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(zāi)在我的火災(zāi)事故中占比較高，而當前主流的電氣火災(zāi)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(luò)化水平低以及數(shù)據(jù)可視化不足等問題。 本文設(shè)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(zāi)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(wù)架構(gòu)的分布式系統(tǒng)，具有用戶權(quán)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(guān)鍵詞：電氣火災(zāi)監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)；A9G SDK 二次開發(fā)；微服務(wù)架構(gòu)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，2011~2016 年， 我共發(fā)生電氣火災(zāi)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(zāi)綜合治理工作， 從 2017 年5月開始至2020年4月結(jié)束。

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)﹄姎饩€路 異 常 及時預(yù)警，可以有效避免電氣火災(zāi)的發(fā)生。 目前大部分電氣火災(zāi)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(zāi)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(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)部署示意圖

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

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)按物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)分為感知、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)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(guān)設(shè)備狀態(tài)信息通過 GPRS， 按照設(shè)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(guān)服務(wù)。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(jié)構(gòu)

多傳感器組合獨立式電氣的硬件結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)定的漏電流和溫度報警閾值進行比較， 若超出相應(yīng)閾值，A9G 模組驅(qū)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(guān)信息。

2.2 程序設(shè)計

探測器程序主要包括探測器核心任務(wù)、通信存儲、按鍵設(shè)置、OLED 顯示、運行指示五個主要任務(wù)（進程）。 其中先級zui高的是探測器核心任務(wù)，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(wù)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(wù)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(guān) 的 API，CoAP 協(xié) 議 在 其 提 供 Socket 網(wǎng) 絡(luò) 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(wù)程序流程圖

探測器核心任務(wù)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(shè)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(wù)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(wù)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(dǎo)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(wù)架構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)。系統(tǒng)應(yīng)采用分布式架構(gòu)，要求各種服務(wù)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(wù)架構(gòu)可以很好地滿足這些要求。 監(jiān)控平臺總體架構(gòu)如圖 6 所示，主要由服務(wù)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(gòu)

3.1 服務(wù)器

服務(wù)端由微服務(wù)架構(gòu)組件和微服務(wù)應(yīng) 用 模塊組成。 微服務(wù)架構(gòu)組件由 Spring Cloud 提供，主要有 API 網(wǎng)關(guān)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)以及負載均衡（圖中未畫出）、服務(wù)容錯保護等，構(gòu)成微服務(wù)架構(gòu)應(yīng)用模塊開發(fā)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。 各模塊使用 Spring Boot 框架實現(xiàn)。

MQTT、CoAP 以及 HTTP 服務(wù)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(guān)，再由 HTTP 服務(wù)模塊進行處理。 設(shè)備服務(wù)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(wù)；信息通知服務(wù)主要負責異步給用戶發(fā)送報警信息通知等服務(wù)；用戶服務(wù)提供用戶登錄和探測器管理服務(wù)。

3.2 數(shù)據(jù)庫

本監(jiān)控平臺使用了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫 MySQL 和非關(guān)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(guān)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(shè)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(shè)備 ID 從硬盤讀取該設(shè)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(shè)備多的情況下， 將對數(shù)據(jù)庫造成巨大壓力， 同時服務(wù)器的響應(yīng)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(shè)備的歷史

數(shù)據(jù)時。 為此，平臺使用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫 Redis 作為補充，以減輕關(guān)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(wù)中， 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫也具有更好的適應(yīng)性。

3.3 客戶端

（1）瀏覽器客戶端

前端頁面部分，使用 AJAX 技術(shù)[5]，通過在后臺與服務(wù)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(shè)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(zāi)監(jiān)控探測器的相關(guān)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(gòu)，分為業(yè)務(wù)層、視圖層和操作層。 業(yè)務(wù)層處理各類應(yīng)用業(yè)務(wù)，完成網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用界面的更新替換；操作層用來分離業(yè)務(wù)層和視圖層的聯(lián)xi降低程序的耦合，使應(yīng)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(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》第 2 部分剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器和第 3 部分測溫式電氣火災(zāi)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(yīng)在20mA~1000mA 之間， 能在 30s 內(nèi)對超出報警設(shè)定剩余電流值的情況進行報警； 溫度測量值zui低為45℃，應(yīng)在 40s 內(nèi)對超出溫度報警設(shè)定值的情況發(fā)出報警；在報警設(shè)定范圍內(nèi)，剩余電流和溫度側(cè)報警值與設(shè)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(cè)接入市電，二次側(cè)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(cè)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(shè)為≥45℃，實測zui大誤差為 1.1%，滿足精度要求。

探測器核心任務(wù)每 200ms 執(zhí)行次采樣和判斷報警，OLED 顯示任務(wù)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(shè)定值之間誤差亦滿足設(shè)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(guān)鍵指標上滿足規(guī)范要求， 限于條件，其他有關(guān)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(quán)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(shè)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(shè)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?qū)κＳ嚯娏鳌⒃O(shè)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(shè)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(zāi)隱患的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問題并實施排查，避免火災(zāi)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(wù)，提升了服務(wù)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(luò)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?qū)Σ杉男畔⑦M行統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

具體功能如下：

（1）用電監(jiān)管服務(wù)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(wù)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(wù)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(shè)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(guān)技術(shù)標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災(zāi)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(luò)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(zāi)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(yù)警，提醒用戶處理，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)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(yù)警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)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(shè)）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(yù)先設(shè)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(shè)定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預(yù)先設(shè)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(shè)定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預(yù)先設(shè)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(jié)語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 設(shè)計實現(xiàn)了部署容易、使用方便和網(wǎng)絡(luò)化的電氣火災(zāi)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(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)部署難的問題；同時，在設(shè)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(wù)架構(gòu)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(wù)；并增強數(shù)據(jù)的可視化水平。當設(shè)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(yīng)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(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用。