現(xiàn)代建筑內(nèi)部，均配備消防安全系統(tǒng)。消防設(shè)備平日里由市電供電，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為了防止火災(zāi)引起電路著火就要斷開市電，轉(zhuǎn)為備用電源供電。目前消防備用電源主要有3種類型：①有獨(dú)立供電系統(tǒng)的消防專用供電線路；②用電單位的自備柴油發(fā)電機(jī)組，如圖1所示；③由蓄電池組作為備用電源組成的交、直流供電電源的應(yīng)急電源（靜態(tài)EPS），EPS組成如圖2所示。

在3種消防備用電源中，消防專用供電線路在發(fā)生火災(zāi)時(shí)不能長時(shí)間安全供電，所以常用柴油發(fā)電機(jī)和EPS作為應(yīng)急電源供電。柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急電源中，電池組故障和壽命是影響其正常工作的一個(gè)重要部分。另外，發(fā)動機(jī)，控制電路，穩(wěn)壓部分等的電路是否正常，以及燃料是否充足也是影響發(fā)電機(jī)正常工作的另一個(gè)原因。

從EPS組成結(jié)構(gòu)圖可以看出，EPS由幾個(gè)部分組成，關(guān)鍵部分為電池組，同柴油發(fā)電機(jī)一樣，電池組存在壽命短、其中一塊出故障就會影響整個(gè)電池組的問題，其他電路部分也可能出現(xiàn)故障，從而使EPS不能正常供電。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急電源

圖2 EPS組成

由于這3種消防供電電源都有一定的弊端，設(shè)備線路之間也可能存在故障情況，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)測消防設(shè)備電源是否處于完好狀態(tài)，以保證在發(fā)生火災(zāi)或在火災(zāi)預(yù)防中，建筑內(nèi)的消防系統(tǒng)可以及時(shí)有效的運(yùn)作；而消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)就可以解決這一問題，實(shí)時(shí)監(jiān)控消防設(shè)備的電源工作情況。

1 消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)的基本組成

2011年12月30日頒布，2012年8月1日開始實(shí)施的由國家標(biāo)準(zhǔn)委員會編制的GB 28184—2011《消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)》，對消防電源監(jiān)控系統(tǒng)做出明確規(guī)定，消防電源監(jiān)控系統(tǒng)是“用于監(jiān)控消防設(shè)備電源的工作狀態(tài)，在電源發(fā)生過壓、欠壓、過流、缺相等故障時(shí)能發(fā)出警報(bào)的監(jiān)控系統(tǒng)”。消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)嚴(yán)格符合國標(biāo)規(guī)定，由消防設(shè)備電源狀態(tài)監(jiān)控器（以下簡稱監(jiān)控器）、傳輸線纜和與其連接的電壓信號傳感器、電壓/電流信號傳感器（以下簡稱監(jiān)控傳感器）等設(shè)備組成。系統(tǒng)連接如圖3所示。

圖3 消防電源監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)

本系統(tǒng)具有多種功能，可靠性強(qiáng)，能安全穩(wěn)定的監(jiān)視所要監(jiān)控的消防設(shè)備電源的狀態(tài)。主要功能特點(diǎn)有：

①供電功能，監(jiān)控器采用直流24V為與其相連接的傳感器供電；②故障報(bào)警功能，能在故障時(shí)100s內(nèi)發(fā)出故障聲、光信號，并顯示記錄故障的部位、類型和時(shí)間；③自檢功能，監(jiān)控器能對本機(jī)及所配接的傳感器進(jìn)行功能檢查，監(jiān)控器的自檢不影響非自檢部位的報(bào)警功能；

④信息顯示與查詢功能，本系統(tǒng)能在監(jiān)控器上采用文字、數(shù)字和字母（符）顯示，能顯示當(dāng)前所接傳感器采集到的相應(yīng)消防設(shè)備電源電流電壓信息、監(jiān)控模塊總數(shù)、故障總數(shù)等；⑤主備電源轉(zhuǎn)換功能，主備電源能相互切換且不影響監(jiān)控器的正常工作；⑥分級操作功能，監(jiān)控器設(shè)置了普通權(quán)限和管理權(quán)限對監(jiān)控器進(jìn)行不同級別的操作；

⑦數(shù)據(jù)存儲功能，監(jiān)控器能存儲5400條故障記錄或5400條中斷記錄，且無保存時(shí)間限制；⑧打印功能，微型打印機(jī)漢字打印輸出歷史記錄的詳細(xì)數(shù)據(jù)；⑨通信功能，監(jiān)控器采用3路二總線和2路CAN總線通信方式，監(jiān)控器與電壓電流傳感器通過二總線通信方式進(jìn)行控制，采用CAN2.0通信方式，有較高的傳輸速率，每條總線的傳輸距離為1000m；

⑩可將開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸入作為其他信號輸入到監(jiān)控設(shè)備；復(fù)位功能，故障排除后，故障信號可自動或手動復(fù)位，且在復(fù)位后，監(jiān)控器能在100s以內(nèi)重新顯示尚存在的故障。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要為電源狀態(tài)監(jiān)控器和監(jiān)控傳感器設(shè)計(jì)。監(jiān)控器為其所接傳感器提供24V直流供電，通過3路二總線通信方式進(jìn)行監(jiān)控器與傳感器間的數(shù)據(jù)傳輸，2路CAN總線可用作監(jiān)控器系統(tǒng)級聯(lián)使用，RS 485通信接口可用于與上位機(jī)或圖形顯示裝置等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖4所示為本系統(tǒng)一種三相雙電源電壓電流信號傳感器與監(jiān)控器組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖4 一種三相雙電源傳感器與監(jiān)控器連接結(jié)構(gòu)圖

2.1 二總線技術(shù)

本系統(tǒng)采用二總線方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控器對監(jiān)控傳感器的供電與數(shù)據(jù)通信，二總線通信適用于遠(yuǎn)距離檢測、數(shù)據(jù)采集、火災(zāi)報(bào)警燈等領(lǐng)域；并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、分工明確、成本低、可靠性高；此外二總線系統(tǒng)還具有接口簡單、總線數(shù)少、功耗較低等特點(diǎn)[。

將二總線技術(shù)應(yīng)用到消防設(shè)備電源狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)測傳感器不需要單獨(dú)供電，不必串入配電系統(tǒng)中，只需要通過二總線從監(jiān)控器中為其提供24V直流電即可。二總線系統(tǒng)只有兩根線，其中一根作為電源和信號的參考地線；另一根線有3種用途：同時(shí)作為電源線、信號發(fā)送線和信號接收線。這樣就實(shí)現(xiàn)了供電和傳遞信號共用總線的目的，減少了布線成本，對于二總線無極性連接，也減少了施工過程中的接線錯(cuò)誤和調(diào)試工作量。

2.2 通信模塊電路

監(jiān)控器通信模塊電路采用北京強(qiáng)聯(lián)公司自廠生產(chǎn)的IC，即EV620，其內(nèi)含采用PowerBus技術(shù)的增強(qiáng)型主站控制IC，即PB620。PowerBus電源總線屬于低壓總線。通過在供電電纜上調(diào)制控制信號，替代了傳統(tǒng)分離的控制電纜和供電電纜，并大幅度提高通信穩(wěn)定性。

PowerBus總站控制器PB620能適應(yīng)現(xiàn)場使用的各種線材、并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的功能。電纜可以鋪設(shè)為總線型、樹形或星形等任意方式，極大方便施工布線，并且可以防止錯(cuò)接發(fā)生，簡化施工維護(hù)。PB620可對PowerBus總線提供電源管理功能，實(shí)現(xiàn)對總線的供電、通信和故障監(jiān)測。

可支持總線電流20A（2400bit/s），最大總線電壓可達(dá)48V，具有透明的串口協(xié)議，兼容原RS 485系統(tǒng)，可支持通信速率為9600bit/s和2400bit/s的半雙工通信。監(jiān)控器的通信模塊電路如圖5所示。

2.3 監(jiān)控傳感器STM32F電路

監(jiān)控傳感器的設(shè)計(jì)采用了意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103芯片，STM32F103CBT6是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)，具有32位閃存，128kB的Flash存儲器，多達(dá)20kB的SRAM，在72MHz頻率下運(yùn)行，能快速處理系統(tǒng)中實(shí)時(shí)采集的消防設(shè)備電源的工作狀態(tài)。

STM32F103有一套全面的節(jié)能模式，即睡眠模式、停止模式、待機(jī)模式，允許設(shè)計(jì)低功耗的應(yīng)用程序，低功耗設(shè)計(jì)可滿足電源和通信采用兩線制的要求。STM32F103電路如圖6所示，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和通信處理，實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

圖5 監(jiān)控器通信模塊電路

圖6 監(jiān)控傳感器STM32F103電路模塊

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)程序是基于Rt_thread操作系統(tǒng)，由C語言編寫，使用KEIL公司的MDK編譯器編譯。監(jiān)控器由主控程序、界面顯示程序（主界面、供電中斷顯示界面、故障顯示界面、供電中斷記錄界面、故障記錄界面、系統(tǒng)設(shè)置界面）、CAN通信程序、485通信程序、報(bào)警故障處理程序和輸出程序組成。監(jiān)控傳感器程序由主控程序、數(shù)據(jù)處理程序和中斷處理程序（數(shù)據(jù)采樣中斷、通信中斷、按鍵和顯示中斷）組成。

3.1 監(jiān)控器的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控器的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。由圖7可知，監(jiān)控器開始進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)行自檢，檢查是否有自身故障及傳輸連接故障。若有，則會發(fā)出聲光報(bào)警，等待工作人員檢查處理；若無，則按人機(jī)交互界面下傳達(dá)給監(jiān)控器的命令進(jìn)行相應(yīng)的操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

圖7 監(jiān)控器軟件設(shè)計(jì)流程圖

監(jiān)控器通過二總線方式對監(jiān)控傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲、顯示等。采集到的數(shù)據(jù)與提前設(shè)定的閾值進(jìn)行對比，若超過閾值范圍，即發(fā)生了過壓、欠壓、缺相等故障，監(jiān)控器則進(jìn)行聲光報(bào)警等動作。

3.2 監(jiān)控傳感器的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控傳感器的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

圖8 監(jiān)控傳感器軟件設(shè)計(jì)流程圖

監(jiān)控傳感器通電后，首先進(jìn)行初始化，初始化設(shè)置參數(shù)和外設(shè)，顯示界面等；然后實(shí)時(shí)采集設(shè)備的電源工作狀態(tài)，傳至STM32F103CBT6中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，分析處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲；最后與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，判斷是否發(fā)生故障，是否需要報(bào)警。

監(jiān)控傳感器主要對所監(jiān)控的設(shè)備電源工作狀態(tài)的信息進(jìn)行采集、處理、報(bào)警。與監(jiān)控器間用二總線的方式進(jìn)行通信，其中監(jiān)控傳感器的兩總線中斷程序如圖9所示。數(shù)據(jù)從串口傳入，產(chǎn)生中斷，判斷其為接收中斷還是發(fā)送中斷。若為接收中斷，則判斷指針是否為類RTU方式；若是RTU方式，則將數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)，否則清空指針清空緩沖區(qū)，中斷返回。若非接收中斷，則進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送程序。

圖9 監(jiān)控傳感器兩總線中斷程序流程圖

結(jié)論

消防設(shè)備正常運(yùn)行的根本是其供電電源是否保持良好的工作狀態(tài)，故消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，保證建筑物內(nèi)的消防設(shè)備在發(fā)生火災(zāi)及其他情況下不斷電，能及時(shí)有效的消除隱患，防患于未然。

本文設(shè)計(jì)了一種雙電源三相電壓電流信號傳感器與監(jiān)控器組成的監(jiān)控系統(tǒng)，其中監(jiān)控器有3路二總線、2路CAN總線和1路RS 285通信接口。與市面上大部分消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)不同的是，本系統(tǒng)不僅有CAN總線通信和RS 485通信，而且主要有3路二總線，將數(shù)據(jù)由監(jiān)控傳感器上傳到監(jiān)控器，二總線技術(shù)的應(yīng)用，使得系統(tǒng)布線簡單，成本降低，可靠性提高，無極性連接使得調(diào)試工作減少，安裝出錯(cuò)率降低。

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一種可靠、安全的消防電源監(jiān)控系統(tǒng)，可廣泛推廣使用。