1 基于無線通信質(zhì)評的電氣火災智能監(jiān)控系統(tǒng)設計

（1）無線通信網(wǎng)絡設計

無線通信網(wǎng)絡由 ZigBee 主站、ZigBee 從站、總線、上位機單元構成,運行流程如下:ZigBee 主站與總線相連，上位機單元向總線發(fā)送信息后,主站會收到發(fā)送的信息。而一些監(jiān)控設備也與總線相連同樣會接收到發(fā)送的信息并進行處理。ZigBee 主站在收到信息后,會通過無線通信網(wǎng)絡向 ZigBee 從站發(fā)送信息,由從站向與從站相連的監(jiān)控設備發(fā)送接收信息四。而信息的回送過程則剛好與發(fā)送過程相反。其中總線選用的是 485 總線，上位機單元中選用的上位機為 OptiPlex-2x,選用的服務器為 IPC610L 多擴展雙千兆網(wǎng)口上位機服務器問。在 ZigBee主站、ZigBee 從站搭建的無線通信網(wǎng)絡中，節(jié)點使用的 ZigBee 芯片設計具體如下:首先配置高性能的無線收發(fā)器與高性能的 CPU 內(nèi)核.CPU 內(nèi)核選用的是 32-bit RISC。并在芯片中植入 3 種網(wǎng)絡協(xié)議棧包括 JenNet,ZigBee,IEEE823.15.2。配置多種數(shù)字應用接口,包括 Comparators,DAC,12-bit ADC,PWMTimers,GPIO ,2-Wire Serial(12C),SPI,UARTs,并配置 96K的 RAM 與192K的 ROM。在 ROM 中對成熟底層協(xié)議棧進行固化.在 RAM 中對網(wǎng)絡協(xié)議棧進行固化。*后配置 128-bit 的 AES 加密器件與多個低成本外擴器件.包括 1個串行 FLASH、5 個電容1 個晶振問。ZigBee 芯片作為主控芯片,為節(jié)點配置其他單元,完成 ZigBee 節(jié)點的設計,具體配置如圖1 所示口。

其中供電單元通過電壓調(diào)節(jié)器為 ZigBee 芯片提供 1.8 V 電源。并設計一種 USB 供電方式為其他器件供電。在 USB 供電方式中,選用 LD1117-3.3 V芯片對 USB 的 5 V 電壓進行轉換,將其轉換為3.3 V.在射頻單元中.使用的無線射頻芯片為CC2541F256芯片上搭載的片載系統(tǒng)為 2.4 GHz Bluetooth。并為無線射頻芯片配置一些外部組件,包括 5 通道直接內(nèi)存訪問、紅外生成電路等網(wǎng)。

藍牙單元使用的藍牙芯片為 BXM 芯片通過該芯片實現(xiàn) ZigBee 節(jié)點之間的通信。為芯片配置接收管腳與 UART串口發(fā)送腳。24 MHz 晶振選用的是 TCXO 溫補晶振,將其接入 ZigBee 芯片中,通過3225 貼片進行封裝。在 ZigBee 協(xié)議棧中，使用的ZigBee 協(xié)議為 Z-Wave。ZigBee 主站與 ZigBee 從站均由協(xié)調(diào)器與 ZigBee 節(jié)點構成。其中協(xié)調(diào)器能夠構建無線網(wǎng)絡.對無線網(wǎng)絡的運行進行維護。并發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點想要加入無線網(wǎng)絡的請求,具備自動組織的功能網(wǎng)。協(xié)調(diào)器的工作流程設計具體如下:

1)對 ZigBee 芯片與外設進行初始化處理.

2)對 ZigBee 協(xié)議棧進行初始化處理:

3)構建 ZigBee 網(wǎng)絡:

4)對缺省參數(shù)進行配置:

5)監(jiān)聽 ZigBee 網(wǎng)絡,在 ZigBee 網(wǎng)絡中接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)包進行解析:

6)將數(shù)據(jù)封裝為串口數(shù)據(jù)包,通過總線向上位機發(fā)送數(shù)據(jù);

7)在監(jiān)聽 ZigBee 網(wǎng)絡的同時對總線進行監(jiān)聽.在總線中接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)包進行解析:

8)將數(shù)封裝為 ZigBee 數(shù)據(jù)包，通過 ZigBee 網(wǎng)絡向 ZigBee 從站發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2） 監(jiān)控模塊設計

在監(jiān)控模塊中.通過剩余電流探測器與開關電壓調(diào)節(jié)器實現(xiàn)電氣火災剩余電流的監(jiān)控。其中剩余電流探測器能夠?qū)崿F(xiàn)自檢、DI 消防、按鍵切換、聲光報警、液晶顯示以及剩余電流報警功能l10。剩余電流探測器的設計具體如下:設計了一種控制芯片,能夠?qū)崿F(xiàn)外部信號采集、實時數(shù)據(jù)顯示、信號轉換以及開關狀態(tài)顯示等功能”。芯片的設計具體如下:配置多個中斷源.通過中斷的方式將芯片切換至低功耗運行模式。配置 16 位精簡指令集,使芯片具有多樣化的尋址方式與更加靈活的程序編寫方式。通過多個寄存器開展運算處理,具體包括功能選擇寄存器、輸人寄存器、方向寄存器、輸出寄存器。通過8 MHz 晶體進行驅(qū)動.使芯片達到 125 ns 的指令周期。為芯片配置以下片內(nèi)外設:2k的 BRAM、60 k的BFLASHROM、多個 I/0 端口、硬件雙串口 USARTI與 USARTO 以及看門狗電路。在剩余電流采集電路中,通過電壓傳感器進行剩余電流的測量,選擇的電壓傳感器為毫安級別精密度的電壓傳感器。剩余電流采集電路的電路設計如圖 2 所示。選用的液晶顯示模塊為 AMPIRE12864。將AMPIRE12864 接入到控制芯片中.實現(xiàn)參數(shù)查詢界面、DIDO 狀態(tài)、報警動作值、剩余電流實時值的顯示。

（3）信號數(shù)據(jù)處理模塊設計

在電流信號數(shù)據(jù)處理模塊中使用的信號濾波處理算法是自適應算法,具體處理步驟如下:

1)y(a)表示時間b某點處的一組信號其中包含著N個信號.具體描述為

2)信號y(a)的權值為

3）過自適應線性模型獲取輸出信號?(a)，?(a)可以通過輸入向量及其對應權向量來表示，具體如下式:

式中:是第j個輸出的輸人向量對應的權向量;是第j個輸出的輸入向量;I是N中的一個正整數(shù)。

4）c(a)表示期望信號,d(a)表示誤差信號，則誤差信號為:

5)將均方差函數(shù)作為誤差準則.即:

6)根據(jù)均方差函數(shù)對原始信號實施濾波處理,也就是當 y *小時,對*佳權系數(shù) B" 進行求解求解結果為*小均方誤差點,濾除誤差大于求解結果的信號。其中*佳權系數(shù)求解公式為

就此完成各種信號的濾波處理。

（4）火災預警模塊設計

在火災預警模塊中,基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡設計電氣火災預警算法.實施電氣火災預警。預警流程如下:

(1)通過 MATLAB 軟件構建糊神經(jīng)網(wǎng)絡火災預警模型.模型為三層結構。

其中輸入層中共有 4 個節(jié)點分別為工作電流信號、電流電壓信號、線路溫度信號、線路剩余電流信號;隱含層中共設置 6 個節(jié)點,節(jié)點數(shù)目由式(7)決定,而輸出層中共有 3 個節(jié)點,分別為明火概率陰燃概率以及無火概率。

參考文獻

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[2]安科瑞電氣企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2020.06版

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