嵌入式电气安全智能监控系统探讨

2021-11-28张宏瑞李良杰

科技与创新 2021年17期

张宏瑞，李良杰

（武汉船舶职业技术学院电气与电子工程学院，湖北武汉430000）

近几年来，应用到电气工程中的电气设备数量明显增加。由此而导致的电气安全事故发生频率也明显提高。尤其是一旦出现电气火灾事故，会对电气系统的正常运行产生十分严重的影响。在这种情况下，为了保证电气系统运行的安全性，降低电气安全事故的发生概率，就需要研发出一种电气安全智能监控系统。而嵌入式电气安全智能监控系统的设计与应用，不仅可以实现远程监控，还可以为电气火灾报警的准确性与稳定性提供保证。

1 嵌入式电气安全智能监控系统的设计研发必要性

电气系统可能会因为电击等因素而出现无法正常运行的情况，并产生一定的经济损失和生命财产安全威胁。为了避免电击等因素的影响，保证电气系统的正常运行，就需要采取一定的防范技术和保护措施。而这些防范技术和保护措施，就是所谓的电气安全技术。电气安全技术的关键在于保障电气设备与人身安全。在《电气设备的安全规范》中，针对电气安全与电气装置等的规定都已经非常明确[1]。

分析近几年来频繁发生的电气安全事故，主要涉及到以下几种类型：电气火灾事故、电器爆炸事故、触电事故、静电危害事故等。其中，电气火灾事故的发生率最高，产生的负面影响最大。造成电气火灾事故的原因主要与以下两方面因素有关：首先是电气设备过载过热。而造成电气设备过载过热的原因主要是电流短路、线路接触不良、电流火灾和绝缘电阻降低。其次，是存在易燃可燃物质。这是一种可以避免的一种电气火灾事故因素[2]。要想降低这些电气安全事故的发生率，就要引入嵌入式电气安全监控系统，加强电气故障的监控与管理。因为嵌入式电气安全监控系统的应用，可以直接让工作人员对现场的用电情况进行远程监控，即便是无人值守，也可完成配电回路的安全监控工作，并在出现电气安全事故的第一时间发出报警提示，采取相应的应急救援措施。

2 电气安全智能监控系统的研究现状

近几年来，中国的电气安全事故的发生频率较高。漏电开关等单一功能类安全用电产品依然是中国电气市场的主流产品。但是，随着科学技术的发展，这些产品的使用已经表现出了技术落后、智能性偏低、机械式被动保护等缺陷。只有对安全用电产品进行技术创新，加强对电气设备运行情况的监控与管理，完善相应的应急救援体系，才能够更好地满足人们的安全用电需求，降低电气安全事故的发生概率。

但是，高端电气火灾监控系统的市场依然被欧美国家和日本占据。例如，日本的日探、法国的Fare、美国的Simplex、德国的西门子西伯乐斯消防系统等均是世界一流的大型生产商。国外产品主要使用CPU系统，且不同的CPU负责不同的管理任务，例如控制信号发送、报警信号接收、显示处理等。其使用的控制器也以16位控制器为主。

近几年来，国内的企业和科研单位也逐步加大了电气火灾报警装置的研发力度。例如，爱普罗国际电气（中山）有限公司就研发了一款用电保护开关，但是整体容量不足100 mA，且功能比较单一。长沙电器有限公司则研发了一款消防漏电保护开关，但是产品的可靠性还需要提升。另外，北京华宇先锋电气有限公司也研发了一种电气安全智能监控系统，虽然将现代智能控制技术和现场总线技术进行了有效的应用，但是其核心依然是单片机技术，且是通过工控机才实现上位机监控的，所以不仅运行成本较高，运行效率偏低，还缺乏友好人机界面。

随着市场需求的不断调整，针对电气安全智能监控系统的研发也提出了以下三方面的要求：①要保证功能完善，可以呈现各种详尽的信息，且具有友好的人机界面；②要保证处理功能的高效性，可以满足多重处理及网络化输出要求；③运行成本较低，既要保证生产的便捷性，又要加强生产质量控制，更要具备较强的市场竞争力[3]。

3 嵌入式电气安全智能监控系统的结构分析

本文设计的一种嵌入式电气安全智能监控系统以双单片机为基础，包含监控器和ARM+LINUX+Qt/E集中数据监控器两部分。同时，借助计算机设备的应用优势，对电气安全智能系统进行远程监控，增强了电气火灾报警的敏感度，且运行成本更低，能耗更小，功能更加丰富。

3.1 系统框架

这种嵌入式电气安全智能监控系统主要由以下三部分构成：①现场监控器，主要是对配电回路进行有效的监控，明确三相工作电流、漏电电流、气感、温感和烟感的实际情况，然后再将相应的监控数据传输到集中数据监控器中。一旦监控数据信息出现异常问题，该系统就会发出光报警信号，让用户结合实际情况切断供电电源。该系统中的集中数据监控器应用的是嵌入式Linux操作系统和ARMS3C2410芯片。②TFT-LCD显示屏，大小为8 in（1 in≈2.54 cm）。③触摸屏幕，可以与RS485总线连接，对现场的通信装置进行实时的监控。系统中的集中数据监控器还具有人机界面，可以对配电回路电流进行24 h不间断的监控、报警与控制，即便是无人值班，配电回路的异常情况也可以得到有效的记录与反馈。

针对建筑电气安全管理的优化与升级，将微型计算机与集中数据监控器连接在一起最为关键。在C/S结构环境下，其服务器、远程监控端分别为ARM端和客户端。然后再利用计算机将二者进行上下连接，下载更新之后就可以对相应的历史事件进行有效的记录。与此同时，还可以将现阶段的电流情况进行有效的显示，并以图片或者数据等形式呈现出来。而电流数据则会保存到ACCESS数据库中。这样一来，工作人员只需要对电流数据的历史曲线进行分析和研究，就可以对某一时间段内的现场用电情况有一个整体的把握[4]。

3.2 现场监控器软硬件设计

该嵌入式电气安全智能监控系统的现场监控器双MCU使用了两片由美国Microchip生产的PIC16F877A产品。这是一种典型的单机片产品，这两片单机片产品的功能并不相同。其中一片的功能是对SLAVE“三感”开关量信号进行控制。同时，电流互感器和零序电流互感器还会不断地输出电压模拟信号，而这一片单机片产品还可以将这些电压模拟信号转化成数字信号，并与延时开关、报警参数进行对比，达到控制断路器、警灯和喇叭的效果。与此同时，还可以根据电流大小对延时脱扣时间进行调整。另外一片充当了系统的MASTER，所以可以直接利用RS485现场总线和集中数据监控器上传电流数据，确保这些数据可以顺利地到达远程监控端，并受到键盘设定参数的影响。这样一来，用户就可以直接通过按键来对延时断开与报警参数进行科学的设定。两个CPU的数据就可以通过IC协议来传递。正是这两片单机片产品的功能，使得现场监控器处于稳定工作状态。另外，现场监控器的软件主要包含两部分：一部分是主MCP，另一部分是从MCP部分。系统电力数据的有效传输，取决于以下两个通讯：两个单片机间的IC通讯、主片与集中数据控制器间的RS485通讯[5]。

3.3 集中数据监控器软硬件设计

集中数据监控器的硬件使用的是以ARM920T内核为基础的16/32位RISC嵌入式微处理器。集中数据监控器的软件使用的是以Qt/E为基础的应用程序。这种应用程序主要包含以下四大功能模块：①INTERNET远程监控服务器模块，主要是与TCP/IP进行通讯，传递各种数据信息；②RS485通讯数据模块，主要是接收和分析各种数据信息，并将分析结果显示在显示屏上；③SQLITE数据库操作模块，主要是数据库的打开与查询、最新历史事件的记录；④用户GUI模块，主要是进行良好人机界面的提供，确保用户可以查询所需要的各种数据信息[6]。