消防設備電源監(jiān)控傳感模塊設計

　　針對市面上消防設備電源監(jiān)控傳感器采樣精度差、通信不穩(wěn)定、不符合國標規(guī)范等設計缺陷，以國家標準GB28184—2011《消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)》為依據研究設計了一款電流電壓型監(jiān)控傳感器。設計創(chuàng)新點在于采用RN8209G芯片進行采樣，并通過CAN總線進行通信，在0-50A電流范圍內提高采樣精度達到1%。設計產品已通過國標GB28184中4.7節(jié)表1中的基礎實驗及高低溫試驗要求。

　　2011年7月1日開始執(zhí)行的強制性國家標準GB25506—2011消防控制室通用技術要求中5.3.14條提出：“消防控制室應能顯示消防用電設備的供電電源和備用電源的工作狀態(tài)和欠壓報警信息”，并在2011年提出該系統(tǒng)的產品標準GB28184—2011消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)。在各項火災事故中，消防設備能否起到滅火的關鍵作用在于消防設備是否供電正常，而人為監(jiān)控和維護電源的困難則使得消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)必然產生。該系統(tǒng)主要是通過保證平時各項消防設備的電源能夠正常工作，從而保證消防設備在火災事故發(fā)生時不會因為供電故障而無法滅火導致更大損失，在消防設備供電故障時能夠及早發(fā)現并予以解決。

　　目前我國沿海城市已經陸續(xù)有公司推出消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)，然而許多監(jiān)控系統(tǒng)設計參差不齊，并沒有按照國家標準GB28184-2011來制作。尤其是置于消防設備電源進入端與輸出端的監(jiān)控傳感模塊，沒有考慮到工作環(huán)境的復雜以及采樣精度不高、適用范圍小等問題。本文針對以上現象，設計并研發(fā)了消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)的檢測傳感模塊，并對其中的采樣部分進行了詳細分析和設計，創(chuàng)新點在于通過使用RN8209G電能芯片使得采樣精度達到1%，并結合了較為穩(wěn)定的CAN總線通信技術。

　　本文設計的消防設備電源監(jiān)控傳感模塊已通過了GB28184.2011中規(guī)定的浪涌沖擊抗擾度試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗以及高低溫試驗等。

　　2監(jiān)控傳感器整體設計

　　消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)整體可包括3個部分：監(jiān)控器主機，傳感監(jiān)控器以及上位機。這其中傳感監(jiān)控器為本文的核心討論內容，下面給出監(jiān)控模塊的整體設計框圖，見圖1。

　　監(jiān)控傳感器的模塊構成為圖1中的虛線框內部分，包括采樣、通信、顯示、報警輸出等，本文設計的監(jiān)控傳感類型為電壓電流型，即能夠監(jiān)測電流電壓兩種信號，電壓信號可直接接入監(jiān)控傳感器，而電流信號為保證消防設備電源連續(xù)性，則需要通過互感器接入。其中采樣模塊和通信模塊決定了監(jiān)控傳感器的性能好壞，下文對這兩個模塊進行重點剖析論述.

　　3監(jiān)控傳感器通信模塊

　　3.1硬件設計

　　根據國家標準GB28184—2011中的要求，監(jiān)控傳感器的監(jiān)測數據應該能夠傳輸至監(jiān)控主機，傳輸的過程要求保證穩(wěn)定性。監(jiān)控傳感器一般置于建筑消防設施的電源附近，隱藏在墻體之后，所處環(huán)境電磁干擾較大，對于通信的穩(wěn)定性要求較高。對比于傳統(tǒng)市面上采用的RS一485通信方案，本文中采用CAN總線，并給出了相應的CAN協(xié)議格式，在通信總線中加入了TVs防止浪涌破壞，并加入了共軛線圈以抑制共模干擾。設計電路圖如圖2所示。

　　電路圖中，6N137光耦起到電氣隔離的作用，圖2中的B0505為隔離電源，將通信模塊中所用的電源、地與電路板上其余電源、地隔離開來，在通信的輸出端口，CANL與CANH之后加入了與，差模濾波電感，用于抑制差模干擾。差模電感之后加入共模電感B3，共模電感的作用是抑制共模干擾。TVS41的作用是為了消除CANL與CANH之間的浪涌，而TVS42與TVS43分別是為了消除CANH與CANL對地的浪涌。有瞬間大電壓浪涌產生時，TVS管與，電容會瞬間導通，將大電壓通過GGND導通至大地，以防止通信模塊受到破壞。

　　3.2軟件設計

　　本設計中監(jiān)控傳感器的通信采用CAN傳輸，CAN通信采用事件觸發(fā)式，比主從方式的通信效率更高，CAN應用層的協(xié)議相對開放，有CAN2.0A的版本以及擴展版的CAN2.0B，該設計采用擴展版本2.0B的通信擴展幀模式，報文幀格式如表1所示，并參考了論文((基于CAN總線的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)》中ZNCAN的設計，在此基礎上依據消防監(jiān)控器的特點進行了相應的設計更改。CAN2.0B擴展幀中報文的格式分為報文標識符以及報文數據定義兩個部分。報文標識符主要用于設備識別，而報文數據部分即表l的字節(jié)6～13中傳輸電壓電流等數據信息。表格中報文識別碼的ID.28~ID.23定義為6位建筑編號，ID.22~ID.16定義為7位樓層編號，ID15~ID9定義為7位節(jié)點編號，而ID8-ID5為源節(jié)點編號，ID4~ID1定義為功能碼，ID0為應答信號ACK。功能碼列表如表2所示。

　　報文響應中的數據主要用來傳送參數以及采樣數值，由于消防設備電源通常是雙電源，即主電和備用電源都需要監(jiān)測，本文設計的監(jiān)控傳感器為電流電壓型，采用三相四線輸入，有12組采樣數據，再加上電流電壓的設定閾值共14組，數據量較大，而CAN2.0B擴展幀的數據位只有8位，所以采樣數據傳輸一共要發(fā)送14次。發(fā)送的數據結構有如圖3所示　的兩種。

　　狀態(tài)字節(jié)：狀態(tài)為監(jiān)控傳感器的當前狀態(tài)，包括正常、過流、過壓、欠壓、缺相、錯相等狀態(tài);電壓/電流設定：電壓/電流設定包括主電的設定值和備電的設定值;監(jiān)控類型：監(jiān)控類型表示上發(fā)數據的監(jiān)控傳感器類型，可以是電壓型也可以是電流型，亦或是電流電壓型。其中對于同一監(jiān)控傳感器的同一批采樣數據中，傳輸完圖3(a)后緊隨著圖3(b)的數據傳輸，監(jiān)控器主機可以根據監(jiān)控類型來計算接收的次數以此來判決是否接收到所有的采樣數據。

　　4監(jiān)控傳感器采樣模塊

　　市面上有的監(jiān)控傳感器采樣部分采用普通的峰值檢波電路或是簡單的分壓電路，輸入的采樣信號穩(wěn)定性不高，并且對于峰值檢波電路，應用具有一定的局限性。峰值檢波電路存在充放電的問題，如若快速變換的波形一旦放電不及時，則容易出現采樣偏差，筆者在采用峰值檢波電路測試日光燈的供電電源時發(fā)現采樣電壓普遍偏大兩倍。消防設備的種類繁多決定了消防設備電源的多樣性，采樣電路需要有更大的適用范圍以及更強的抗干擾性能。

　　本設計的采樣方案采用RN8209電能芯片進行電流電壓的信號采樣。RN8209是一款單相多功能防竊電專用的計量芯片，它能夠提供3路采樣信號，其中包括兩路電流和一路電壓的有效值測量，在1000：1的動態(tài)范圍內，有效誤差小于0.1%，并且提供SPI/UART接口將信號輸出，功耗值低，使用十分便利。

　　在使用該計量芯片時，根據芯片手冊設計的芯片外圍電路如圖4所示。圖4中一共有3路電流輸入，分別為，Ia\Ib\Ic該3路電流在輸入該電路之前與峰值檢波電路一樣需要通過電流互感器進行轉化，轉為小信號之后再輸入單片機進行處理。

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