浅谈管廊火灾监测与报警系统模块设计研究

  ：城市综合管廊是城市基础设施现代化的重要标志，城市综合管廊中布置了众多的工程管线，是保障城市运行的重要基础设施的“生命线”。如果出现火灾，将会存在爆燃的重大安全风险隐患，带来*的损失。因此提出利用嵌入式技术来实现城市地下综合管廊火灾监测和报警。采用感烟型、感温型等多种探测器实现融合监测，且对火源进行测距定位，并输出火源位置信息，控制火源附近灭火装置灭火，实现对综合管廊的可视化火灾监测和报警。

  综合管廊全称地下城市管道综合走廊，即在城市地下建造一个隧道空间，将给水、电力、热力、通讯等各类工程管线集于一体，地上附着物为出装口及通风口等设备，是保障现代化城市安全运作的重要基础设施。随着我们国家经济的高速发展，城市化进程也在不断地加快，与之配套的基础设施建设却相对滞后，为了统筹各类市政管线规划、建设和管理，解决反复开挖路面、架空线网密集、管线事故频发等问题，保障城市安全、完善城市功能、美化城市景观，提高城市综合承载能力和城镇化发展质量，综合管廊的建设近年来得到了快速的提升。由于综合管廊深埋地下，各类管线复杂交错，如果出现火灾事故，则必然对社会以及经济秩序的发展造成严重影响，甚至造成人员受伤或死亡，因此对于综合管廊内的火灾监测与报警系统的设计研究具备极其重大的现实意义。

  该系统设计以实现城市综合管廊火灾监测与报警为目标，对城市综合管廊内的消防安全进行管控设计。该设计最重要的包含系统硬件设计、CAN网络的组建以及上位机软件设计，系统总体架构图如图1所示。该系统终端（管廊内各防火分区）配有多种类型的采集模块以实现融合监测，这些采集模块与ESP-12F单片机相连，ESP-12F通过自身搭载的ESP8266模块与上一层的区域子控制器（GD32处理器搭载ESP01WiFi模块）相连，区域子处理器使用CAN总线技术与本地服务器连接，本地服务器进行数据处理后利用互联网发送至云平台。监测人能通过手机、电脑等设备实时查看、处理相关数据。

  该系统的硬件设计最重要的包含终端采集模块以及区域子控制器的设计。终端采集模块控制器的中控芯片选择的是I/O口较多、类型丰富的ESP-12F单片机，它拥有两个全双工的串行通信接口，可以与WiFi模块间进行数据的交换传输，能充分满足组网的要求。ESP-12F单片机连接感温模块、感烟模块，以便实时将相关信息传送出去。感烟模块选择的是能耗较低的MQ2感烟模块，具有探测范围广、灵敏度较高、稳定性高、寿命长等优点。感温模块采用的是DS18B20数字温度传感器，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的优点。所有探测器均根据GB50116―2013《火灾报警系统模块设计规范》以及GB50838―2015《城市综合管廊工程技术规范》中的要求做敷设。

  区域子控制器在该系统中起到承上启下的作用，它的核心选用了实用性强、价格低的国产GD32F103CBT6单片机。电路部分最重要的包含电源电路、滤波电路、复位电路以及ESP01电路等子电路。区域子控制器与管廊内各防火分区的终端采集模块建立通信，完成数据传输后通过CAN总线将数据上传到本地服务器。

  完成该系统模块设计的关键是解决系统内部间的数据传输问题，该设计主要是针对城市综合管廊的火灾监测与报警而提出，因此设计时要充分考虑到管廊内的复杂情况。例如某些综合管廊的跨度很大，是否会影响通信的稳定性。而CAN总线km，足以满足大部分管廊的通信问题。因此选择利用CAN总线解决通信问题。CAN总线又叫控制器局域网总线，是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它能够正常的使用双绞线来传输信号。由于管廊覆盖面积广，所以要布置大量的区域子控制器，而CAN总线个，能充分满足大量区域子控制器的数据传输。

  在区域子控制器设计了CAN总线通信电路来实现它与本地服务器之间的通信。通信电路的核心是TJA1050，TJA1050是一款高速CAN信号收发器，可将单片机信号转换为CAN总线收发器所需的CAN电平。收发器共有8个引脚，引脚示意图如图2所示。

  该设计使用了VisualStudio2022作为上位机软件的开发环境，它是Windows平台应用程序的集成开发环境，也是开发人员常用的开发工具之一。上位机软件是基于.框架开发的Window窗体应用程序，编译语言使用的是C#面向对象的编译语言。USB-CAN的接口卡选的是北京爱泰公司的产品，型号为USBCAN-I+，因此就需要安装北京爱泰公司USBCAN驱动才能用它。上位机程序通过调用北京爱泰公司提供的usbcan.dll动态链接库文件，便能轻松实现对USBCAN-I+的开启、关闭，读取和发送CAN数据等功能，实现上位机软件到控制器硬件之间的数据通信。同时上位机程序利用数据库提供的动态链接库MySql.Data.dll做相关操作，实现了上位机软件连接阿里云数据库，对阿里云数据库进行增删查改等操作，完成本地主机和阿里云平台之间的数据传输交换。上位机界面和接收数据流程图如图3所示。

  打开软件运行程序后，首先会进入初始化环节，进行USBCAN设备的检测，当检测到设备后，开启设备并获取设备参数，没检验测试到设备时，需要等待设备连接，连接后点击连接按键开启设备读取参数，紧接着开启接收数据中断，程序正常运行。程序从USBCAN设备读取数据并将数据传送至阿里云数据库。软件接收数据流程图如图4所示。首先程序会定时查询USBCAN设备有无数据传来，直到检测到数据，进行数据接收、处理数据，上位机软件显示数据，同时将数据通过编写C#命令发送至阿里云数据库。

  综合管廊深埋地下，内部空间狭小且情况复杂，难免会发生各类故障问题，因此管廊内部经常有修东西的人或运维员工的出入，当发生火灾时，首先要保障人员的生命安全，因此提出使用三边测量定位算法来确定人员位置进而实施救援。利用ESP8266模块作为节点，用于测得节点与管廊内人员的距离。因为使用的是三边测量定位算法，所以要三个节点与人员之间的距离信息。具体测量方法：假设测得三个节点与人员的位置信息，三个节点位置分别为（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），被困人员距离节点的距离分别为R1、R2、R3，代入方程组：

  求解方程组解得的（xm，ym）为m时刻人员所在位置的二维坐标，随着不断的采集，信息的逐渐完备，控制室便可根据人员的位置信息的移动，绘出人员的移动轨迹，从而确定人员的*位置，保障被困人员的生命安全。

  AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台集电力监控、能源管理、电气安全、照明控制、环境监视测定于一体，为建立可靠、安全、*的综合管廊管理体系提供数据支持，从数据采集、通信网络、系统架构、联动控制和综合数据服务等方面的设计，解决了综合管廊在管理过程中存在内部干扰性强、使用单位多及协调复杂的根本问题，大幅度的提升了系统运行的可靠性和可管理性，提升了管廊基础设施、环境和设备的使用和恢复效率。

  安科瑞城市地下综合管廊能效管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所环境监控系统、智能马达监控系统、电气火灾监控系统、消防设施电源系统、防火门监控系统、智能照明系统、消防应急照明和疏散指示系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对管廊用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足管廊用电可靠、安全、稳定、*、有序的要求。

  电力监控主要是针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护设施及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。

  环境监测包括温湿度、烟感温感、积水浸水、可燃气体浓度、门禁、视频、空调、消防数据的采集、展示和预警，同时也可接入管廊舱室内的水泵和通风排烟风机等设备集成的三方系统完成管廊环境综合监控。

  AcrelEMS-UT能效管理系统针对配电系统的电气安全风险隐患配置相应的电气火灾传感器、温度传感器，消防设施电源传感器、防火门状态传感器，接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示，并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视，发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。

  城市综合管廊是城市基础设施的重要组成部分，综合管廊的火灾监测与报警的重要性不言而喻，管廊中任何一个分段发生意外事故都会造成部分城市发生功能性瘫痪，甚至威胁到人们的生命安全。本文设计的城市综合管廊火灾监测与报警系统，充分的利用嵌入式技术，通过各个传感器节点对管廊内部实时情况的上传、汇总，实现了运维人员对整个管廊的监控与管理。通过对该系统的软件与硬件的仿真、调试，验证了该系统的可行性，达到火灾监控与报警的目的。

  [1]孙伟俊.城市地下综合管廊火灾危险控制技术探讨研究[D].西安：西安建筑科技大学，2017.