基于4G网络的主动探测预警机柜灭火系统的设计.pdf

Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 7 基于基于 4G 网络的主动探测预警网络的主动探测预警机柜机柜灭火灭火 系统的设计系统的设计 殷正保（宜昌测试技术研究所，湖北宜昌 443000）摘 要：为实现机柜火灾智能化的监控与报警，基于 4G 网络开发出一种能够主动将机柜火灾烟雾吸入，在探测器内部以高灵敏度的烟雾传感器探测火灾的技术路线，实现 4G 传输到指定终端进行火灾初期或者火灾初发阶段的预警。形成了一款基 4G 网络的主动探测预警机柜灭火系统，可实现轨机柜火灾的主动探测与定点传递信息。从而达到尽早实现机柜火灾预警、扑灭火灾、降低经济损失和人员伤亡的目的。关键词：4G 网络 主动探测 智能灭火 单片机 中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-0007-04 Design of active detection and early warning cabinet fire extinguishing system based on 4G network Yin Zhengbao(Yichang Testing Technique Research Institute,Yichang 443000,Hubei,China)Abstract:In order to realize intelligent fire monitoring and alarm for cabinets,a technical route is developed based on 4G network,which can realize detect fire with high-sensitivity smoke sensor inside the detector,actively inhale fire smoke,and achieve the expected goal of 4G transmission to the designated terminal for early warning of fire or fire initial stage.An active detection and early warning fire extinguishing system for cabinet based on 4G network is designed and developed so as to realize active detection of fire and fixed-point transmission of information.In this way,fire early warning,fire extinguishing,reducing economic losses and casualties can be achieved as soon as possible.Keywords:4G network;active detection;intelligent fire extinguishing;single chip microcomputer 0 引言引言 机柜作为目前通信等弱电系统中最普遍、数量最多的设备之一，遍布人类生活、工作的各个场所，其内部复杂的电路网络及较多的各类用电元器件，在使用过程中不可避免出现各类火灾隐患。而机柜相连接的线路大多直通用户或者其他建筑物内部，机柜火灾将直接导致更大的火灾，进而引起巨大的人员伤亡和经济损失。收稿日期：2022-10-17 作者简介：殷正保(1984-)，男，高级工程师。主要研究方向为舰船电子对抗，消防工程。E-mail: 火灾探测与报警系统作为机柜火灾控制与灭火救援工作的重要技术与手段，由于其不能主动探测，仅能被动接收火灾信息，造成火灾报警与救援、灭火时间滞后，在一定程度上影响了机柜火灾灭火与救援工作。目前对火灾的研究主要集中在火灾救援及火灾报警等方面1-3，而机柜火灾的最佳灭火时间是火灾初发阶段，在初发阶段由于烟雾浓度不大、火灾症候不强、温度辐射范围较小等特点，诸多的被动接收烟雾的火灾报警装置无法及时发挥作用4-7，从而往往错过了机柜火灾救援与灭火的最佳时间。然而，目前建筑行业的不断发展、地下空间船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 8 的不断延伸、交通运输工具的不断提速、人类活动范围的不断扩大，为实现通信便利，布设在不同地点的机柜出现火灾都会产生较大的人员伤亡与经济损失，因此为了提升火灾报警的时效性，急需一种能够在火灾发生的初期阶段能够主动探测火灾的系统装备解决火灾探测仅能被动接收的窘境。为此，本文以基于 4G 网络传输的一体化系统主动探测火灾，并实现在火灾初期通过主动吸入探测浓度不高的火灾烟雾，实现在火灾初期阶段对火灾的预警与灭火，降低火灾损失与危害。1 系统组成与功能介绍系统组成与功能介绍 1.1 系统架构 为实现在机柜火灾初期阶段主动探测烟雾预警火灾，拟开发的火灾初期阶段主动探测系统是一款安装在封闭式机柜中，能够在机柜内部发生火灾初期阶段主动探测火灾，并进行灭火的分立式紧凑型单元一体机。通过吸气风扇将机柜内部气体吸入到主动探测器内部，利用高敏感烟雾传感器进行火灾主动探测，传感器根据预设定的机柜火灾特性进行敏感参数调节，据此可实现系统可在第一时间主动探测到初期阶段的火灾，并且智能化采取可靠的灭火措施，降低火灾引起的灾害和损失8-12。同时，本系统内置自查功能，通过内置的模块实现系统通信自查，确保将技术故障引起的停工时间并将后续损坏减至最低。系统主要架构包括：主控板、应急电源、电源管理单元、主动探测吸气风扇、感烟探测器、感温探测器、气体压力变送器、储气罐、用户交互前面板、前面板灭火喷嘴、以及后面板上的主动探测排气口和预留的通信接口。系统的架构框图如图 1 所示。1.2 功能阐述 系统在正常工作时，主动探测吸气风扇将机柜内部气体经过后面板的吸气口吸入管道系统，吸入空气样本，经过感烟器和感温器采样，发送信息到主控板进行处理。当达到一级火灾预警标准时，系统会在前面板液晶显示器（前面板 LCD显示器）上显示警报情况，必要时控制可选择的声光警报装置。当达到二级火灾预警标准时，在预定时间后触发释放装置，打开气阀通过喷嘴释放储气罐中的灭火器气体达起到灭火的作用。储气罐中灭火剂装料情况通过集成在储气罐上的气体压力变送器发送至主控板，主控板将储气罐中灭火剂可用量信息显示在前面板的液晶显示器上（前面板 LCD 显示器）13-14。图 1 一体式主动灭火机组成框图 系统的电源可以从 2 个来源来获得。其中一个来源是外部主电源供电，它同时也为应急电源的电池充电。另一个来源是应急电源，应急电源和主电源并联，在主电源可用时对应急电源充电，当主电源受外界影响不能正常使用时智能切换到应急电源，为系统供电保证系统正常使用。充电完成的应急电源可以保证让系统 4 小时无间断运行。系统当前运行状态的控制和显示主要通过主控板和前面板 LED、LCD 来实现。利用 LED 指示灯和 LCD 显示器显示当前的状态。LED 用来显示综合状况，而单独的状况则以纯文字的形式详细地显示在 LCD 上。如果存在几条信息，可使用前面板的用户按键控制 LCD 光标键进行切换。现有的信息根据优先级和到达次序进行整理。如果在规定时间内不使用光标键，显示器将切换回正常状态。系统运行状态通过前面板的 LED 进行显示，与 LCD 的内容无关，与控制 LCD 按键无关。它始终显示当前的系统状态。除此之外还设置有用于复位系统的按键。前面板 LCD 显示器：主要有待机显示和人机交互界面两大功能。待机显示时，界面负责系统Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 9 运行状态、系统运行过程中事件等信息的显示。人机交互时，界面主要显示控制主菜单，包括设置系统时间、手动校时、配置 GSM 用户、查询历史事件、查询电池电量等信息。前面板 LED 指示灯：通过设置不同颜色的LED 灯进行系统的工作状态指示、机柜门状态显示、储气罐状态显示、电源状态显示等功能。用户按键：实现手动自动模式切换、紧急报警启停、LCD 菜单控制等功能。电源：电源包含主电源、应急电源，主电源除了为系统供电，还应具备能够为应急电源充电的功能。传感器：系统内置的感烟型传感器主要探测火灾特征气体，感温型传感器主要测量现场温度，压力传感器检测罐体内压力。主控电路板：主控电路板是本系统的核心，主要实现传感器数据的处理和任务的调度等工作。2 系统实现技术方案系统实现技术方案 系统的总体框图如图 2 所示，主要可以分为主控单元、数据采集单元、数据存储单元、数据显示单元、通信单元等。主控单元是以 Cortex-M4内核单片机为核心的最小系统，数据采集单元主要包含烟雾浓度采集、温度采集、电池电压采集数据存储单元使用 EEPROM 芯片来记录系统运行过程中发生的事件、数据显示单元采用 LCD 显示操作界面以及实时数据。图 2 系统总架构图 2.1 系统硬件方案 为实现上述系统功能，系统主控芯片采用Cortex-M4 内核单片机，其主要参数如下：拥有大容量的存储器，内部自带 PLL 模块，主频能够得到灵活配置足以满足性能需求；自带多个多通道高精度的 ADC 外设，可满足不同的需求；拥有多个高精度的定时器，可提供精确的定时；拥有多路高速 GPIO，且每一个 GPIO 可以复用成不同的外设引脚；内置 I2C，SPI，USART，CAN等通讯协议接口，可扩展性强；内置 RTC 模块，可为系统提供系统时钟15-16。烟雾探测通过采用高精密管路采样式、高灵敏型吸气式感烟火灾探测模组，可根据需要预设置灵敏度、风速等参数，探测原理为激光散射原理，可探测多种材料产生的各种烟雾，具有宽范围粒子直径探测的特点。温度探测通过采用 DS18B20 数字温度传感器，具有宽电压、接口简单的特点，测温范围-55+125，并且在-10+85温度范围内，探测精度可达 0.5；可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，可实现高精度的温度探测；在 9 位分辨率时最慢工况下可实现在 93.75 ms 内把温度转换为数字，12 位分辨率时最慢工况下可实现在 750 ms 内把温度值转换为数字，测量结果直接输出数字温度信号，并将温度信号以单总线串行传送给 CPU，同时可实现传送 CRC 校验码，具有极强的抗干和扰纠错能力；DS18B20 输出的数字信号经过解析后可直接得到环境温度。储气罐压力检测通过气压变送器实现，变送器可直接输出 4 mA20 mA 的电流或者 05 V 的电压信号，且可以采用螺纹安装方式安装在储气罐上，体积小巧接口简单、易于使用、方便维修。变送器输出的信号经过处理，可直接被主控芯片的片上 ADC 采集。应急电源的电池状况检测，本方案直接采用电源管理模块实现，电源管理模块可和主控板直接通信，将电池的信息直接发送给主控板。LCD 采用 SMR312-D 型液晶，该液晶具有宽电压（3.3 V5.0 V），工作温度（-40 85）。自带字库，采用 SPI 接口，操作简单，性能稳定，安全可靠，使用寿命长且稳定。船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 10 4G-GSM 模块采用 SIM-800C 模组，该 4G 模组可通过 UART 控制，支持 AT 指令，技术成熟，成本较低，易于开发。3 结论结论 在研究与分析了机柜火灾中被动接受与火灾中后期方能实现灭火的火灾探测与灭火系统的现状基础上，设计了一种基于 4G 网络的机柜火灾主动探测预警灭火系统，改变传统机柜火灾监控系统被动接收火灾烟雾等信息的状态，通过一体机设置的吸气风扇将外界气体主动吸入探测器进行监测，提高烟雾传感器探测烟雾的时效性。并在系统内设 4G 模块，可指定终端实现远距离传输，及时将火灾现场信息外传，实现火灾初期阶段的预警、预报，尽早扑灭机柜火灾，降低人员伤亡和经济损失。参考文献参考文献:1 何勇军,易欣,等.煤矿井下电气火灾智能监控与灭火技术综述J.煤矿安全,2022,53(09):55-64.2 李德方,古亮,等基于超融合云网络环境的持续丢包主动探测系统J.计算机系统应用,2022,31(09):99-113.3 陈皓.一种基于 4G 网络的电梯智能监控与预警系统的设计J.中国电梯,2022,33(17):69-72.4 徐崇奇,解建国,等.基于 STM32 的智能火灾监测及灭火系统设计J.河南科技,2022,41(08):29-33.5 柳浩.基于多传感器的火灾监测及智能灭火系统研究D.淮北师范大学,2021.6 朱雪建,俞梁英,等.基于 51 单片机的电动车智能充电桩自动灭火系统设计J.轻工科技,2020,36(11):49-51+70.7 王炎波,李乾坤.大空间智能灭火系统在高铁站房施 工 的 技 术 应 用 J.铁 路 技 术 创 新,2020(05):88-91.8 赵玲峰,张俊翔,许潮.基于 IAP15F2K61 智能循迹灭火系统的设计J.现代电子技术,2020,43(13):147-149.9 徐蔓,张铷钫.基于 STC89C52 单片机及 PLC 的家庭智能火灾报警灭火系统J.电声技术,2019,43(04):53-54+57.10 韩晓冰,刘小斌.基于 FPGA 的智能火灾报警与自动灭火系统J.西安科技大学学报,2018,38(05):818-823.11 孙斌.固定消防炮与大空间智能灭火系统在不同场所中的应用J.消防界(电子版),2018,4(08):56-57.12 刘煜.基于贝叶斯网络的车载电池舱智能灭火系统研究D.长安大学,2018.13 李焕宏,汤立清,凌文祥.智能管网式干粉灭火系统J.消防科学与技术,2018,37(01):53-54+58.14 朱贵宪.基于 STC89C52 单片机控制的智能灭火系统 设 计 J.电 脑 知 识 与 技 术,2017,13(16):211-212+236.15 肖明俊,祝玲,张生文.基于 51 单片机家居智能灭火机器人灭火系统的设计J.硅谷,2013,6(09):14+12.16 朱海明.基于 PLC 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