摘要：城市綜合管廊是城市基礎設施現代化的重要標志，城市綜合管廊中布置了眾多的工程管線(xiàn)，是保障城市運行的重要基礎設施的“生命線(xiàn)"。一旦出現火災，將會(huì )存在爆燃的重大安全隱患，帶來(lái)*的損失。因此提出利用嵌入式技術(shù)來(lái)實(shí)現城市地下綜合管廊火災監測和報警。采用感煙型、感溫型等多種探測器實(shí)現融合監測，且對火源進(jìn)行測距定位，并輸出火源位置信息，控制火源附近滅火裝置滅火，實(shí)現對綜合管廊的可視化火災監測和報警。

關(guān)鍵詞：綜合管廊；火災監測；單片機；探測器

0引言

綜合管廊全稱(chēng)地下城市管道綜合走廊，即在城市地下建造一個(gè)隧道空間，將給水、電力、熱力、通訊等各類(lèi)工程管線(xiàn)集于一體，地上附著(zhù)物為出裝口及通風(fēng)口等設備，是保障現代化城市安全運行的重要基礎設施。隨著(zhù)我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程也在不斷地加快，與之配套的基礎設施建設卻相對滯后，為了統籌各類(lèi)市政管線(xiàn)規劃、建設和管理，解決反復開(kāi)挖路面、架空線(xiàn)網(wǎng)密集、管線(xiàn)事故頻發(fā)等問(wèn)題，保障城市安全、完善城市功能、美化城市景觀(guān)，提高城市綜合承載能力和城鎮化發(fā)展質(zhì)量，綜合管廊的建設近年來(lái)得到了飛速發(fā)展。由于綜合管廊深埋地下，各類(lèi)管線(xiàn)復雜交錯，一旦出現火災事故，則必然對社會(huì )以及經(jīng)濟秩序的發(fā)展造成嚴重影響，甚至造成人員傷亡，因此對于綜合管廊內的火災監測與報警系統的設計研究具有重要的現實(shí)意義。

1系統總體設計方案

該系統設計以實(shí)現城市綜合管廊火災監測與報警為目標，對城市綜合管廊內的消防安全進(jìn)行管控設計。該設計主要包括系統硬件設計、CAN網(wǎng)絡(luò )的組建以及上位機軟件設計，系統總體架構圖如圖1所示。該系統終端（管廊內各防火分區）配有多種類(lèi)型的采集模塊以實(shí)現融合監測，這些采集模塊與ESP-12F單片機相連，ESP-12F通過(guò)自身搭載的ESP8266模塊與上一層的區域子控制器（GD32處理器搭載ESP01WiFi模塊）相連，區域子處理器使用CAN總線(xiàn)技術(shù)與本地服務(wù)器連接，本地服務(wù)器進(jìn)行數據處理后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至云平臺。監測人員可以通過(guò)手機、電腦等設備實(shí)時(shí)查看、處理相關(guān)數據。

圖1系統總體架構圖

2系統硬件設計

該系統的硬件設計主要包括終端采集模塊以及區域子控制器的設計。終端采集模塊控制器的中控芯片選擇的是I/O口較多、類(lèi)型豐富的ESP-12F單片機，它擁有兩個(gè)全雙工的串行通信接口，可以與WiFi模塊間進(jìn)行數據的交換傳輸，能充分滿(mǎn)足組網(wǎng)的要求。ESP-12F單片機連接感溫模塊、感煙模塊，以便實(shí)時(shí)將相關(guān)信息傳送出去。感煙模塊選擇的是能耗較低的MQ2感煙模塊，具有探測范圍廣、靈敏度高、穩定性好、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。感溫模塊采用的是DS18B20數字溫度傳感器，具有體積小、硬件開(kāi)銷(xiāo)低、抗干擾能力強、精度高的優(yōu)點(diǎn)。所有探測器均根據GB50116―2013《火災報警系統設計規范》以及GB50838―2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規范》中的要求進(jìn)行敷設。

區域子控制器在該系統中起到承上啟下的作用，它的核心選用了實(shí)用性強、價(jià)格低廉的國產(chǎn)GD32F103CBT6單片機。電路部分主要包括電源電路、濾波電路、復位電路以及ESP01電路等子電路。區域子控制器與管廊內各防火分區的終端采集模塊建立通信，完成數據傳輸后通過(guò)CAN總線(xiàn)將數據上傳到本地服務(wù)器。

3 CAN網(wǎng)絡(luò )的組建

完成該系統設計的關(guān)鍵是解決系統內部間的數據傳輸問(wèn)題，該設計主要是針對城市綜合管廊的火災監測與報警而提出，因此設計時(shí)要充分考慮到管廊內的復雜情況。例如某些綜合管廊的跨度很大，是否會(huì )影響通信的穩定性。而CAN總線(xiàn)的*通信距離能夠達到10km，足以滿(mǎn)足大部分管廊的通信問(wèn)題。因此選擇利用CAN總線(xiàn)解決通信問(wèn)題。CAN總線(xiàn)又叫控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)，是一種用于實(shí)時(shí)應用的串行通訊協(xié)議總線(xiàn)，它可以使用雙絞線(xiàn)來(lái)傳輸信號。由于管廊覆蓋面積廣，所以需要布置大量的區域子控制器，而CAN總線(xiàn)上的*節點(diǎn)數可達110個(gè)，能充分滿(mǎn)足大量區域子控制器的數據傳輸。

在區域子控制器設計了CAN總線(xiàn)通信電路來(lái)實(shí)現它與本地服務(wù)器之間的通信。通信電路的核心是TJA1050，TJA1050是一款高速CAN信號收發(fā)器，可將單片機信號轉換為CAN總線(xiàn)收發(fā)器所需的CAN電平。收發(fā)器共有8個(gè)引腳，引腳示意圖如圖2所示。

圖2 TJA1050芯片管腳示意圖

4上位機軟件設計

4.1軟件總體設計

該設計使用了VisualStudio2022作為上位機軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境，它是Windows平臺應用程序的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，也是開(kāi)發(fā)人員常用的開(kāi)發(fā)工具之一。上位機軟件是基于Framework4.7.2框架開(kāi)發(fā)的Window窗體應用程序，編譯語(yǔ)言使用的是C#面向對象的編譯語(yǔ)言。USB-CAN的接口卡選的是北京愛(ài)泰公司的產(chǎn)品，型號為USBCAN-I+，因此需要安裝北京愛(ài)泰公司USBCAN驅動(dòng)才能使用它。上位機程序通過(guò)調用北京愛(ài)泰公司提供的usbcan.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，便可以實(shí)現對USBCAN-I+的開(kāi)啟、關(guān)閉，讀取和發(fā)送CAN數據等功能，實(shí)現上位機軟件到控制器硬件之間的數據通信。同時(shí)上位機程序利用數據庫提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫MySql.Data.dll進(jìn)行操作，實(shí)現了上位機軟件連接阿里云數據庫，對阿里云數據庫進(jìn)行增刪查改等操作，完成本地主機和阿里云平臺之間的數據傳輸交換。上位機界面和接收數據流程圖如圖3所示。

圖3上位機界面示意圖

打開(kāi)軟件運行程序后，首先會(huì )進(jìn)入初始化環(huán)節，進(jìn)行USBCAN設備的檢測，當檢測到設備后，開(kāi)啟設備并獲取設備參數，沒(méi)有檢測到設備時(shí)，需要等待設備連接，連接后點(diǎn)擊連接按鍵開(kāi)啟設備讀取參數，緊接著(zhù)開(kāi)啟接收數據中斷，程序正常運行。程序從USBCAN設備讀取數據并將數據傳送至阿里云數據庫。軟件接收數據流程圖如圖4所示。首先程序會(huì )定時(shí)查詢(xún)USBCAN設備有無(wú)數據傳來(lái)，直到檢測到數據，進(jìn)行數據接收、處理數據，上位機軟件顯示數據，同時(shí)將數據通過(guò)編寫(xiě)C#命令發(fā)送至阿里云數據庫。

圖4軟件接收數據流程圖

4.2三邊測量定位算法

綜合管廊深埋地下，內部空間狹小且情況復雜，難免會(huì )發(fā)生各類(lèi)故障問(wèn)題，因此管廊內部經(jīng)常有維修人員或運維員工的出入，當發(fā)生火災時(shí)，首先要保障人員的生命安全，因此提出使用三邊測量定位算法來(lái)確定人員位置進(jìn)而實(shí)施救援。利用ESP8266模塊作為節點(diǎn)，用于測得節點(diǎn)與管廊內人員的距離。因為使用的是三邊測量定位算法，所以需要三個(gè)節點(diǎn)與人員之間的距離信息。具體測量方法：假設測得三個(gè)節點(diǎn)與人員的位置信息，三個(gè)節點(diǎn)位置分別為（x₁，y₁）、（x₂，y₂）、（x₃，y₃），被困人員距離節點(diǎn)的距離分別為R₁、R₂、R₃，代入方程組：

求解方程組解得的（x_m，y_m）為m時(shí)刻人員所在位置的二維坐標，隨著(zhù)不斷的采集，信息的不斷完善，控制室便可根據人員的位置信息的移動(dòng)，繪出人員的移動(dòng)軌跡，從而確定人員的*位置，保障被困人員的生命安全。

5 AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

5.1平臺概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監測于一體，為建立可靠、安全、*的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網(wǎng)絡(luò )、系統架構、聯(lián)動(dòng)控制和綜合數據服務(wù)等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過(guò)程中存在內部干擾性強、使用單位多及協(xié)調復雜的根本問(wèn)題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環(huán)境和設備的使用和恢復效率。

5.2平臺組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統是一個(gè)深度集成的自動(dòng)化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環(huán)境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門(mén)監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器、手機APP獲取數據，通過(guò)一個(gè)平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監控、統一管理、統一調度，同時(shí)滿(mǎn)足管廊用電可靠、安全、穩定、*、有序的要求。

5.3平臺拓撲

5.4平臺子系統

5.4.1電力監控

電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進(jìn)行保護和監控，對0.4kV出線(xiàn)配置多功能計量?jì)x表，用于測控出線(xiàn)回路電氣參數和用能情況，可實(shí)時(shí)監控高低壓供配電系統開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

5.4.2環(huán)境監測

環(huán)境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門(mén)禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時(shí)也可接入管廊艙室內的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機等設備集成的三方系統完成管廊環(huán)境綜合監控。

5.4.3電氣安全

 AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門(mén)狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，發(fā)生異常時(shí)通過(guò)聲光、短信、APP及時(shí)預警。

6結束語(yǔ)

城市綜合管廊是城市基礎設施的重要組成部分，綜合管廊的火災監測與報警的重要性不言而喻，管廊中任何一個(gè)分段發(fā)生事故都可能造成部分城市發(fā)生功能性癱瘓，甚至威脅到人們的生命安全。本文設計的城市綜合管廊火災監測與報警系統，充分利用嵌入式技術(shù)，通過(guò)各個(gè)傳感器節點(diǎn)對管廊內部實(shí)時(shí)情況的上傳、匯總，實(shí)現了運維人員對整個(gè)管廊的監控與管理。通過(guò)對該系統的軟件與硬件的仿真、調試，驗證了該系統的可行性，達到火災監控與報警的目的。

參考文獻

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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05