劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：電氣火災在我的火災事故中占比較高，而當前主流的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)基于有線組網(wǎng)的方式，存在部署難度大、成本高、網(wǎng)絡化水平低以及數(shù)據(jù)可視化不足等問題。 本文設計實現(xiàn)了種支持無線通信的多傳感器組合獨立式電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，使用A9G GPRS 模組作為主控制器和通信模塊，采用SDK二次開發(fā)，無需外接MCU，支持MQTT、CoAP、HTTP 三種通信協(xié)議；監(jiān)控平臺選用Spring Boot 框架，使用Spring Cloud 實現(xiàn)基于微服務架構的分布式系統(tǒng)，具有用戶權限管理、數(shù)據(jù)可視化分析、自動報警、消防聯(lián)動等功能。 經(jīng)測試，該系統(tǒng)對漏電流和溫度檢測精度較高，具有較好的推廣價值。

關鍵詞：電氣火災監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)；A9G SDK 二次開發(fā)；微服務架構

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，2011~2016 年， 我共發(fā)生電氣火災52.4 萬起，對人民的生命財產(chǎn)造成了巨大威脅和損失，政fu對此高度重視，并開展了為期三年的電氣火災綜合治理工作， 從 2017 年5月開始至2020年4月結束。

電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)能夠對電氣線路 異 常 及時預警，可以有效避免電氣火災的發(fā)生。 目前大部分電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)采用有線組網(wǎng)的方式，如RS232、RS485、CAN 等總線組網(wǎng)和局域集中上位機管理的方式，系統(tǒng)部署示意圖如圖 1，需要在每個相對隔離的配電區(qū)域安裝有線組網(wǎng)的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，造成布線難度大的同時，每個區(qū)域都需要專人看管，進而造成了人力資源的浪費；在歷史數(shù)據(jù)展示上通常也難以實現(xiàn)圖形化顯示，用戶不能快速直觀地了解監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)信息。

圖 1 傳統(tǒng)電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)部署示意圖

為此，本文設計實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)以解決上述問題。

1 系統(tǒng)總體架構

本系統(tǒng)按物聯(lián)網(wǎng)體系架構分為感知、網(wǎng)絡、應用三層，由多傳感器組合獨立式電氣、監(jiān)控平臺、Web客戶端和移動端 APP組成，總體框架如圖2所示。

圖 2 系統(tǒng)框架圖

探測器除完成傳統(tǒng)電氣功能外，還將相關設備狀態(tài)信息通過 GPRS， 按照設定的傳輸協(xié)議（MQTT/CoAP/HTTP）定時上報到監(jiān)控平臺，Web 客戶端和移動端 APP 通過 HTTP 協(xié)議向監(jiān)控平臺請求獲取相關服務。當探測器報警時，平臺收到探測器報警消息后， 通過短信等方式通知用戶。

2 電氣 

2.1 硬件結構

多傳感器組合獨立式電氣的硬件結構如圖 3 所示，由 A9G GPRS 模組、RN8209D 漏電流采集、DS18B20 溫度采集、 報警輸出、 聲光報警、顯示、SD 存儲、按鍵等電路模塊組成。

圖 3 電氣硬件結構圖

A9G GRPS 模組在探測器中充當微處理器和通信模組的雙重角色，采用 SDK 二次開發(fā)的方式，不需要外接控制器，zui大限度降低了硬件成本。 經(jīng)過開發(fā)，其支持 MQTT、CoAP、HTTP 三種物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議，提供給用戶靈活選擇。

A9G 模組通過 UART 接口獲取 RN8209D 采集到的漏電流信號、DS18B20 中采集的溫度信息后， 與用戶設定的漏電流和溫度報警閾值進行比較， 若超出相應閾值，A9G 模組驅動電路發(fā)出聲光報警信號，并輸出控制信號給消防聯(lián)動，如切斷斷路器，使線路斷路。 A9G 模組會定時向監(jiān)控平臺上報探測器的相關信息。

2.2 程序設計

探測器程序主要包括探測器核心任務、通信存儲、按鍵設置、OLED 顯示、運行指示五個主要任務（進程）。 其中先級zui高的是探測器核心任務，即檢測漏電流、溫度是否超過閾值，給出聲光報警信號和斷路器動作信號。

在沒有發(fā)生異常時，定時向服務器上報，在發(fā)生異常時，探測器以 3s/次的頻率持續(xù)上報 60 次，確保服務器能夠準確記錄異常發(fā)生時的情況。

A9G 模 組 提 供 了 MQTT 協(xié) 議 相 關 的 API，CoAP 協(xié) 議 在 其 提 供 Socket 網(wǎng) 絡 接口之上參考github 上的 iotkit-embedded 中的 CoAP 客戶端實現(xiàn)，HTTP 協(xié)議在請求行中版本為HTTP 1.1，請求頭部的 Connection 為 keep-alive，與監(jiān)控平臺保持長連接。

圖 4 探測器核心任務程序流程圖

探測器核心任務流程如圖 4 所示。啟動定時器時需要回調(diào)函數(shù)，在定時時間到達時調(diào)用該函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中完成漏電流和溫度的采集，并分別與設置的閾值進行比較， 若超出閾值則報警，并在更新數(shù)據(jù)后使用 OS_SendEvent 接口向主任務發(fā)送緊急先級的報警事件，zui后更新定時器，進入下次循環(huán)。通信存儲任務在完成定時通信和存儲后，在循環(huán)中阻塞等待事件，收到報警事件后，立刻向平臺上報數(shù)據(jù)。

由于互感器的非線性及其他干擾信號影響，導致漏電流的測量值和實際值之間可能存在較大誤差，在程序中先采用限幅平均濾波法去除可能的干擾值， 然后通過 Matlab 進行數(shù)據(jù)擬合， 以校準精度，擬合曲線如圖 5 所示。

圖 5 漏電流校準擬合曲線圖

3 監(jiān)控平臺

監(jiān)控平臺基于微服務架構設計實現(xiàn)。系統(tǒng)應采用分布式架構，要求各種服務之間耦合度低以便于維護，同時必須具備改造升級的可能性，而微服務架構可以很好地滿足這些要求。 監(jiān)控平臺總體架構如圖 6 所示，主要由服務端、客戶端以及數(shù)據(jù)庫三部分組成。

圖 6 監(jiān)控平臺架構

3.1 服務器

服務端由微服務架構組件和微服務應 用 模塊組成。 微服務架構組件由 Spring Cloud 提供，主要有 API 網(wǎng)關、服務發(fā)現(xiàn)以及負載均衡（圖中未畫出）、服務容錯保護等，構成微服務架構應用模塊開發(fā)實現(xiàn)的基礎。 各模塊使用 Spring Boot 框架實現(xiàn)。

MQTT、CoAP 以及 HTTP 服務實現(xiàn)與探測器的通信功能。 若探測器使用 HTTP 協(xié)議則需要先經(jīng)過API 網(wǎng)關，再由 HTTP 服務模塊進行處理。 設備服務提供探測器zuixin上報數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)信息查詢等服務；信息通知服務主要負責異步給用戶發(fā)送報警信息通知等服務；用戶服務提供用戶登錄和探測器管理服務。

3.2 數(shù)據(jù)庫

本監(jiān)控平臺使用了關系型數(shù)據(jù)庫 MySQL 和非關系型數(shù)據(jù)庫 Redis 分別進行數(shù)據(jù)的存儲和緩存。

使用單的關系型數(shù)據(jù)庫， 受限于硬盤讀寫速度和數(shù)據(jù)庫本身的性能，易造成效率低下，難以滿足高并發(fā)訪問的需求。 例如當用戶查看設備的zuixin信息時，如果每次都直接從 MySQL 數(shù)據(jù)庫中獲取，MySQL 的搜索引擎需要先根據(jù)設備 ID 從硬盤讀取該設備所有的數(shù)據(jù)信息， 然后根據(jù)時間字段降序或者升序排序， 取出di條或者zui后條才能得到zui終需要的數(shù)據(jù)。 這種方式在用戶訪問量大及設備多的情況下， 將對數(shù)據(jù)庫造成巨大壓力， 同時服務器的響應時間延長也會影響用戶體驗。 相似的問題也會出現(xiàn)在用戶查詢設備的歷史

數(shù)據(jù)時。 為此，平臺使用非關系型數(shù)據(jù)庫 Redis 作為補充，以減輕關系型數(shù)據(jù)庫的壓力，提高平臺的處理速度和并發(fā)能力。 此外，在分布式系統(tǒng)中的用戶單點登錄、 本平臺中存儲隨機密碼的短時間定時存儲業(yè)務中， 非關系型數(shù)據(jù)庫也具有更好的適應性。

3.3 客戶端

（1）瀏覽器客戶端

前端頁面部分，使用 AJAX 技術[5]，通過在后臺與服務端進行少量數(shù)據(jù)交換，在不重新加載整個網(wǎng)頁的情況下，實時更新設備上報信息。 數(shù)據(jù)可視化使用 Datatables 表格插件和 Hightcharts 圖表庫。

（2）移動端 APP

為實現(xiàn)用戶隨時隨地查詢電氣火災監(jiān)控探測器的相關信息狀態(tài)的需求，開發(fā)了基于 Android 的移動端 APP。

采用經(jīng)典的 MVC 開發(fā)架構，分為業(yè)務層、視圖層和操作層。 業(yè)務層處理各類應用業(yè)務，完成網(wǎng)絡請求、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理功能；視圖層分為可視視圖和隱藏視圖，主要完成手ji端與用戶的交互和應用界面的更新替換；操作層用來分離業(yè)務層和視圖層的聯(lián)xi降低程序的耦合，使應用更加健壯，同時為后期維護做準備具體，具體實現(xiàn)功能與瀏覽器端類似。

4 測試與界面展示 

4.1 電氣測試

根據(jù)消防規(guī)范 GB14287-2014 《電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)》第 2 部分剩余電流式電氣火災監(jiān)控探測器和第 3 部分測溫式電氣火災監(jiān)控探測器中對獨立式探測器的要求，本探測器的剩余電流測量范圍應在20mA~1000mA 之間， 能在 30s 內(nèi)對超出報警設定剩余電流值的情況進行報警； 溫度測量值zui低為45℃，應在 40s 內(nèi)對超出溫度報警設定值的情況發(fā)出報警；在報警設定范圍內(nèi)，剩余電流和溫度側報警值與設定值之間的誤差以及顯示誤差均不能超

過 5%。

漏電流采樣精度測試如圖 7 所示。單相可調(diào)變壓器次側接入市電，二次側其中個端子輸出串聯(lián)個功率電阻（20Ω 200W）后，經(jīng)電流表，穿過漏電流互感器后，接入二次側另端子。 通過調(diào)節(jié)變壓器，改變電路中的電流值，以電流表測量值為參照，讀取探測器 OLED 顯示的漏電流數(shù)據(jù)，測試了多組數(shù)據(jù)，如表 1 所示。

圖 7 漏電流采樣精度測試圖

表 1 漏電流測試數(shù)據(jù)表

從表1可以看出，探測器顯示數(shù)據(jù)zui大誤差為1.6%，遠小于規(guī)范要求的zui大 5%的誤差。

溫度采樣使用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，測量精度為 ± 0.5℃，報警值設為≥45℃，實測zui大誤差為 1.1%，滿足精度要求。

探測器核心任務每 200ms 執(zhí)行次采樣和判斷報警，OLED 顯示任務每休眠 500ms 刷新次顯示數(shù)據(jù)，在上表測試過程中，通過觀察 A9G 模組的下載調(diào)試工具 CoolWatcher Develop 中的打印信息發(fā)現(xiàn)， 報警值與 OLED 上顯示數(shù)據(jù)值差距非常小，據(jù)此可認為報警值與設定值之間誤差亦滿足設計要求，獨立式探測器自成系統(tǒng)，無論是檢測漏電流還是溫度報警， 本探測器均可在 1s 內(nèi)發(fā)出聲光報警，遠低于要求的 30s。

探測器在關鍵指標上滿足規(guī)范要求， 限于條件，其他有關測試未完成。

4.2 管理員界面

管理員主界面，提供了管理員對普通用戶及對探測器權限分級管理頁面，如圖 8 所示。

圖 8管理員主頁界面

通過管理員界面可以查看電氣 2天的歷史數(shù)據(jù)和詳細的設備信息，如圖 9 所示。

圖9 電氣數(shù)據(jù)可視化圖

點擊頁面中的“查看位置”按鈕，可以顯示電氣所在位置的地圖信息，當探測器出現(xiàn)異常時，用戶可根據(jù)該地圖快速找到探測器，進行異常處理，如圖 10 所示。

圖 10 電氣位置地圖

4.3 移動端APP界面 

APP 部分頁面如圖 11 所示。 圖 11a）為 APP 管理員主界面，顯示了所有用戶、在線設備數(shù)量以及報警數(shù)量信息；圖 11b）為加載了探測器zuixin數(shù)據(jù)信息及歷史數(shù)據(jù)的圖形化顯示界面。

a）主界面           b）數(shù)據(jù)顯示界面

4.4 報警信息通知

圖 12 為監(jiān)控平臺收到探測器報警信息后發(fā)送給用戶的短信、郵件通知圖。

圖 12 報警信息通知

5安科瑞用電云平臺及選型

5.1安科瑞用電云平臺介紹

Acrelcloud-6000用電云管理系統(tǒng)能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監(jiān)控、報警、記錄，并且通過云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數(shù)據(jù)、透傳指令，并時間顯示實時狀態(tài)。通過對上傳至云端的數(shù)據(jù)進行分析，為用戶提供火災隱患的相關數(shù)據(jù)，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問題并實施排查，避免火災的發(fā)生。另方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩(wěn)定的服務，提升了服務質(zhì)量，對用戶的長遠發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統(tǒng)通過集中監(jiān)控，使得數(shù)據(jù)通過每個節(jié)點的4G網(wǎng)絡傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進行統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

具體功能如下：

（1）用電監(jiān)管服務系統(tǒng)包含用電管理云平臺、電腦終端顯示系統(tǒng)、手jiAPP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。
    （2）用電監(jiān)管服務系統(tǒng)平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣參數(shù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化曲線、歷史數(shù)據(jù)與變化曲線、實時報警數(shù)據(jù)等，能實時顯示現(xiàn)場服務次數(shù)、排除隱患數(shù)、未排除隱患數(shù)、報警未處理數(shù)、常規(guī)巡檢及產(chǎn)品維護等數(shù)據(jù)，監(jiān)管數(shù)據(jù)能保存十年以上。
    （3）手jiAPP軟件同時具有IOS版本和安卓版本，能通過手jiAPP對每條報警記錄進行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。
    （4）能對各個單位及設備的電氣運行情況進行自動統(tǒng)計和分析評估，并隨時展示電氣運行分析報告。
    （5）監(jiān)控探測終端產(chǎn)品滿足家法律法規(guī)和有關技術標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監(jiān)控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監(jiān)控探測器》）的要求，并通過家消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測檢驗提供的消防3C認證。
    （6）漏電探測器能同時探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值，并能通過無線以移動通訊網(wǎng)絡接入用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺。

5.2產(chǎn)品選型

5.2.1漏電火災監(jiān)控探測器

5.2.2故障電弧探測器

安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監(jiān)測回路故障電弧的發(fā)生，并及時預警，提醒用戶處理，防止電弧導致的火災的發(fā)生。

AAFD可配合AF-GSM400使用并接入用電平臺，該產(chǎn)品不可在同臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：

5.2.3限流式保護器

安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監(jiān)測回路短路過載等故障信息，發(fā)生故障時預警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發(fā)生。

ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入用電平臺，也能夠通過插入SIM卡直接上傳到平臺。

以下是ASCP200-1的主要功能：

短路保護功能。保護器實時監(jiān)測用電線路電流，當線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續(xù)時間超過動作時間（3…60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

表內(nèi)超溫保護功能。當保護器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。

配電線纜溫度監(jiān)測功能。當被監(jiān)測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。

漏電流監(jiān)測功能。當被監(jiān)測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。

保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

5.2.4剩余電流互感器

5.2.5 AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊

AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為用電云平臺模塊。

AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模塊可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報警，會實時上傳數(shù)據(jù)。

5.2.6溫度傳感器

溫度傳感器為熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監(jiān)控基準，可以用來監(jiān)測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。

6結語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術， 設計實現(xiàn)了部署容易、使用方便和網(wǎng)絡化的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。在探測器上增加了 GPRS 遠程通信功能，解決傳統(tǒng)有線組網(wǎng)電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)部署難的問題；同時，在設計實現(xiàn)中zui大限度降低了探測器的硬件成本；支持三種主流的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議， 提供給用戶靈活的選擇。采用微服務架構使監(jiān)控平臺在系統(tǒng)擴容、 升級、維護等方面具備天然勢；平臺通過瀏覽器和Android 客戶端向用戶提供服務；并增強數(shù)據(jù)的可視化水平。當設備報警時，能夠通過短信、郵件通知用戶及時處理，使監(jiān)控報警更加智能、人性化。經(jīng)測試，該系統(tǒng)對漏電流和溫度的檢測精度較高，報警響應敏捷，具有較好的推廣價值。

參考文獻

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[2]張征峰，鄭梁，崔佳冬.基于物聯(lián)網(wǎng)的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn).

[3]安科瑞用電管理云平臺手冊.2020.02版.

作者簡介：劉細鳳，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事用電的研發(fā)與應用。