摘要：随着经济的快速发展，全国发生火灾事故的频率越来越高、由于消防设备不能正常运行，使得火势迅速蔓延的情况时有发生，而其主要原因便是其电源异常，本文从智能消防设备电源监控系统的设计思路入手，从硬件、软件、管理系统3个角度说明其实现策略。

 

关键词:智能消防设备；电源监控系统；监控主机

0、引言

随着我国城市化进程的加快，城市中常住人口数量在逐渐增多，各类公共设施也在朝着智能化、集群化发展，随之而来的便是日益增加的火灾隐患。为保证智能消防设施在意外情况来临时能够稳定运行，设计电源监控系统尤为重要，下文便简要说明其设计思路。

 

1、智能消防设备电源监控系统的设计思路

1.1 基本要求

根据国家相关标准和市面上所流通的电源监控类产品可发现，电源监控系统对于供电、监控主机以及探测器均有一定要求，具体如下。

（1）供电电源的要求。对于所有系统来说，其是否可以稳定运行与其电源的供电情况有直接关系。该系统中所需要供电的相关设备有监控主机、探测器。其中监控主机存在2种电源，即主电源和备用电源，其中主电源应当使用220V、50Hz的交流电，并以实际情况为准设置相应的保护措施，主电源在正常运行情况下，其电压低为187V，高为242V，频率低为49.5Hz，高为50.5Hz，备用电源在满电状态下，至少需要保证监控主机工作8h。除此之外，监控主机所使用的电源应当具备自主切换主备电源的功能，即当主电源不存在故障时，由主电源进行供电，当断电或主电源故障时，要自动切换至备用电源供电，并在切换过程中不能影响其监控器的运行。此部分还需要为探测器提供供电，探测器通常需要直流电，电压在24V左右。

（2）监控主机在显示方面与指示方面的要求。该设备显示出探测器所采集的与消防设备电源相关的状态信息，并将故障信息自动存储至数据库中，其内容包括产生故障的类型、具体位置以及时间，并且上述信息能够进行人机交互，工作人员能够按照需求对其进行查看以及打印。该设备能够储存999条信息，并在断电后能够储存14天。并使用不同颜色的指示灯代表不同含义，黄色表示故障，绿色表示正常。

（3）信号传感器的基本要求。在此系统中，传感器所需要采集的信号便是电压信号以及电流信号，利用上述两项对消防设备电源的运行状态进行判断。所以，传感器要能够按照预先规定的方式将所采集的信号上传至主机，并将输出信号的电压控制在12V，误差率控制在5%以内。

（4）报警方面的需求。当该系统中硬件设备发生故障报警时，会发出相应的声音以及光线，将其作为报警信号，并将发生故障的部位和故障类型、发生时间进行自动记录。根据相关标准，当设备处于电源欠压、备用电源充电设备发生短路、接地功能受到影响、正在监控的消防设备出现供电中断现象时，应当发出声光结合的报警信号。

1.2 整体设计

当满足上文中所提到的所有基本要求后，结合当前市场中流通的产品情况。可以将该监控系统设计为4层组网模式。第一层为管理系统，第二层为监控主机，第三层为监控探测器，第四层为需要监控的消防设备电源。该系统的基本原理是对消防设备电源供电过程中所产生的电压信号以及电流信号进行采集并分析，再对其运行状态进行判断，明确其是否存在欠压、缺相、过流或者过压的情况。传感器在采集相应信号后，可以自动将异常数据传输至监控主机，再由监控主机以不断轮询挂探测器的形式获取消防设备电源的运行状态，如果存在异常现象便及时进行声光报警，以此种方式完成对消防设备电源的全时段监控。管理系统和监控主机两者之间需要利用以太网进行连接，管理系统会将所有数据存入其中，管理人员可以利用人机交互界面对实时数据以及历史数据进行查看。

1.3 基本功能

基于上文的设计思路，该系统应当具备下述几项功能。

（1）实时监测功能。该系统可以不间断地对监控点所产生的电压信号以及电流信号进行检测，并利用相应的算法判断其中是否存在着短路、欠压、过流等异常情况。

（2）显示功能。管理人员需要通过显示器或者计算机端的管理系统对所监控对象的运行状态进行查看。此部分需要包括所监控消防设备电源的总数、各个电源回路以及工作参量、发生故障的部位、类型以及具体事件等。由于显示器或计算机端每次所能显示的容量具有一定限制，所以需要相应的鼠标操作对数据进行翻看。

（3）存储以及打印功能。对于监控主机来说，最少应当存储1万条相关信息，这些信息中必须包括故障所发生的具体时间、具体类型等。并且管理人员可以根据实际需求选择是否对上述信息进行打印。维修工作人员可以利用监控主机所存储的信息对相关消防设备电源的运行状态进行分析，并为相应维修工作提供数据依据。

（4）操作功能。该系统在设计过程中需要考虑用户的权限问题，应当对不同职责的工作人员开放不同的权限。可以将系统分为3个层级，值班、监控、管理。不同级别的管理人员与工作人员只能在相应的权限内进行操作，其中管理权限则具有所有权限。

2、智能消防设备电源监控系统的实现策略

2.1 硬件方面

2.1.1 探测器

探测器的功能是对所有消防设备电源的运行状态进行实时监控。从微观的角度来看，便是实时对电压信号以及电流信号进行采集，如果所监控点位出现短路、过压、过流以及缺相等故障时，立刻进行报警，并将此类异常信息进行短暂存储，将其传输至监控主机中。此部分的应用可分为3类，分别是电源模块、采集模块、基准电路模块。

（1）电源模块。根据我国相关标准，用于监控消防设备电源的监控系统可以承受一定时间内的高电压、高电流冲击。因此，为防止探测器的电源被破坏，要在其电源模块中加入保险丝以及相关设备对瞬间受到的高电压、高电流进行抵抗，保护相关电路。除保险丝外，还可以在其中加入接入二极管，当前在消防设备电源监控系统中探测器电源常用的二极管为TVS二极管，此种二极管的外形与普通二极管基本相同。此种二极管安装在电源上可以有效防止MCU由于静电产生的瞬间脉冲导致的失灵。除此之外，TVS二极管不但可以对脉冲进行吸收，还能直接消除电源开关与总线之间产生的干扰。该零部件的额定电压可以选择5V，而探测器的供电电压为24V，所以需要利用相应芯片将其转化为5V对TVS进行供电。

（2）采集电路。该系统中所使用的放大电路芯片为TLC2273ADR，该芯片中存在四个放大器，供电电压范围为-8～8V。采用直接压接的形式实现对电压信号的采集，利用电流互感器对电流信号进行采集，然后还是转化为AD采集。该系统中的探测器共设计了六路电压采集与电流采集。

（3）基准电路。该电路的目的是为电压采集、电流采集电流提供稳定的电压。该电路可分为2部分，一部分是利用LM285芯片为放大电路芯片中的AD采集提供2.5V的电压。另一部分是以运放TLC2273BCD芯片的形式为电压采集电路、电流采集电路提供1.25V的电压。

2.1.2 监控主机

监控主机是该系统中的核心，其硬件设计如下所述。

（1）电源电路方面。该系统将220V的电源转换24V的直流电源用于监控主机的供电，再通过相关芯片将24V的电压转换为5V或者3.3V。该部分电源采用的是北京某企业的YJG520电源，共有两路28V电压输出，其中一路最高可输出3A电流，另一路可实现2A电流输出，整体功率为140W，其自身具备过压保护功能以及过载保护功能、充电功能、放电保护功能、报警功能。此型号电源物理形状为盒型，体积较小，可以安装在机柜的内部，并且可以直接由220V交流电对其进行供电，也可以同时使用蓄电池对其进行供电，以此种形式形成不间断电源，当主电源处于正常运行状态下则使用主电源进行供电，但主电源产生故障或意外断电时，便可切换到备用电源进行供电，该电源亮点便是其存在电池管理功能，智能化程度较高，可以对蓄电池进行充电。除此之外，该电源在正常运行状态下还存在指示灯亮起，方便工作人员查看其工作状态。

（2）声光报警模块。此模块主要使用了金属指示灯来显示监控主机的运行状态。其中运行灯使用绿色光源，代表监控主机运行状态正常、通讯灯使用黄色灯源，代表通信正常。报警灯则使用红色光源，代表存在报警信息，消音灯使用红色光源，代表该系统中的消音键被按下。上述中所有显示灯，除消音灯以外，当其他灯出现蜂鸣声音时，则代表着该显示灯所示部位出现故障。该部分在实际设计中，考虑到不论是蜂鸣器，还是显示灯，均是外部设备，所以在电路中需要对其进行隔离。

（3）存储方面。存储方面主要是对监控主机自身的参数、传感器所采集的数据、故障信息、报警信息等进行存储。所以，该系统中采用了三星的固态硬盘K9F1G进行存储。该部分通过8根数据线与STM32进行通信，并连接至CPU与25Q32，25Q32为串行存储器，其空间为32Mb。

2.2 软件方面

2.2.1 探测器采集程序

当采集监控点的电压、电流信号后，会通过滤波器对其进行放大，并利用DMA控制器对其进行采样，通过既定的运算方式进行运算，最后进行分析。在此过程中，DMA控制器可以直接将外设数据传输至存储器中，也可以将数据直接发送至外部设备中。而且每次DMA传输时间为一个时间周期，所以其传输速度高，可以满足高速外设的要求。上述过程中的数据采集中，探测器所能采集的信号频率均为50Hz，其周期为20ms。可以利用STM32芯片中存在的DMA与AD对电压、电流信号进行周期采集。采集前需要对定时器以及AD进行配置。需要将AD通道设置为12，触发方式改为外部触发，模数转换设置为单次转换。定时器方面，需要将其72MHz分为36分频，周期系数设置为625，触发周期为0.3ms。按照上述配置进行配置后，便可以进行数据采集，当采集完成后便可关闭AD进入数据处理环节，最后再回到配置定时器环节开始下一阶段的数据采集。

2.2.2 监控主机主程序

监控主机主程序的编写顺序如下。

该部分系统首先需要运行的便是系统初始化以及自检程序，初始化的目的是对时钟进行配置，自检模块的目的是对显示器、显示灯以及蜂鸣器进行检查。在自检流程完成后，探测器将在开启时按照预先写入的固定参数运行，并将所采集的数据传输至监控主机中。由于一个监控主机会负责若干探测器，为防止产生通信冲突现象和数据延时处理现象，该系统使用了轮询方式提取数据，当探测器将数据传输至监控机时，监控机会根据相关协议将其中存在的信息提取出来，显示在显示器中，并同时将这些信息打包发送至管理系统。最后，便是对数据中存在的故障信息、异常信息等进行报警处理，整个系统产生蜂鸣，直到管理人员按下消音键，上述便是监控主机程序的编写流程。

2.3 管理系统方面

管理系统的核心便是人机交互系统，该系统将人机交互界面设置成了下述几个部分。

（1）实时数据监测界面。该界面中展示了消防设备电源的所有实时数据，并以单个窗口的形式显示不同消防设备电源的电压、电流、主机号、探测器号、总线号等数据。

（2）设备管理界面。此界面主要用于增加或减少探测器，增加或减少功能则共用相同按钮，当存在探测器时，便是增加，反之，则是减少。

（3）查询界面。该界面主要是用于查询某个消防设备电源在之前某个时间段内的工作状态。管理人员可以选择主机号或者总线号对消防设备电源监控信息进行调取。

（4）历史故障查询界面。该界面主要用于工作人员对以往所产生的故障数据进行查询，对于消防设备电源则显示具体故障及参数，对于监控主机则显示是否存在主电故障，对于探测器则显示是否存在过压、欠压、缺相、过流等故障。

（5）系统界面，此部分则显示该系统整体的使用说明，及各个界面的含义。除此之外，该系统的整体结构图和监控主机、探测器的接线方式也会在该界面中显示。

3、安科瑞消防设备电源监控系统的选型及介绍

3.1概述

AFPM系列消防设备电源监控系统能够对消防设备的电源进行实时监控，通过检测消防设备电源的电压、电流、开关状态等有关设备电源信息，从而判断电源设备是否有断路、短路、过压、欠压、缺相、错相以及过流（过载）等故障信息并实时报警、记录的监控系统。此系统具有可靠性、实时性并具有数字化、智能化、网络化、自动化和连续监控的特性。实时反映出被监控设备电源的状况，并集中显示，从而可以有效避免在火灾发生时，消防设备由于电源故障而无法正常工作的危急情况，保障消防联动系统的可靠性。

  AFPM消防设备电源监控系统采用集中供电方式，通过监控器给现场传感器提供DC24V安全电压，有效保证系统的稳定性和安全性。可广泛应用于智能楼宇、高层公寓、宾馆、饭店、商厦、工矿企业、国家重点消防单位以及石油化工、文教卫生、金融、电信等领域。

  AFPM消防设备电源监控系统由消防设备电源状态监控器（区域分机）、传感器、中继器、系统主机和配套附件组成。

3.2应用场合

适用于智能楼宇、高层公寓、宾馆、饭店、商厦、工矿企业、国家消防单位以及石油化工、文教卫生、金融、电信等领域。

3.3系统结构

3.5选型方案