配电箱智能报警器的设计与实现

何 曾 张雨涵 陈红泉 卞秀婷

1. 北京首都国际机场股份有限公司建设项目管理中心 北京 100621；2. 北京工业大学信息学部 北京 100124

根据相关统计分析，目前施工现场施工动电类安全隐患约占总体隐患数量的25%，主要表现为施工现场配电箱接线不符合规范、未严格按照一机一闸使用、未及时进行巡检维修等。

现有的烟雾报警器主要应用于室内烟雾报警以及列车烟雾报警，主要技术包括应用温度传感器和ATmega16单片机，温度超过预设阈值，通过蜂鸣器和LED灯光达到报警效果。对于低功耗的无线烟雾报警器，通常采用低功耗、低电压的光电型烟雾探测器专用集成电路RE46C190和无线单片机CC1310，系统待机电流大约为14 μ A，无线通信距离为1 km。现有的在配电箱等移动场景使用的烟雾报警器一般只具有测量烟雾功能，在导线过载未达到燃点时，无法通过导线温度变化提前触发报警并提示相关人员。

目前这些报警器安装需要特定的工作环境，固定方式复杂，通信距离较短，只能在火灾发生后报警，不具备提前预警功能，不适用于施工现场安装简易、工况复杂、方便移动、无人值守的需求。尤其是在机场不停航情况下的施工，如果发生火灾将对通航安全造成巨大的危险，对机场造成沉重的财产损失。为解决这一问题，及时检测预警施工现场配电箱过热、冒烟等安全隐患，确保施工现场配电箱突发应急情况得到及时处置，研发了一种可移动式的施工现场配电箱智能报警器。本报警器具有体积小、功耗低、待机时间长、安装方便等特点。主要创新点如下：

1）导线温度和烟雾浓度双重预警。现有的烟雾报警器一般只具有测量烟雾功能，而对于配电箱等使用环境，在导线过载未达到燃点时，无法通过导线温度变化提前触发报警。本报警器通过测量导线温度及配电箱内烟雾情况进行现场和远程实时报警，及时处置施工现场配电箱过热和冒烟等消防不安全问题。

2）现场和远程双重实时报警。当配电箱内烟雾量或导线温度达到报警阈值时，开始蜂鸣报警，提醒现场工作人员。同时报警器的报警信息通过移动网络以短信和微信小程序通知形式触达相关管理人员，实现远程报警，及时消除起火隐患。

3）安装使用方便。本配电箱智能报警器安装可以使用强磁铁吸附或M4螺钉固定，使用在钢铁材质的配电箱内时，可以直接将烟雾探测器以磁吸方式吸附在配电箱内壁上，取下和更换十分方便。如果所安装环境不适合磁铁吸附时，可以选用M4螺钉将烟雾探测器固定在配电箱壁上。此外，智能报警器外壳设计具有一定的防尘能力，可以防止空气中的灰尘和水分影响烟雾报警器的正常工作，防止器件腐蚀，提高报警器可靠性和使用寿命。

4）功耗低、使用寿命长。智能报警器硬件选用低功耗器件，处理器软件采用低功耗设计，报警器根据环境温度和烟雾浓度自动切换检测频率，在不工作时系统待机，降低功耗。通过这种方式，报警器整体待机能达2年以上。同时为了防止电池耗尽影响报警器正常工作，报警器具有低压报警功能，在电压过低时，提醒工作人员更换电池，防止因为电池电量不足导致的烟雾报警器无法正常工作。

1 系统方案

智能烟雾报警器系统组成如图1所示。

图1 报警器硬件系统结构

报警器的系统核心是STM32处理器和软件程序，外连烟雾报警模块、温度报警模块、指示灯、窄带物联网（Narrow Band-Internet of Things，NB-IoT）以及按键，从图1中可以看出，输入为烟雾信息、温度信息以及按键信息，输出为蜂鸣器、指示灯、NB-IoT工作信号。在运行过程中，烟雾传感器和温度传感器感将相应的烟雾浓度和温度传给STM32处理器，在内部进行阈值判断，若是超过相应的警报阈值，则传输信号至蜂鸣器和指示灯，从而实现声光报警的功能。同时，STM32处理器可以通过NB-IoT模块与基站进行信息交互，通过微信小程序，实时显示烟雾报警器的工作状态和检测信息，通过短信和微信小程序将警报发送至管理员手机。按键的功能是提供人为输入信息取消报警。智能报警器的内部电路如图2所示。

图2 报警器的内部电路

2 硬件设计

2.1 处理器（STM32）

处理器选用意法半导体的STM32L011F4P6，该处理器具有极低的功耗和丰富的片上资源。处理器是报警器的核心，负责所有硬件的控制和状态收集，通过运行在处理器上的系统软件可以实现各模块的相互协调，完成报警功能。

2.2 温度传感器

温度传感器的功能是监测供电线缆的温度变化。当发生过载，线缆温度上升，达到设定的警报值时，触发蜂鸣器报警。温度传感器由传感器探头、补偿导线、变换器组成，外界温度信号通过传感器探头转换为电压信号，通过补偿导线将探头端的信号传递给温度变换器，变换器将探头端电压信号进行处理及放大并输出满足要求的标准电压信号[1]。温度传感器选用粘贴式DS18B20高温微型表面温度传感器，通过防水硅胶屏蔽线引出，可将－50～125 ℃的温度信号转为数字信号，工作电流最大1.5 mA，在非工作状态下可关闭供电，非常适用于低功耗的温度采集场景。

2.3 烟雾传感器

烟雾传感器的功能是监测烟雾情况，在出现火情时烟雾量上升，检测烟雾量可以判断火情的发生，当烟雾量达到设定值时触发报警。

配电箱中使用的是普通家庭常用光电式烟雾传感器，光电式烟雾传感器的工作原理是：烟雾是由无数微粒组成的，当单色光入射到这些微粒时，会受到颗粒团散射影响。当一束强度为lo的平行单色光入射到这些微粒时，会受到颗粒团散射和吸收的影响，光强将衰减为l（l＜lo）。经光电转换后的电信号强弱与l的大小成正比，通过检测电信号的变化即可得出烟雾量[2]。在无烟环境下，红外接收管几乎接收不到红外发射管发射的信号，当火灾发生时，由于烟雾对光线的散射作用，使红外接收管接收到较弱的红外光信号，通过检测电信号的变化即可得出烟雾的量。处理器内部的运算放大器对该信号进行放大、送模数转换（A/D）模块采样，若采样值达到报警阈限值则报警。

本文设计的烟雾报警器选用CX-1088光电式烟雾探测传感器。CX-1088由光学模块和1个黑暗的烟雾迷宫组成，光学模块部分采用红外发光二极管（IRED）和光敏二极管（PD）。该装置设计时，光束是偏离感应器的，当烟雾进入迷宫后，粒子会将部分光束散射到感应器上，当烟雾的量逐渐增重，就会有更多的光束被散射到感应器上。烟雾随高温空气上升，当上层烟雾量增加到一定程度才会逐渐下沉，所以烟雾传感器一般要放置于被监控空间的上方。

烟雾探测传感器内置1个烟雾检测用的专用单片机，型号为台湾义隆的A88F656N。A88F656N是一款独立型烟雾传感器专用芯片，内部集成了IR恒流电路和升压电路，不但大大简化了外围电路，还能够极大降低功耗。

2.4 NB-IoT模块

NB-IoT是一种低功耗物联网技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接[3]。NB-IoT模块的功能是定期将烟雾报警器的数据通过移动网络发送给远程服务器。NB-IoT只消耗大约180 kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络。该报警器的NB-IoT模块选用上海移远通信技术股份有限公司的BC28。其尺寸仅为18.7 mm×16.0 mm×2.1 mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求。

报警器支持短信和微信报警2种方式，在发生火情后，报警器通过NB-IoT模块向服务器发送报警请求，服务器接到报警请求后，通过微信小程序或短信服务器向绑定的微信用户或手机号码发送报警信息。

2.5 电池

烟雾报警器的电池用于给设备供电，无需外接电源，方便安装。电池选用一次性锂亚电池ER18505M，锂亚电池具有安全性高、容量大的特点，年自放电小于1%，储存寿命可达10年以上，非常安全可靠。

2.6 天线

报警器内置PCB高增益天线，通过双面胶粘在壳内。

3 软件设计

3.1 软件总体设计

烟雾报警系统以STM32处理器为基础进行烟雾和温度的监测，以设定阈值的方式来实现报警功能。采用GPIO（General-Purpose Input /Output Ports，通用输入输出端口）实现ADC电压采集、温度采集、按键中断、触发蜂鸣器和LED，用串口实现烟雾采集、物联网通信数据的采集和设备的控制。

上电时烟雾报警器首先对设备硬件进行初始化，初始化包括以下内容：

1）参数初始化：烟雾、温度报警阈值、电池报警阈值、持续时间、抑制时间和温度等。

2）RTC时间及日期初始化。

3）烟雾报警系统状态。

4）接口初始化：GPIO、USART、RTC、ADC。

初始化完成后，软件进入正常工作流程。烟雾报警器工作流程如图3所示。

图3 烟雾报警器工作流程

工作时，首先获取系统RTC时间和日期，判断系统是否开机或者开始新的一天，当前为系统开机或新的一天时对自身状态数据进行上报，若系统未重新开机或者未开始新的一天，则继续进行后续操作。

然后进行警情判断，首先对温度、烟雾量进行总体判断，判断重复3次，减少误报警发生的概率，再根据报警源对报警声进行设置，烟雾报警设置为一长声，温度报警设置为两短声，目的是区分系统报警的种类以便及时告知工作人员，同时系统设置了按键取消报警的功能，工作人员可使用按键进行报警确认，确认后重置系统的报警状态，取消报警后，系统待机60 s后重新进入警情的判断。系统对报警次数进行判断，若报警超过120 s则停止报警，待机60 s后，再次开始报警；若警情消失，系统状态更新并设置唤醒时间后进入低功耗模式，在系统重新唤醒后再次开始新一轮的工作流程。系统在没有报警的情况下唤醒时间设置为5 s，在有报警的情况下唤醒时间设置为1 s，目的是在警情发生后，系统能够在短时间内重复运行进行判断，确认警情是否已消除。

3.2 烟雾检测模块工作流程

烟雾检测模块通过中断方式来接收烟雾传感器串口数据。程序通过串口中断回调函数来更新烟雾量数据，从而在程序中能够有效监测烟雾信息，及时准确地进行预警。

3.3 温度检测模块工作流程

温度检测模块通过设置热敏电阻1与热敏电阻2双热敏电阻来实时监测温度信息，并通过温度传感器来实现与STM32的双向通信。温度检测模块具有抗干扰能力强、适合恶劣环境的现场温度测量等优点（图4）。

图4 温度模块示意

3.4 通信模块工作流程

通信模块构造如图5所示。当系统软件连续3次检测检测到烟雾量和温度大于阈限值，就会生成报警信息，通过串口发传送至NB-IoT模块的BC28物联网模块，BC28物联网模块将报警信息发送给云服务器。

图5 通信模块构造示意

3.5 微信小程序客户端模块工作流程

微信小程序通过HTTPS协议与服务器进行信息交互，处理流程如图6所示。

图6 微信小程序功能工作流程示意

首先是初始化阶段，拉取基本的配置数据信息，更新用户信息，解密用户数据，通过填写设备信息来生成二维码，在后继操作时使用小程序扫描二维码就可以管理设备；然后是用户登录阶段，扫描小程序二维码登录后，用户的账户按照等级进行划分，不同等级对应不同的权限和功能，通过登录后的界面可以获取设备的基本信息显示，包含最后上报时间、探测到的温度和烟雾量等等，在界面中也可以实时更新设备信息。

3.6 短信报警功能模块工作流程

当烟雾报警系统检测到温度和烟雾浓度发生异常时，会通过请求云服务的短信息服务功能，将短信发送至手机，用以提醒系统用户进行及时处理。发送的信息包含数据信息和位置信息两类（图7）。

图7 短信报警功能示意

4 低功耗方案

硬件设计中对延长续航起到关键作用的是器件的选择，选用安全性高、容量大的一次性锂亚电池，年自放电小于1%，储存寿命可达10年以上，非常安全可靠。选用的NB-IoT模块支持低功耗设备在广域网的数据连接。STM32处理器内部集成了升压电路，省去了电压变换模块的热耗。选用粘贴式高温微型表面温度传感器，工作电流最大1.5 mA，在非工作状态下可关闭供电，非常适用于低功耗的温度采集场景。

软件系统为了达到延长续航的方法主要是精简逻辑，从执行语句减少处理器的运行功耗。同时，在空闲时间让处理器进入低功耗模式，减少耗电，使用DMA提高传输效率也是降低功耗的一个方法。最终使预计待机时间可长达2年。

5 测试结果

5.1 线缆高温和烟雾警报

报警时，远程发送信息主要包括传送的信号强度、系统电量、监测到的烟雾浓度、热敏电阻检测温度以及测到异常的地点信息。

5.2 电量过低警报

在报警器电压过低时，通过移动网络将报警信息通过短信和语音电话的形式提醒工作人员更换电池。

6 结语

该报警器软硬件设计合理，体积小，功耗低，待机时间长，灵敏度高，工作可靠，安装方便，可在配电箱发生火情早期进行预警并已经在首都机场建设项目施工现场不同位置安装部署了10台。通过现场验证，误报漏报均为零，可推广至首都机场乃至其他建设项目施工现场使用，以提高施工现场配电箱安全管理能力，减少配电箱引起的消防事件。该报警器具有广阔的应用前景。