1、 防触电消防安全指示灯设计及智能检测系统丁思远(合肥市第八中学,合肥 230071)收稿日期:2023-04-15作者简介:丁思远(2005-),男,主要从事机械电子设计与智能控制研究。摘要:针对公众场所中消防指示灯损坏后存在易触电的风险且得不到及时维修的问题,利用无线充电技术和物联网技术,设计了一种防触电消防安全指示灯。这种消防指示灯利用非接触无线充电原理工作,不再有高压接入,能彻底消除触电隐患。同时,在每个指示灯内部加入无线网络模块,智能检测指示灯的工作状态,当发生故障时,能在第一时间通过手机或电脑显示设备故障,以便管理人员及时维修更换。关键词:消防指示灯;防触电;无线充电;智能检测Fir
2、e Safety Indicator Light Design and Intelligent Detection SystemBased on Electric Shock PreventionDing Siyuan(Hefei No.8 Middle School,Hefei 230071,P.R.China)Abstract:Aiming at the risk of electric shock after fire indicator light is damaged in public places and cannot be repaired in time,an anti-el
3、ectric shock fire safety indicator light is designed by using wireless charging technology and Internet of Things technology.This fire indicator uses the principle of non-contact wireless charging,the indicator no longer has high voltage access,so it can completely eliminate the potential electric s
4、hock.At the same time,by adding a wireless network module inside each indicator,the working state of the indicator is detected intelligently.When a fault occurs,it can show which device is faulty through the mobile phone or computer for the first time,so that the management personnel can repair and
5、replace it in time.Keywords:fire indicator light;electric-shock safeguard;wireless charging;intelligent detection1问题的提出消防安全指示灯是公共场所应急照明的一种安全保障,用于指示安全出口和逃生通道的方向。目前,市场上的消防指示灯是 220 V 交流电的充电指示灯。消防指示灯内部电路没有安全的变压器隔离,电路板常处于高压工作状态,易造成高压触电事故。消防指示灯通常安装在公众场所,损坏率高,设备破损或电线破皮或金属外壳带电容易造成触电。电路采用了SincereTek(芯荃微)公司的
6、QW2882 应急灯专用驱动芯片,将停电检测、直流充电与保护、LED 升压驱动等功能集成于一个芯片上并支持市电直接供电。应急指示灯的电路工作原理是:指示灯直接接220 V 交流电,经过整流电路输出约 300 V 左右的直流电压供系统使用。平时,芯片内部设计的恒流充电电路对锂电池 B 进行充电,芯片的 EN 端关断,LED灯不亮,但当 220 V 交流电压消失时,芯片检测到市932023 年 6 月 灯与照明 第 47 卷第 2 期电断电,立即启动内部电池供电系统,让之前充电的电池驱动 EN 端和限流电阻 R 对放光二极管 LED 放电,点亮应急指示灯。虽然,这种专用的应急指示灯电路方案简单廉价
7、,但明显存在两个问题:1)应急指示灯的电源取自交流 220 V,内部没有经过隔离直接供后级使用,存在直流高压,如果应急灯金属外壳不慎与内部电线或电路板接触,很可能造成机壳带高压电,会造成人员触电风险;2)电路缺少必要的自检和报警功能,当电池失效或电路损坏时,维护人员不易发现该设备不能正常使用,一旦出现突然停电等紧急情况,应急灯很可能出现“失明”现象。虽然市面上有些应急指示灯带有检查按键,但需手动判断,加上指示灯并非日常使用,检查的有效性也明显不足。2系统设计方案鉴于以上分析,设计基于 iBeacon 的无线充电消防安全指示灯。消防安全指示灯供电采用无线充电模式,即在指示灯固定位置的墙面安装无线
8、充电模块和充电线圈,而在消防安全指示灯壳背面相对位置安装无线充电接收线圈和模块,当消防安全指示灯安装在所在位置时,无线充电系统工作,通过非接触方式给指示灯供电,同时对灯内电池充电。如果市电断电,无线充电器输入电压为零,接受端电压也为零,消防安全指示灯内部检测电路依靠电池驱动,开启应急照明。由于无线充电接收器输出的电压在512 V 之间,上述设计完全避免了安全指示灯内部的高压问题,杜绝了高压触电风险。同时,由于消防指示灯采用非接触供电,整体独立固定在墙面上,维修更换也更加方便。无线充电发射器是无线充电的重要组成部件,该部件输入:5V-2A,输出:5V-1A;充电功率:10 W;传输距离:28 m
9、m;执行标准:符合 Qi 无线充电标准;产品认证:CE/FCC/ROSH。该部件主要和直流供电器连接,安装在墙体内部,为防触电指示灯提供无线充电。工作原理如图 1 所示。无线充电接收器是无线充电的重要组成部件,该部件输入:5V-2A,输出:5V-1A;充电频率:110205 kHz,充电距离:28 mm;执行标准:符合 Qi 无线充电标准。该部件主要和防触电消防指示灯电路连接,通过无线充电获得电流和电压,再把电流和电压传给消防指示灯电路板。图 1 无线防触电消防指示灯原理框图设计的另一项功能是利用物联网对网上设备的跟踪巡检特性对安全指示灯实时检测。通过在指示灯的内部植入 iBeacon 蓝牙信
10、标模块,配合移动终端或电脑 APP,可及时发现安全指示灯设备故障。设计采用TI 公 司 高 性 能 CC2541 无 线 蓝 牙 芯 片,配 合SKYWORK 公司 22 dBm RFX2401C 射频放大器的蓝牙信标模块,模块通信距离可达到 300 m,在保证远距离通信的同时,抗干扰性和稳定性显著提升。iBeacon 信标模块的主要参数如下:工作电压是DC 23.6 V;工作频率是 2 4002 483.5 MHz;信道数量是 40;调制方式为 GFSK;输出功率为 22 dBm(可编程配制);发射电流是 108.2 mA(POWER=+20 dBm,与输出功率有关);接收灵敏度-103 d
11、Bm(High-gain 模式);接收电流是 25.9 mA(High-gain模式);待机电流是 1.5 uA(深度休眠,只能中断唤醒);传输速率 1 Mbps;芯片闪存为 256 KB(128 KB可选);芯片 RAM 为 8 KB;PCB 天线;通信距离300 m(22 dBm output power);存贮温度为-40 125;工作温度为-20 75;外形尺寸 15 mm25 mm2.1 mm(厚度包括屏蔽盖)。无线充电接收器同时给内部的无线 2.4G 通信模块供电,该模块具有唯一的 ID 识别号,附近的手机将检测到该通信模块并显示其正常工作图标。当系统出现故障或消防指示灯内部电池耗
12、尽或损坏时,无线网络通信模块不再发射信号,手机或者计算机显示屏上将显示该 ID 号消防指示灯出现故障,工作人员立即前去维修。物联网检测具有故障报告及时、设备始终在线、显示直观和定位准确的优点。通过移动端或电脑端APP 实时查看通信范围内各处应急灯的情况,APP既可通过蓝牙加入现存 ID 参数实现,也可编程定制,042023 年 6 月 灯与照明 第 47 卷第 2 期运用 App Inventor 图形化移动应用软件,针对学校教学楼环境应用,创新设计了“手机消防指示灯故障报警 APP”。3制作和验证新型防触电消防指示灯的制作与测试过程如下:1)将白色密度板切割加工,制作成 L 形,以模拟地面和
13、墙面。2)将垂直面的密度板一面开圆孔以放入发射器线圈,开方槽放入无线充电器电路板。无线充电板的输入连接 220 V 直流供电器,然后密度板两面贴合亚克力板,线圈用双面胶贴在亚克力板内面,以模拟墙内部分(见图 2)。图 2 无线充电器发射器电路(墙内部分)3)拆开普通的消防指示灯后盖板和边框,去掉220 V 线头,后盖板用相同大小的亚克力板代替。背板钻孔并将无线充电器接收线圈用双面胶贴在亚克力背板中间,无线充电器接收板贴在背板另一面,然后将无线充电接收板输出连接到升压模块的输入端,提供 5 V 电压,升压模块的输出端连接到消防指示灯原来电路板的 12 V 稳压输出点,用于电路供电和电池充电(见图
14、 3)。同时将无线充电板输出 5 V 电压的另外一路接上 2.4G 无线通信模块。该模块最初通过串口命令加以命名,如“教 2-301”代表第二教学楼301 教室旁边的消防指示灯。图 3 内部增加的电路模块4)在垂直的密度板(模拟墙面)上固定 2 个螺钉。按照收发线圈点对点位置钻左右挂孔,将消防指示灯嵌挂在墙面的螺丝上固定,实物完成(见图 4)。图 4 防触电消防指灯实物5)将 220 V 直流供电器插入电源插座,这时消防指示灯点亮,表面无线充电供电正常。6)运用 App Inventor 图形化移动应用软件设计“手机消防指示灯故障报警 APP”。打开手机 APP,全部的消防指示灯状态即显示在手
15、机上(见图 5)。图 5 消防指示灯故障报警手机 APP7)测试。让无线充电器工作一段时间,以便内部的电池获得一定的电能,这时取下消防指示灯,发现指示灯报警并维持一段时间后熄灭。与此同时,手机端在指示灯熄灭后,该灯的图标由绿色变为红色,显示出现故障。再次挂上消防指示灯,指示灯获得无线供电,立即恢复照明,同时手机端也会马上显示该灯的绿色图标。如果这时再次拔下 220 V 直流供电器,情况与上面相同。测试表明,防触电消防指示灯实现了预期功能,设计成功。4结论新型消防指示灯利用最新的无线充电技术,在普通消防指示灯功能基础上,增加了物理隔离防触电功能,安全系数高。运用物联网技术,设计了故障报警APP,
16、可以在手机端自动显示故障,实现无线巡检功能,及时发现问题,杜绝安全隐患。因此,特别适合人员比较集中的场所,更适合在学校安装使用。其中,无线巡检功能完全克服了数量和位置的问题,节约人力资源,降低管理成本,更重要的是可切实提高人身和社会安全。142023 年 6 月 灯与照明 第 47 卷第 2 期参考文献:1 刘文胜,谢再晋,周俊生,等.基于无线通信消防应急灯智能检测系统设计J.电子设计工程,2019(8):115-118.2 宋秦中,钱丽,许猛.基于电力线载波的 LED 消防指示灯的设计与实现J.工业安全与环保,2018(1):74-77.3 张飞,张磊,栗世尧,等.智能消防应急指示灯设计J.
17、科技资讯,2017(29):14-15.4 崔以田,郝润科,吴韧.智能集群控制消防应急指示灯的设计J.计算机系统应用,2011(11):203-206.(上接第 19 页)4结论综上所述,路灯作为城市发展的基础设施,应开辟绿色节能发展方向,加强智慧路灯建设,充分融入节能环保理念,满足照明需求的同时,最大限度减少能源消耗,为城市的可持续发展夯实基础。参考文献:1 谭冠铭.智慧城市建设中一体化景观路灯的环保性研究J.科学与财富,2019(9):241.2 王晶.城市路灯节能管理存在的问题及解决对策J.黑龙江科学,2019,10(16):108-109.3 王树彬,高爱,付国杰.节能环保型智能 LED 路灯控 制 系 统 设 计 研 究 J.科 技 风,2018(36):90.4 何小峰,何秀平.城市路灯照明节能方案及运行管理信息化研究J.科学与信息化,2018(29):172,174.5 吉星.城市路灯节能在路灯管理中的应用J.建筑工程技术与设计,2018(18):4872.6 刘美璠.城市道路照明节能问题及解决方案J.光源与照明,2020(8):33-34,39.242023 年 6 月 灯与照明 第 47 卷第 2 期