一种非接触多点式电气线路火灾预警系统

胡汪琪，周林洁，薛大为

（蚌埠学院 电子与电气工程学院，安徽 蚌埠 233030）

0 引 言

电气线路火灾是一种十分危险的火灾形式，其爆发不仅会造成重大财产损失，还会威胁人身安全，因此研发一种高效准确的电气线路火灾预警系统对于预防和减少火灾事故具有重要意义。目前，市场上的电气线路火灾预警系统多为接触式监测方式，存在安装难度大、易受环境干扰等缺点。文章提出一种基于非接触多点式电气线路火灾预警系统，用以解决这些问题。

为了提升电气线路火灾预警系统的可靠性和实用性，提出一种新的预警系统。该系统采用热红外温度传感器进行非接触多点式温度测量，当电气线路发生火灾时，系统能够及时发出预警，有效预防火灾的发生。此外，该系统采用RS485 总线，通过主从式通信方式实现上位机对多个电气线路温度的实时监测，能够及时发现电气线路温度异常情况，提前预警并进行故障排查，进一步提升了系统的可靠性和实用性[1]。

1 系统总体方案

1.1 系统设计思路

该系统旨在利用热红外温度传感器对电气线路温度进行非接触式测量，实现对电气线路火灾的早期预警，从而避免或减少火灾造成的损失，设计思路如下。

（1）系统结构设计。系统采用分布式结构，将温度采集和预警处理分为下位机与上位机2 个模块。下位机模块通过热红外温度传感器对多个电气线路的温度进行非接触式测量，将数据传输给上位机模块进行实时监测和预警处理。

（2）传感器选型。由于电气线路火灾时温度升高较快，选择具有高测量速度和精度的热红外温度传感器进行温度测量。该传感器可以在电气线路不停电的情况下进行非接触式测量，同时具有较高的抗干扰能力和稳定性。

（3）通信方式设计。系统采用RS485 总线进行下位机和上位机之间的通信，通过主从式通信方式实现多点式温度数据的传输和实时监测[2]。

1.2 系统总体结构框图

系统的总体结构框架如图1 所示，包括下位机模块和上位机模块2 部分，其中下位机模块主要由单片机、热红外温度传感器以及信号调理电路等组成，负责对多个电气线路的温度进行非接触式测量，并将数据通过RS485 总线发送至上位机模块。上位机模块主要由计算机和数据监测程序组成，负责对多个电气线路的温度进行实时监测和预警处理，并在必要时向用户发出报警提示[3]。

图1 系统总体结构框架

2 下位机模块设计

2.1 系统硬件设计

下位机模块主要完成温度采集、处理和发送等工作，主要由单片机、红外温度传感器、信号调理电路等组成。

2.1.1 单片机的选型与原理

在该系统中，STM32F103ZET6 单片机被选作下位机控制器。首先，该单片机基于英国ARM 公司生产的Cortex-M3 内核，具有高性能、低功耗的32 位精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）处理器和512 kB 闪存等丰富的存储器，可支持复杂的应用程序。其次，该单片机具有多个通用用途的输入/输出（Input/Output，I/O）引脚、定时器、串口和控制器局域网（Controller Area Network，CAN）总线接口等丰富的外设接口，方便与其他设备进行通信，实现系统的实时监测与控制。此外，该单片机不仅可实现系统的低功耗运行，节省电源消耗，还具有完善的开发工具链和调试功能，易于开发和调试应用程序[4]。

2.1.2 热红外温度传感器的选型与原理

热红外温度传感器是一种通过测量物体辐射出的红外辐射能量计算物体表面温度的传感器，其工作原理基于斯特藩-玻尔兹曼定律，即物体表面的红外辐射能量与其温度成正比，且其辐射能量的波长范围为8 ～14 μs。因此，利用红外温度传感器可以实现非接触式的温度测量。

在选型方面，需要考虑传感器的测量范围、精度、响应速度、温度漂移等因素。选用的热红外温度传感器型号为MLX90614ESF-BCF-000-TU，具有测量范围广、高精度、响应速度快以及低温漂移小等优点，能够满足电气线路火灾预警的高要求。同时，该传感器的价格也比较适中，符合实际应用的需求。

2.1.3 信号调理电路设计

在该系统中，信号调理电路的设计分为2 部分：温度传感器电路和信号放大电路。温度传感器电路用于将热红外传感器检测到的温度转换为电压信号，而信号放大电路则将电压信号放大到合适的范围，以便后续处理。

在温度传感器电路方面，采用了环路反馈放大电路。该电路具有放大精度高、线性度好、稳定性强等优点，可精准检测传感器输出的微弱信号。此外，该电路采用了低噪声运放，有效降低了系统的噪声干扰，提升了信号的可靠性。

在信号放大电路方面，采用了差动放大电路。该电路具有抗干扰能力强、输出电压范围大等优点，能够满足系统对信号放大的需求。此外，该电路采用了高精度电阻和高精度运放，有效保证了信号放大的精度性和稳定性[5]。

2.2 系统软件设计

下位机系统的软件流程如图2 所示。

图2 系统软件流程

（1）系统初始化。系统初始化主要包括I/O 口、串口等外设的初始化配置以及系统变量的初始化。

（2）温度采集与处理。系统通过定时器定时触发红外温度传感器进行温度测量，将测量得到的模拟信号经过信号调理电路放大、滤波和转换为数字信号，并存储到系统变量。

（3）数据发送。系统通过串口将采集到的温度数据发送给上位机进行实时监测和预警处理。数据传输采用RS485 总线，通过主从式通信方式实现下位机和上位机之间的数据交互。在通信过程中，下位机作为从机接收上位机的命令和数据，上位机作为主机发送命令和数据给下位机。

3 RS485 通信模块设计

3.1 RS485 通信

RS485 是一种串行通信协议，具有高抗干扰性和长距离传输等特点。在本系统中，采用RS485 总线作为下位机与上位机之间的通信方式，其中下位机为从设备，上位机为主设备。通信采用异步通信方式，传输速率为9 600 b/s，采用Modbus RTU 通信协议，主要定义了数据的传输方式、数据格式以及数据帧的结构。通信帧包括地址码、功能码、数据区以及循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）码等，其中地址码和功能码指示了数据是由哪个设备发出和执行哪个功能，数据区包含了数据信息，CRC 校验码则用于验证数据的正确性。此外，系统采用星型拓扑结构，即每个从设备通过独立的双绞线连接到主设备，所有从设备共用一条总线。主设备通过发送指令的方式实现对各个从设备的数据采集和控制[6]。

3.2 通信步骤

上位机和下位机之间的通信步骤如下。

（1）上位机作为主设备，通过RS485 总线与下位机，即从设备进行通信，其中上位机发送查询以请求下位机的温度数据，而下位机则以响应的形式回复所请求的数据。

（2）查询帧包括起始位、地址位、控制位、数据位、校验位以及停止位，其中起始位始终为高电平，表示数据帧的开始，而停止位为低电平，表示数据帧的结束。

（3）下位机接收到查询后，收集温度数据并在响应帧中将其发送回上位机，响应帧也包括起始位、地址位、控制位、数据位、校验位以及停止位。

（4）当上位机接收到响应帧时，解析温度数据并实时在用户界面上显示，可以定期向下位机发送查询以持续监测电路的温度数据。

总的来说，RS485 通信模块提供了一种高效、可靠的方式，使上位机能够实时地与下位机进行通信，有助于通过及时检测温度变化来预防潜在的电气线路火灾。

4 上位机监测设计

上位机监测设计的模块如图3 所示，主要包括以下内容。

图3 上位机主要模块

（1）界面设计。上位机监测程序的界面设计主要包括数据监测界面和报警界面2 个部分。数据监测界面通过图表的方式实时显示各个电气线路的温度变化情况，同时提供历史数据查询和导出功能；报警界面则通过弹窗和声音的方式实现对异常温度的警报提示。

（2）数据接收与处理。上位机通过串口与下位机进行通信，接收下位机发送的温度数据。通过解析Modbus 协议中的数据区，获取各电气线路的温度值，并将其显示在数据监测界面上。同时，程序根据预设的温度阈值进行判断，如果有电气线路的温度超过阈值，就会触发报警机制。

（3）报警功能实现。当上位机监测到电气线路温度超过预设的阈值时，会触发报警机制。报警界面会自动弹出提示框，并发出声音警报。同时，程序会将该电气线路的温度信息记录在日志中。系统界面如图4 所示。

图4 系统界面

5 系统实验与分析

在本系统的实验中，使用了3 个电气线路实验样本，每个样本有多个测试点。在实验室环境下进行了测试，测试环境温度为20 ℃左右。

将实验样本接入系统，通过红外温度传感器采集温度数据，通过RS485 总线发送至上位机进行实时监测。在实验过程中，模拟了电气线路出现过载、短路和接触不良等故障情况，并观察系统是否能够及时发出预警。实验数据如表1 所示。

表1 实验数据

实验结果表明，本系统能够对电气线路进行高精度的温度测量，具有较高的稳定性和可靠性。在故障模拟实验中，系统能够及时发出预警信号，有效避免了火灾的发生。

6 结 论

文章设计了一种基于热红外温度传感器和RS485总线的电气线路火灾预警系统，具有非接触测量、多点实时监测、系统稳定可靠、可远程监控以及高效节能等优点，且实验结果表明该系统能够及时发出预警信号，有效预防火灾事故的发生。