee通讯模块以及电路控制器件密封于柱形塑料腔内组成通讯控制触发器，固定连接插拔式接口和固态氮储能舱里的激发部件，同时为了将固态氮储能药激发成惰性气体，需要通过该种触发器触发电流实现;布置跟随电缆流向的高压橡胶喷管需要具备柔性高的优势，且需要喷管直径是20 mm同时管壁拥有10喷孔阻燃抗静电的耐压胶管，利用需保护的电缆束的空间来计算喷管长度和喷孔的密度、直径。

1.2.2 电缆火灾自动灭火部件通讯控制

每台电缆火灾灭火部件被本身体积和驱动能量限制电缆灭火在10 m以里的范围中，只有朝电缆流向首尾阵列部署多个自动灭火部件才能实现整条电缆自动灭火。因此为降低自动灭火部件中的电源以及通信线路的使用量，精准依据信号驱动对应位置的自动灭火部件[15]。利用ZigBee协议栈通信模块和硬件调试提供支撑服务的ZigBee网络节点，拥有无线收发以及任务操作性能佳的优势，且具备接收灵敏以及抗噪性能优的优势。该种网络节点采用由电池供电的ZigBee无线通信技术，采用CC2530芯片设计完成。ZigBee终端通讯控制触发器、ZigBee路由通讯控制触发器、通讯分站构成电缆火灾自动灭火部件网状分布结构通讯系统。

在电缆火灾自动灭火部件通讯系统每100 m处部署一个载有ZigBee路由的自动灭火部件，并在两个载有ZigBee路由的自动灭火部件之间部署载有CC2530芯片PM3休眠模式的ZigBee终端自动灭火部件，向ZigBee路由ZigBee终端所构无线网络传输上位主机反馈给通讯基站的灭火启动信号，向电缆火灾自动灭火部件传输灭火启动信号，驱动通讯控制触发器输出7 V、700 mA电流启动固态氮，形成超细干粉灭火剂完成灭火。

1.3 ZigBee无线通信设计

系统的Zigbee通信模块采用ZigBee网络命令与数据的通信流程，如图5所示。

完成系统的通信工作。ZigBee网络向远程服务器传输数据的前提条件是，网络需要采集到传感器节点传输的数据。电缆无线火灾监测系统的ZigBee网络同远程服务器的通信依照相应的交互协议实现，它选用的通信机制是“不问不答”。

ZigBee无线火灾监测系统通信故障流程，如图6所示。

远程服务器发送的请求指令在规定时间内，未收到ZigBee网络或传感器节点反馈的回应，那么通信回路闭合，认为超时。判断ZigBee无线通信存在故障并报警的依据是，超时重发次数是否高于设置次数。

2 实验分析

将本文设计的基于ZigBee网络电缆防火监控系统应用在某煤矿矿井电缆的防火监控中。系统进行一段时间的运行，发现其整体运行平稳可靠，将矿井电缆的最大温度值和最大烟雾浓度值分别设置为60 ℃和15.5%。监控该矿井电缆的温度界面，如图7所示。

从图7中可以看出，整体被监控电缆的温度平均值和最大温度值分别为29 ℃和60 ℃。

且在光纤位置300 m时进行了报警，说明本文系统能实现矿井电缆温度的有效监测和预警，为矿井电缆防火监控提供可靠依据。

在不同光纤标尺位置处对比分析本文系统与现场实际测温结果，如表1所示。

对比不同光纤标尺位置处的本文系统与现场的测温部分数据发现，本文系统温度测量误差在±1 ℃的范围内，证明本文系统在矿井电缆温度监控中的精度，保证电缆火灾自动监控系统的准确性。

监控该矿井电缆的烟雾界面，如图8所示。

图8描述本文系统监测显示电缆线路上的烟雾浓度平均值和最大烟雾浓度值分别为11.9%和15.5%，且在光纤位置300 m处的烟雾浓度值超过15.5%，系统进行报警，说明本文系统能实现矿井电缆烟雾浓度的有效监测和预警，为矿井电缆防火监控提供有力支撑。

在不同光纤标尺位置处对比分析本文系统与现场实际烟雾浓度测量结果，结果如表2所示。

通过对比系统与现场不同光纤标尺位置处的电缆烟雾浓度的结果发现，本文系统的烟雾浓度测量误差在±1%的范围内。证明本文系统在矿井电缆烟雾浓度监控中的精度，保证电缆火灾自动监控系统的准确性。

为了验证本文系统的灭火效果，实验对700 m位置的光纤电缆进行人工加热持续时间10 s，4 s时温度为65 ℃，同时测量记录不同时间本文系统灭火处理前后实验煤矿电缆的温度和烟雾浓度变化情况，如图9所示。

结果显示，本文系统监测到煤矿电缆700 m光纤位置在4 s之前的温度以及烟雾浓度变化平稳，且分别低于60 ℃和15.5%，在4 s时监测到的电缆温度以及烟雾浓度瞬间上升至65 ℃和18%，说明该点发生火灾，此时本文系统启动对应电缆火灾自动灭火部件灭火，发现5 s到10 s后电缆温度和烟雾浓度降至平稳状态，说明本文系统可对煤矿电缆火灾进行有效灭火。

3 总结

本文利用ZigBee网络的无线通信优势设计了一个电缆防火监控系统。可以通过监测电缆的温度以及烟雾浓度变化，实现电缆火灾的及时精准监控。并以煤矿电缆火灾监控为例，检验本文系统对电缆火灾的实时监测与防控管理效果。当电缆的温度或烟雾浓度超过系统设置温度时，系统报警并定位火灾位置，自动启动灭火部件，利用超细干粉滅火剂在报警区域灭火，控制损失在最小范围内。实验结果表明：本文系统的应用能够有效提升电缆火灾自动监控性能，较好的解决了电缆防火的问题，对电缆系统安全运行提供和强有力支持。

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