基于CAN总线的高层建筑电气火灾监控

王永全

(深圳市一方建筑设计有限公司，广东 东莞 523000)

0 引 言

高层建筑是目前市场中建筑的主流建设模式，尽管此种发展模式实现了对城市有限空间的无限扩充，但随之而来的高层建筑安全问题也不容小觑。在对建筑安全事故的整理与统计中发现，电气火灾是高层建筑中一种较为常见的安全事故，也是会对社会秩序造成较大影响的事件。为解决此方面问题，提高建筑中住户居民的安全性，应完善对火灾的监控工作[1]。为此，本文在CAN总线技术的应用下，对电气火灾监控方法进行设计研究，实现将建筑电气火灾事故控制在发生前，减少由于火灾对社会经济持续化发展造成的影响。

1 高层建筑电气火灾类型

在对现有数据的综合分析中发现，大部分大型火灾都是由建筑电气失火导致的。根据我国《高层民用建筑设计防火规范》(GB 50045—95)中的相关规定，在人员较为密集的场所、高层、超高层建筑中，应根据实际需求，设置漏电、火灾预警系统，以保证对火灾事故的及时察觉，避免事故的危害范围逐步扩大[2]。在此项工作逐步推进与落实中，早期普遍应用在建筑中的火灾报警器的缺陷逐步显露，随着技术进步升级，火灾报警器现已逐步演变成了集中式火灾监控系统[3]。为保证与之相关的工作的实施可以达到预期效果，下面详细介绍电气火灾的四种常见类型，以此为后续对电气火灾事故的监控提供借鉴与参照。

1.1 建筑电气漏电火灾事故

电气漏电包括电气设备漏电和电气线路漏电，是指电气设备及其连接线路由于某种原因(可能是自身原因，也可能是外界环境原因)，出现设备及线路的绝缘层绝缘性能下降，导致多个电气设备之间及其连接线路存在电流直接流经的现象。发生此种现象后，电流将在导入地面前持续流经设备的多个电阻，当某个节点的电阻值过大时，会出现电气设备局部温度过高的问题，此时周边环境中若存在可燃物或易燃物，很有可能引发火灾。此外，当设备或线路的绝缘层的漏电位置出现火花时，也会诱发可燃物燃烧，导致火灾事故[5]。

1.2 建筑电气短路火灾事故

当线路的绝缘层破损后，火线将与零线、地线发生碰撞，此时，发生碰撞的线路电流将出现突然增加的变化趋势，此种现象被称为短路，也可被称为混线或碰线。当线路出现短路问题时，线路的电阻值将骤然下降，对应的电流值骤然增加，电阻的瞬时发热量将达到最高。当其发热量超出了设备可承载温度时，短路点或碰线点将瞬间出现火花、电弧，绝缘层迅速发生燃烧反应，此时的温度可以直接将金属导线熔化，从而造成可燃物发生燃烧。

1.3 建筑电气过负荷火灾

当电气设备连接导线流通的电流值超过设备运行安全阈值时，连接导线的温度将呈现瞬时升高现象，此种现象被称为导线过负荷。当高层建筑中的电气设备导线存在此种问题时，导线绝缘层的老化速度迅速提升，当绝缘层完全老化后，将会出现建筑电气火灾事故(事故原理同上)。

1.4 建筑电气施工中的不规范行为引发的火灾事故

工程施工方在进行建筑电气接线与安装施工时，会由于施工行为不规范、施工技术不标准，出现接线错误、接触不良、绝缘层破坏等方面的问题，可引发火灾事故[6]。尤其是在电气安装接线时，若是中性线安装错误，单相设备的损坏概率将呈现显著提升趋势，在此种状况下进行电气设备的高频率使用，势必会引发火灾事故。

2 基于CAN总线的高层建筑电气火灾监控设计

2.1 构建高层建筑电气火灾监控框架结构

为实现对高层建筑电气火灾的智能监控，尝试引入CAN总线技术，首先针对火灾监控的整体框架结构进行设计，如图1所示。

图1 高层建筑电气火灾监控整体框架结构示意图

从图1中的框架结构可以看出，针对电气火灾的监控需要通过各类传感器的应用与安装，实现对高层建筑现场各个与电气火灾相关的参数的获取[7]。除此之外，还需要增设信号调理装置、光电隔离装置、A/D转换器等设备的辅助，实现对现场的实时监控。将需要获取的火灾现场信号通过RS-485总线传输到各个控制器上，或对其进行就地控制。针对监控框架结构当中的微处理器可选用STC系列8G1K08-36I-SOP8型号单片机。该型号单片机针脚数为SOP-8；采用50PCS/管封装；最小工作温度为-50 ℃，最大工作温度为125 ℃；规格为9.7 mm×3.2 mm×2.5 mm(长×宽×高)。在应用过程中，向8G1K08-36I-SOP8型号单片机中安装10位A/D转换器，并将转换器的精度设置为10位。利用8G1K08-36I-SOP8型号单片机的显示部分可以实现对三相电流以及漏电流测量参数等数据的实时展示[8]。将获取到的0～5 V范围内的标准信号发送到A/D转换器当中。当传感器检测信号超出了事先设定的阈值，此时通过监控模块自动发出声光报警，并启动脱扣使各个电气设备暂停运行。

高层建筑电气火灾监控整体框架结构中针对温度参数进行采集的传感器选用SENSIRION-SHT20型号温度传感器；针对湿度参数进行采集的传感器选用BME680 BOSCH型号湿度传感器；针对火灾发生时烟雾气体参数进行采集的传感器选用GQQ5-4980型号烟雾传感器。表1为三种传感器的性能描述对照表。

表1 三种传感器的性能描述对照表

将上述三种不同功能传感器采集到的数据传输到各个互感器装置当中，并按照上述各个装置的协助实现对高层建筑电气火灾的监控。

2.2 基于CAN总线的监控现场集中控制器选型设计

为实现对高层建筑电气火灾现场的集中监控，引入CAN总线实现对各个监控模块的连接。选用主控微芯片为AT6465-460型号的控制器，针对现场传感器获取到的参数以及故障特征数据进行传输，并将结果显示在LCD上。基于CAN总线的监控现场集中控制器结构框架图如图2所示。

图2 基于CAN总线的监控现场集中控制器结构框架图

结合图2中所示的结构框图，通过上位机监控界面以滚动的形式对获取到的数据进行滚动展示。同时，在上位机当中还可以对各个节点进行添加、删除等操作，通过设置延时时间也可实现防止误动作产生，以避免其影响监控质量和监控效果。除此之外，通过对历史相关数据的查询，也可以实现对高层建筑电气火灾的发生原因、发生时间及发生时报警通道等信息的获取，以此为后续火灾救援提供更有力的信息。

2.3 监控信号调理电路设计

在实现对监控现场集中控制器的选型后，为了确保各个监控模块之间实现协调运行，针对各个模块之间连接的监控信号调理电路进行设计。应用精密整流电流将原本以交流形式传输的信号转变为直流信号，并通过单片机对其进行处理，从而使信号能够被RS-485总线识别并传输，确保在控制器当中能够获取到所需的监控数据。根据上述需要，设计如图3所示的监控信号调理电路。

图3 监控信号调理电路结构示意图

按照如图3所示的内容实现对调理电路的连接，并辅助实现对监控信号的传输，确保后续高层建筑电气火灾监控报警及显示有充足的信息支撑。

2.4 高层建筑电气火灾监控报警及显示

在上述完成对监控信号调理电路的设计后，为了能够在第一时间实现对高层建筑电气火灾的报警与实时显示，针对其报警及显示进行优化设计。在这一过程中，首先对各个信号采集设备进行初始化处理，并通过键盘实现对AD采样条件的设置。在完成信号采样后，对获取到的数据进行分析和判断，并启动报警装置。若在这一过程中出现异常数据变化，则说明高层建筑电气发生了火灾事故，并且电气设备的运行受到了影响，无法正常使用。此时在经过延时程序后，单片机的引脚导通并切断电气设备的电气回路，使受到影响的电气设备处于不工作的状态。若在这一过程中未出现异常数据变化，则说明此时未发生火灾，且电气设备运行没有受到影响，可以正常使用。此时在经过监控判断后，单片机的引脚不会导通，电气设备可继续运行完成工作程序。按照上述论述内容，实现对高层建筑电气火灾的监控报警，并在发生火灾时实现对电气设备运行状态的自动切换。同时，将上述操作过程中产生的各类数据传输到上位机当中，可供监控人员对数据的变化进行实时查询，从而在第一时间确定火灾发生的位置，并完成相应的防护措施。

3 对比分析

为证明设计的火灾监控方法在实际应用中的可行性，设计如下文所示的对比实验，实验中，将此方法集成在高层建筑终端设备中，使用VisionⅡ程序进行监控过程中参数的调试。此步骤过程为：监控终端设备初始化处理→A/D数据采样→监控数据集中处理→识别数据是否触发预警或火灾事故→当识别结果为“否”时，监控终端直接显示此时监控数据，持续进行电气设备运行监控；当识别结果为“是”时，证明此时电气设备存在运行危险→定位出现异常现象的电气设备→将此设备与继电器线圈进行连接→传输预警数据并在监控终端显示此时的数据→将相关数据进行集中整理后发送到数据调度中心，以便后续管理人员对数据的存储与分析等。

按照上述流程进行实验前的准备工作。完成对实验的准备后，设定一个监控终端火灾事故预警参数，在高层建筑中的电气设备接线端安装传感器与数据处理器，实时获取电气设备连接线路的温度值。将本文介绍的监控方法的反馈结果与传统方法的反馈结果进行整理，结果见表2。

从表2可以看出，在13:23:55时刻，电气设备的运行温度超出预警界限。在此种条件下，监控终端应立刻触发预警。但在完成实验与监控终端技术人员的信息交互时发现，本文方法的监控终端存在1次温度预警，而传统方法的监控终端没有被触发预警。说明本文设计的方法可以在应用中实现对电气火灾事故的有效预警，从而保障建筑中电气设备在运行中的安全性与稳定性。

表2 本文方法与传统方法对建筑电气运行的监控

4 结束语

根据我国消防单位与公安部门整理与统计的数据，在2019年全年，我国共发生大、中、小型火灾约9万起，事故中属于城市火灾事故的约为3.5万起，在高层建筑或人员密集场所发生的火灾事故约为1.5万起，占城市火灾事故总量的近三成。并且，随着城市中高层结构建筑数量的增加，火灾事故的数量、规模、伤亡人数、经济损失都呈现一种逐年递增的趋势。为解决建筑火灾问题，开展此次研究，对比实验结果表明，本文设计的方法可以在应用中实现对电气火灾事故的有效预警，实现对建筑电气安全的有效保障。