CN103310579A

CN103310579A - 基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置

Info

Publication number: CN103310579A
Application number: CN2013102913433A
Authority: CN
Inventors: 汪书苹; 范明豪; 杜晓峰; 李伟; 武海澄; 王贻平; 陈锋
Original assignee: ANHUI ACADEMY OF ELECTRIC POWER SCIENCES
Current assignee: ANHUI ACADEMY OF ELECTRIC POWER SCIENCES; Electric Power Research Institute of State Grid Anhui Electric Power Co Ltd
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-07-11
Also published as: CN103310579B

Abstract

本发明涉及一种基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置，包括复合式探测器和监测主控机，两者之间通过Zigbee技术构建的无线网络进行数据相互交互。其中复合式探测器包括内置的多个传感器、信号处理模块、CPU模块、无线通信模块及电源模块；监测主控机包括输入模块、输出模块、显示模块、CPU模块、无线通信模块及电源模块。本发明采用多个传感器全面采集火灾发生的异常信息，大大提高了电力场所火灾自动报警的准确性，通过ZigBee无线通信进行数据传输，避免了现场复杂通信布线程序，装置简单、可靠，有效提高了数据传输速度。

Description

基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置

技术领域

本发明涉及一种电力场所火灾探测技术，具体地说是一种基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置。

背景技术

电力场所包含大量的电力设备和设施，如油浸变压器、油开关、电容器、电缆、蓄电池、低压线路、配电装置、控制设备、电子设备、控制室等，这些设备或设施含有大量的可燃物，如变压器油、开关油、聚氯乙烯等有机聚合物的电线电缆护套、绝缘纸板、蓄电池释放的氢气、控制室的装饰材料等。随着用电量的增加，电力设备和实施的利用率增加，有的运行寿命较长，当运行中出现短路、故障、过载、漏电等状况时，容易发生火灾，严重威胁电力的安全运行。一直以来，国内外发生的大大小小电力火灾屡见不鲜，每一次火灾都给人身安全和社会经济造成巨大的威胁。因此，电力的发展对电力的安全性提出了更高的要求，早期及时准确的探测并报告火灾隐患是预防火灾发生、提高电力安全的重要途径。

目前电力场所火灾探测报警装置以普通的感烟、感温型复合式探测器为主，该复合式探测器只针对单一参数温度或烟雾进行探测。实际上电力场所火灾初期及火灾的不同发展阶段会产生各种如温度、烟雾、湿度、SO2、HCl、NOx、CO、CO2等特征信号，显然目前常用的感温、感烟复合式探测器无法有效地探测各类火情及火灾信号，容易造成漏报或误报。另外，目前电力场所火灾探测报警系统的通信及数据通过采用现场布线的方式进行传递的，这种方式不仅占用空间大，而且网络布线错综复杂，增加了探测报警装置的复杂性与成本，降低了系统的可靠性。

基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置，实现对电力场所火灾不同发展阶段的特征信号进行多元全面同步探测，并对探测到的多元参数进行及时的同步处理与分析，大大提高了电力场所火灾预警的效率性和准确性。另外随着无线网络的发展以及对电力场所布置的要求越来越高，系统内数据的传输采用无线网络通信技术，避免了复杂的布线程序，简化了火灾探测报警装置结构，提高了装置的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置，一方面实现早期及时而又准确的自动探测电力场所火灾信号，避免并减少电力火灾的发生，提高电力的安全性；另一方面实现对电力场所火灾不同阶段特征信号的辨识，方便采取相应的灭火措施高效灭火，减少火灾损失。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

其特征在于：包括复合式探测器、监测主控机及无线通信网络，其中：

复合式探测器集信号接收与处理于一身，每个复合式探测器包括内置的多个传感器、信号处理A/D模块、CPU模块、无线通信模块及电源模块。

传感器是针对电力场所火灾特征参数的传感器，包括温度、烟雾、湿度、SO₂、HCl、NO_x、CO、CO₂等多种参数传感器，另外还包括用于对现场可见光进行视频监控的视频传感器，这些传感器互为补充，选择其中任意两种或两种以上类型的传感器协调地复合在一个复合式探测器中，形成多种包含多维参数传感器的复合式探测器，实施多元参数的同步探测；

监测主控机包括输入模块、输出模块、显示模块、CPU模块、无线通信模块及电源模块；

无线通信网络包括复合式探测器及监测主控机的无线通信模块，无线通信模块是基于ZigBee无线通信技术，每个传感器之间和复合式探测器与监测主控机之间数据通过无线通信模块进行相互传递。

进一步，所述复合式探测器的CPU模块负责接收与发送传感器采集到的信号，CPU模块以单片机为核心，且该CPU模块具有RAM扩展功能及看门狗保护功能。

所述监测主控机CPU模块是基于ARM9技术的CPU模块,对复合式探测器的CPU模块传输过来的多维数据按照一定算法进行综合处理，做出有无火灾及火灾危险性的判断，并结合输入模块的手动参数设置，将显示的信息及动作内容分别传递给显示屏和输出模块。

所述信号处理A/D模块用于将现场探测到的不同类型火灾模拟量参数转换成便于CPU单片机处理的数字信号。

所述输入模块用于人工手动输入设置参数，设置报警阀值、显示模块显示与否及显示信息、输出模块工作与否及输出内容等。

所述输出模块用于进行声光报警及消防联动动作，当探测到的火灾信号超过设置的报警阀值时，输出报警信号，消防联动装置通过与监测主控机预留的RS485接口相连接备用，需要时随时启动消防联动工作。

所述显示模块通过显示屏负责显示电力场所火灾特征信号、特征参数值、报警阀值以及其他相关报警信息等。

所述电源模块与CPU模块相连，分别给复合式探测器的CPU模块及监测主控机CPU模块供电。

本发明与现有技术相比，技术优点在于：

1.复合式探测器中CPU模块扩展功能强，可以将多个特征参数的传感器包括视频传感器可以任意组合后复合在一个复合式探测器中，实现了火灾多元参数的同步探测和视频探测，从而对电力场所包含温度、湿度、SO₂、HCl、NO_x、CO、CO₂等在内的火灾发展各阶段的特征信号进行全面检测，避免了漏报、误报；

2.监测中控机的CPU模块能将传输过来的多种电力火灾信号进行融合并按智能算法判断火灾情况，不但大幅度降低了误报率，而且对不同类型的火灾都具有较高的灵敏度；

3.复合式探测器之间的数据及复合式探测器监测主控机的之间的数据都是进行无线传输的，避免了复杂的布线工序，大大简化了火灾探测装置结构，提高了系统可靠性；

4.监测主控机具有良好的人机界面交互和网络通信功能，为工作人员提供足够的火灾信息及方便的输入、输出、查询等操作手段。

附图说明

图1示出了本发明的电力火灾复合探测装置整体结构框图；

图2示出了本发明的复合式探测器的功能框图；

图3是本发明的采用的看门狗芯片与CPU模块之间的电路连接图；

图4示出了本发明的电力火灾复合探测装置的信号无线传输路径示意图；

图5示出了本发明的监测主控机组成结构框图；

图6是本发明的火灾探测数据融合算法过程；

图7示出了本发明的电力火灾复合探测装置的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置整体结构框图如图1所示，包括若干复合式探测器1，2，...，n、监测主控机及基于2.4GHz的无线通信模块4，复合式探测器1，2，...，n的个数n按现场布置实际要求决定。为避免电力火灾复合探测装置的漏报、误报，电力火灾复合探测装置对电力火灾不同发展阶段的特征信号进行全面探测，同时对现场可见光进行视频监控，因此现场应设置温度、烟雾、湿度、SO₂、HCl、NO_x、CO、CO₂及视频等多种类型的传感器，每个复合式探测器1，2，...，n中至少内置2种类型的传感器。对烟雾而言，传感器采集的特征参数是烟雾是否存在。对气体而言，传感器采集的特征参数是气体的浓度。在一个优选的实施例中，无线通信模块4选用ZM2410P2，该无线通信模块内嵌串口透明传输（点多点和点对多点）通讯协议，只需发送AT指令就可轻松实现无线数据接发，采用ASCII码作为传输数据流编码格式实现无线通信，且支持空中升级固件或配置远程模块信息。无线通信模块4通过ZigBee网络实现数据传输。

复合式探测器1，2，...，n任意一个的功能框图如图2所示，包括内置的多个传感器21-1，21-2，…，21-m、信号处理A/D模块20-1，20-2，…，20-n、CPU模块21、无线通信模块4及电源模块10，传感器个数m取决于火灾特征信号的个数。复合式探测器1，2，...，n中各传感器21-1，21-2，…，21-m采集到的模拟信号，通过信号处理A/D模块20-1，20-2，…，20-n转换成复合式探测器的CPU模块21方便处理的数字信号后，传输给复合式探测器的CPU模块21，再通过无线通信模块4传输给监测主控机3。在一个优选的实施例中，信号处理A/D模块选用ADS1110，复合式探测器1，2，...，n的CPU模块采用S08D260。

复合式探测器的CPU模块21外接保护数据的看门狗，防止原始数据被篡改，且根据需要用于扩展复合式探测器1，2，...，n中的传感器个数。在某些情况下，所述复合式探测器中不仅包括一个或几个传感器，而是一次集成更多个（例如十几个）传感器，用来同时测多种火灾信号，这时候往往CPU模块21自带的RAM无法满足储存大量的数据。因此，CPU模块21必须具备外部扩展RAM功能。

需要注意的是，上述扩展不能没有限制：考虑到成复合式探测器的CPU模块接收信号能力及数据传输速度，本发明的优选的实施例中，每个复合式探测器1，2，...，n中传感器个数不超过20个，即能对不多于20种的火灾信号特征参数进行同步探测。

在一个优选的实施例中，CPU模块21采用具有中断引脚和复位引脚的单片机或微处理器。看门狗采用MAX708芯片。MAX708是一种微处理器电源监控和看门狗芯片，可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号。复位信号可由VCC电压、手动复位输入，或由独立的比较器触发。域值为1.25V、用于电源失效或低电源警告的独立比较器可用于监视第2个电源信号，为处理器提供电压跌落的预警功能。这一功能是为器件发出复位信号前的正常关机、向操作者发送警报或电源切换及数据保护而考虑的。其与CPU模块21的连接电路图如图3所示。其中，V_DC是未经稳压的电源，V_CC是经过稳压的电源，MAX708右侧的芯片为CPU模块21。

传感器之间的数据无线传输及复合式探测器1，2，...，n的CPU模块21与监测主控机3之间的数据传输路径如图4所示，以采集温度、烟雾、湿度、SO₂、HCl、NO_x、CO、CO₂共8种电力火灾信号为例，分别采用无线通信模块4-1，4-2，4-3，4-4，4-5，4-6，4-7，4-8采集这8种电力火灾信号的特征参数。通过ZigBee无线网络，各无线通信模块4-1，4-2，4-3，4-4，4-5，4-6，4-7，4-8之间信号能进行相互传输，而且以最短路径快速传输给监测主控机3。

监测主控机3的具体组成结构框图如图5所示，包括输入模块42、输出模块44、显示模块43、CPU模块41、无线通信模块4及电源模块40。监测主控机3的CPU模块41是采用ARM9内核的CPU模块，CPU模块41接收复合式探测器1，2，...，n传输过来的探测信号，进行融合并按现有技术中广泛采用的各种智能融合算法，根据实际复杂程度和判断时效要求等，优选某种智能融合算法来判断火灾情况和火灾危险性。在一个优选的实施例中，监测主控机3的CPU模块41选用MK60DN512ZVLQ。在另一实施例中，监测主控机3的输入模块42为键盘或若干按键，输出模块采用液晶显示器。

通过输入模块42的手动设置多种电力场所火灾的特征参数的报警阀值、显示模块43显示与否及其显示信息、输出模块44工作与否及其输出内容等。相关火灾信息（包括火灾特征信号、特征参数值、报警阈值、出现火灾危险或火情时间等）通过显示模块43明确显示出来，使工作人员明确火灾情况，并且由输出模块44进行报警。另外CPU模块41预留与消防联动装置进行通讯的RS485接口45，控制消防联动装置在需要时随时启动消防联动工作。所述消防联动装置包括自动喷头（喷水和/或泡沫）、卷帘门、消防泵、喷淋泵、排烟风机、送风机、风口、排烟阀、电梯控制装置、强电切换装置等。在一个优选的实施例中，监测主控机3的RS485接口45连接的是继电器，通过该继电器控制消防联动装置的动作。

本发明中的智能融合算法采用的是现有技术中公知的多源信息融合算法。具体应用到本发明中，火灾探测数据信息融合计算过程如图6所述。融合计算过程包括信息层、特征层及决策层。各层的设计思路为：信息层负责现场原始数据的采集，现场信息数据为温度、烟雾、CO、HCl、SO₂、NO_x、CO₂、湿度，其中火灾发生前及火灾刚发生时的现场主要信号为温度、烟雾、CO、HCl，火灾已发生及发生后现场主要信号为SO₂、NO_x、CO₂、湿度。由于现场信号为模拟量，容易受到周围环境的干扰不稳定，需要进行一系列的处理如滤波、放大等，分别处理成特征层接收的x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆、x₇、x₈。特征层对信息层的输出信号利用神经网络算法进行融合：对于火灾发生前或火灾刚发生时，将火灾辨识成明火概率y₁、阴燃火概率y₂及无火概率y₃；对于火灾已发生或发生后，由于火灾会对现场设备及人员产生危险，因此将火灾辨识成设备危险概率y4、人员危险概率y5。特征层输出的火情及危险概率具有一定模糊型，尤其是三种火情概率或火灾危险性概率值均在50%附近时，很难判断当前的火情及危险性，因此需要将这些可能带有模糊性的信息送入决策层进行模糊化推理，输出火灾发生最终概率p₁和火灾危险危系数p₂。信息层、特征层及决策层这三层的具体设计和实施是本领域技术人员根据多源信息融合算法能够在不付出创造性劳动的前提下容易实现的，在此不作冗陈。

本发明的电力火灾复合探测装置的工作流程图如图7所示。首先通过复合式探测器1，2，...，n内的传感器采集电力场所火灾信号特征参数，信号特征参数传输到监测主控机3的CPU模块41后经处理并判断火情。如果判断出起火立即进行报警。因火灾初期主要以温度升高或释放出大量烟雾为明显信号特征，所以如果没有起火但检测出的温度或烟雾浓度升高且超过报警阀值，也立即进行报警。根据现场情况如有必要，启动消防联动装置。如果无火情或检测出的温度或烟雾浓度没有超过报警阀值，不进行报警，继续监测。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解及应用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易对这些实施例做出各种修改，并把此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例。本领域技术人员根据发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围内。上述实施例中给出的是针对本发明请求保护的技术方案的一种实施方式中采用的器件型号，实际上本发明请求保护的装置并不局限于以上型号的器件。用户可以选择其他具有类似功能的产品来代替。

Claims

1.一种基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置，其特征在于：包括复合式探测器、监测主控机及ZigBee无线通信模块，复合式探测器和监测主控机通过所述ZigBee无线通信模块进行通信，其中，

所述复合式探测器包括：信号处理A/D模块、CPU模块、电源模块、ZigBee无线通信模块，及内置的多个传感器；所述传感器采集电力场所火灾特征信号和视频信号；所述复合式探测器的CPU模块负责接收与处理传感器采集到的信号；

所述监测主控机包括：输入模块、输出模块、显示模块、CPU模块、电源模块及ZigBee无线通信模块；所述监测主控机的CPU模块根据复合式探测器的CPU模块传输过来的多维参数，做出有无火灾及火灾危险性的判断，并结合输入模块的手动设置，将显示的信息及动作内容分别传递给显示屏和输出模块；

所述ZigBee无线通信模块，实现所述每个传感器之间和复合式探测器与监测主控机之间的数据的相互传递。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置，其特征在于：所述复合式探测器的CPU模块以单片机为核心，且该CPU模块具有RAM扩展功能及看门狗保护功能。

3.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置，所述传感器选自下述传感器中的两种或两种以上，以形成多种包含多维参数和实施多元参数的同步探测：用于采集电力场所火灾特征信号的特征参数的传感器，所述特征参数包括温度、湿度，以及烟雾、SO₂、HCl、NOx、CO、CO₂的有无或浓度，还包括用于对电力场所现场可见光进行视频监控的视频传感器。

4.根据权利要求1-3之一所述的基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置，所述输入模块用于手动输入设置参数，设置报警阀值、所述显示模块显示与否及其显示信息、所述输出模块工作与否及其输出内容。

5.根据权利要求1-3之一所述的基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置，所述显示模块显示电力场所火灾特征信号、特征参数值和报警阀值、出现火灾危险或火情时间。

6.根据权利要求1-3之一所述的基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置，所述输出模块进行声光报警及消防联动动作，当探测到的火灾信号超过设置的报警阀值时，输出报警信号，控制消防联动装置在需要时随时启动消防联动工作。

7.根据权利要求1-3之一所述的基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置，所述信号处理A/D模块用于将现场探测到的不同类型火灾特征信号的模拟量转换成便于CPU模块处理的数字信号。

8.根据权利要求1-3之一所述的基于ZigBee无线通信的电力火灾复合探测装置，所述监测主控机的CPU模块采用ARM9内核。