文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181757
中文引用格式： 岳云濤，賈佳，王靖波，等. 基于LoRa無線傳輸技術的電氣火災監控系統設計[J].電子技術應用，2018，44(12)：32-35.
英文引用格式： Yue Yuntao，Jia Jia，Wang Jingbo，et al. Design of electric fire monitoring system based on LoRa wireless transmission technology[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(12)：32-35.
0 引言
隨著現代化的日新月異，建筑物內部的電氣線路越來越復雜多樣，在給人們帶來便利的同時，由電氣故障引起火災事件的數量也在不斷增加。電氣火災監控系統可以通過監測線路的溫度、漏電流大小等對電氣火災進行預警。經過不斷發展，電氣火災監控領域有許多知名企業，這些廠家的電氣火災監控系統一般采用傳統的現場通信技術如CAN總線式傳輸。但在實際應用中電氣火災監控系統的安裝往往在樓體布線時間之后，存在布線困難的弊端，對于一些兼具藝術特性的建筑如文物古建，會影響其外貌美觀。本文擬研究一種基于超長距低功耗無線傳輸技術（Long Range，LoRa）的電氣火災監控系統，具有不用排線的優點，可以降低施工難度，更能保護建筑物原貌。
1 電氣火災監控系統構成及原理
本文所研究的電氣火災監控系統由溫度傳感器、剩余電流互感器、電氣火災探測器和監控主機組成[1]，系統框圖如圖1所示。
LoRa是一種采用擴頻技術的超長距低功耗的無線傳輸方式。通過測試比較發射功率均為1 W的ZigBee和LoRa無線通信模塊，ZigBee無線通信在穿一面墻時有效傳輸距離約為110 m；LoRa無線通信在穿10面墻時有效傳輸距離約為400 m。因此確定LoRa為最優無線通信方式。
當線路發生非正常漏電或短路現象時，電氣火災探測器通過溫度傳感器和剩余電流互感器對線路溫度和漏電流數據進行采集。數據經過A/D轉換、濾波、放大等處理后，若超過預設報警閾值，探測器主控芯片STM32F103判斷并上傳報警信息，同時顯示報警實時值。探測器和監控主機內均置有無線發射芯片SX1278，探測器通過LoRa無線傳輸技術將信號發送給監控主機發出報警并顯示報警部位及數據，從而值班人員可以盡快做出判斷采取措施預防電氣火災的發生。
2 電氣火災探測器的硬件設計
本文所設計電氣火災探測器的硬件系統主要包括MCU、無線通信電路、通信接口、供電電源和信號采樣電路。單片機分別與供電電源和信號采樣電路連接，并通過通信接口與無線通信電路連接[2]。
2.1 MCU
本設計采用意法半導體(ST)公司出品的STM32F103作為主芯片，它是一款基于ARM Cortex-M內核的32位微控制器，內置64 KB的程序存儲器以及高速SRAM，可以存儲報警信息。該芯片的工作電壓為2 V～3.6 V，工作溫度為-40 ℃～85 ℃，具有功耗小、運算速度快的特點，與無線模塊TTL電平連接，沒有中間電路，結構簡單，穩定性高，可以根據需求設置多種優先級使探測器的工作模式多樣化。
2.2 信號采樣電路
信號采樣電路包括信號采樣回路、信號濾波電路、運算放大器、基準電源、分壓電路和電壓跟隨器等。以測溫采樣回路為例介紹，如圖2所示。基準電壓Vref通過分壓電阻、開關管和外部溫度傳感器PT100，形成采樣回路。電壓跟隨器做緩沖級及隔離級，具有高輸入電阻、低輸出電阻的特點，可以使前、后級電路之間互不影響，降低所采集溫度信號的電壓干擾。采樣時單片機通過CHI控制開關管導通。在外部溫度傳感器上產生的電壓信號接入到信號濾波電路，經過運算放大器將電壓信號放大接入到單片機進行數據處理，連接電壓范圍為0.9 V~3.5 V[3]。
2.3 通信接口
經過MCU處理的數據信息可通過SPI通信接口傳輸給無線通信電路進行數據傳輸。圖3是通信接口的電路圖，R13是片式電阻陣列，R12~R14作為無線通信電路與MCU之間的連接，起到匹配阻抗的作用，可有效減少、消除高頻信號反射。NRESET引腳是復位引腳，可以初始化參數，低電平有效；MOSI、MISO是ISP同步串行接口，可以完成無線通信電路與MCU之間數據的發送和接收[4]。
2.4 無線通信電路
在電氣火災監控系統中，探測器與監控主機之間的通信是基于SX1278發射芯片采用LoRa無線數傳技術進行的，圖4是無線通信電路原理圖。SX1278是Semtech公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的RF收發器，用于超長距離擴頻通信，抗干擾性強，靈敏度可達-148 dBm，頻率范圍為137 MHz~525 MHz。晶振電路為系統提供時鐘信號，直流電源3.3 V經過濾波供電給無線芯片SX1278和功率放大器RFE2410C。采用第一匹配電路和第二匹配電路的形式組成收發電路，可有效提高無線通信的抗干擾能力和穩定可靠性。
2.4.1 發射電路
在發射電路中發送的數據經過濾波處理可以減輕外界高頻信號對其的干擾，降低信噪比。如圖5所示，C28與L8組成了串聯諧振電路，C31與L9、C33與L10組成了兩組并聯諧振電路，可以根據不同的通信頻率調整元件的參數以達到最佳發射狀態[5]。
2.4.2 接收電路
SAW Filter是聲表面波濾波器，可以過濾通信頻率外的信號，工作時輸入端由壓電效應將無線信號轉換為聲信號在介質表面傳播，輸出端由逆壓電效應再將聲信號轉換為無線信號。L12、L13、C36、C37組成了濾波電路，既可以對信號濾波也可以對電路進行無功補償。圖6是SX1278的接收電路。
3 無線電氣火災監控系統軟件設計
無線電氣火災監控系統的軟件設計是在Keil開發環境下采用C語言實現的。系統主要包括現場采集監控、無線通信、監控主機的接收與顯示三層[6]。
3.1 現場采集監控層軟件設計
現場采集監控層的主要設備包括溫度傳感器、剩余電流傳感器和電氣火災探測器等，可以采集并處理信號，同時具有報警顯示、數據存儲的功能。現場采集監控模塊的工作流程圖如圖7所示。上電后系統首先進行初始化操作，包括單片機和探測器的復位、屏幕的清屏和I/O口的配置等[7]。初始化完成后探測器發出啟動命令，溫度傳感器和剩余電流互感器進行數據采集，并與探測器預定閾值進行比較。若沒有超過預定閾值則返回繼續采集信號，若超過預定閾值則報警、顯示屏顯示報警數值并上傳數據。
3.2 無線通信軟件設計
SX1278有正常、喚醒、省電、休眠四種工作模式，通過在程序中對寄存器寫入指令來選擇相應的工作模式[8]。對發射芯片SX1278、系統時鐘、定時器、Flash等進行初始化，對載波頻率、擴頻因子、CRC校驗方式、信號帶寬、發送功率以及數據包結構進行設置[9]。在配置寄存器工作參數選擇工作模式后進入主循環程序進行數據的無線發送，每組數據發送成功后收發器將進入休眠模式等待下次指令從而降低功耗，如圖8所示。
3.3 監控主機軟件設計
監控主機與探測器之間通過自定義的協議棧采用LoRa技術收發數據。監控主機采用模塊化設計，運用調度算法保證報警與故障信息能實時顯示，可靠性高、維護方便、易于擴充。人機界面采用觸摸屏界面，具有良好的交互性，可以實現說明、設置、進入、退出等功能。探測器的數據上傳成功后，監控主機通過檢驗處理，顯示并發出報警信息，從而預警工作人員電氣火災發生的可能性，并具有記錄歷史數據的功能。在設置功能時，用戶可以對多個探測器的順序地址及報警值等數據進行設置。
4 測試結果
電氣火災探測器的采集底板和無線通信硬件電路板實物圖如圖9和圖10所示。監控主機的硬件電路板實物圖如圖11所示。在北京市通州區三教廟對所設計的無線電氣火災監控系統是否可以正常發送火災預警信號進行了測試，測試時將溫度傳感器的報警閾值設置為60 ℃，剩余電流互感器漏電流報警閾值設置為300 mA，電氣火災探測器和中繼器分別與電腦相連使用串口調試助手發送數據，經過測試所設計基于LoRa無線傳輸技術的電氣火災監控系統穿3堵墻時最遠通信距離可達1.2 km無丟包，系統反應靈敏，可以滿足對電氣火災無線預警的要求。
5 結論
本文設計了一種基于LoRa無線傳輸技術的電氣火災監控系統，可以在無需布線、不破壞建筑物原貌的條件下對線路溫度及漏電流進行實時監控從而預防電氣火災的發生。經過測試，本系統信號傳輸性能可靠，監控主機顯示數據準確。該研究為實現電氣火災的無線監控報警在文物建筑中的應用提供了理論與技術支撐。
參考文獻
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作者信息:
岳云濤1，賈 佳1，王靖波2，王 昊1
（1.北京建筑大學 電氣與信息工程學院，北京100044；2.中國建筑科學研究院建筑防火研究所，北京100013）