（电路与系统专业论文）基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远程监控系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远羊订监控系统设汁 摘要 利用ca n 、r s 4 85 等现场总线可以实现多个剩余电流报警控制器之间 的组网，但组网能力有限，通信协议也较简单，而且是封闭式的通讯协 议，各厂商的产品之间不能实现互联，难以实现在一个统一的环境下实 行监控。而随着以太网技术和微控制器技术的发展，在剩余电流防火报 警系统中采用嵌入式系统技术已成为可能。本文正是针对这一现状，设 计开发了基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远程监控系统。 ( 1 ) 深入研究并论述了剩余电流防火报警远程监控系统设计的关键 技术，包括剩余电流的产生及引发火灾原因、剩余电流防火报警系统的 组成及应用范围，嵌入式技术，t cp i p 协议，组态软件技术。 ( 2 ) 根据剩余电流防火报警远程监控系统的功能和技术性能要求， 给出了系统的总体设计方案，包括系统的硬件和软件的整体结构图，并 简要阐述了各主要模块的功能。 ( 3 ) 设计开发了剩余电流防火报警远程监控系统客户端的硬软件， 详细论述了客户端硬软件的设计，硬件主要包括主处理器单元、剩余电 流信号检测模块、转换模块、报警脱扣模块、串行通信模块、网络通信 模块、看门狗模块、电源模块等的组成原理和设计方法：软件主要包括 剩余电流判定、串行通信、以太网控制器驱动、t cp i p 协议栈的设计等。 ( 4 ) 结合某住宅小区工程项目，阐述了其剩余电流防火报警远程监 控系统系统结构、分级保护以及基于m c g s 监控平台的设计。通过监控 平台和嵌入式服务器相连，系统实施了运行，并对运行中出现的问题进 行了分析。 本文设计的基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远程监控系统，使 原有传统剩余电流防火报警控制器提升为网络防火报警控制器，达到在 一个统一的监控环境下实行监控，解决了协议不统一的问题，同时用 m c g s 组态软件做监控平台为监管及维护人员提供了友好、直观的界面， 易于操作和使用。 关键词：剩余电流；嵌入式技术：t c p lp 协议；m c g s i i a b s t r a c t m a k i n gu s eo ff i e l db uss u c ha sc a n ，r s 4 8 5m a yb e r e a l i z e dm a n v g r o u pn e t sb e t w e e nt h er e s i d u a lc u r r e n ta l a r mc o n t r o l l e r s t h eg r o u pn e t a b i l i t yi sl i m i t e d t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lisa ls os i m p l e r ，m o r e o v e ri s e n c i o s e dp r o t o c 0 1 e v e r yp r o t o c o lc a n tr e a l i z ea ni n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e n t h ef i r m sp r o d u c t s i tisd i f f i c u l tt oc o m et r u e p u t t i n gs u p e r v is o r yc o n t r o l i n t o p r a c t i c e u n d e rau n i f i e d e n v i r o n m e n t w i t ht h e d e v e l o p m e n to f e t h e r n e tt e c h n o l o g ya n dm i c r o c o n t r o l l e rt e c h n o l o g y ，i ti s p o s s i b l et ou s e e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o i o g yi nt h er e s i d u a lc u r r e n tf i r ea l a r ms v s t e m i n v i e wo ft h e p r e s e n ts i t u a t i o n ， t h is p a p e rd e s i g n e da n d + d e v e l o p e dt h e r e s i d u a lc u r r e n tf i r ea l a r ms y s t e mw i t hr e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o lb a s e do n e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y ( 1 ) t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o i o g i e s i n c l u d i n gt h er e s i d u a 】 c u r r e n tp r o d u c t i o n ，t h ec a u s eo ft h er e s i d u a l c u r r e n t ，c o m p o s i t i o na n dt h e a p p i l c a t l o ns c o p eo ft h er e s i d u a lc u r r e n tf ir ea l a r m s v s t e m ， e m b e d d e d t e c h n o l o g y ，t c p l p ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et e c h n o l o g yw e r ei l l us t r a t e di n t h ep a p e r ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h et e c h n i q u ei n d i c a t o ra n dt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t ， t h eo v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e mw a sg i v e no u t t h eh a r d w a r es o f t w a r e o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e mw e r eg i v e no u ta s w e l l t h ef u n c t i o n so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d u l ew e r ee x p l a i n e d ( 3 ) t h ed e s i g no ft h ec 】i e n th a r d w a r ea n ds o f t w a r ew a sd is c u ss e di n d e t a i l t h ed e s i g nm e t h o da n dt h ep r i n c i p l eo ft h eh a r d w a r e ，i n c l u d i n gt h e h o s t p r o c e s s o ru n i t ， t h er e s i d u a lc u r r e n t s i g n a l d e t e c t i o n m o d u l e ， t h e c o n v e r t e rm o d u j e ， t h eaj a r ma n dr ej e a s e m o d u l e ，t h es e r i aj i n t e r f a c e c o m m u n i c a t l o nm o d u l e ，t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t h ew a t c h d o g m o d u l e ，t h ep o w e rm o d u l ew e r ed i s c u s s e di nd e t a i l s t h ed e s i g no fs o f t w a r e ， i n c l u d i n g t h e r e s i d u a l c u r r e n t d e t e r m i n a t i o n ， t h es e r i a l i n t e r f a c e c o m m u n i c a t i o n ，e t h e r n e tc o n t r o l l e rd r i v e ra n dt c p i pw e r ed is c u s s e di nt h e p a p e r ( 4 ) t h er e s i d u a lc u r r e n tf i r ea l a r m t h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o j e c ti n m s y s t e mw a sd e v e l o p e db yc o m b i n e d r e s i d e n c t h e s y s t e ms t r u c t u r e ， 基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远千订监控系统设计 t h r e e - r a t e d p r o t e c t i o n a n dt h ec o n t r o li n t e r f e c eb a s e do nm c g sw e r e d e s i g n e d c o m b i n e dt h ee m b e d d e dc l i e n t ，t h es y s t e mw a sp u t e di n t ot h e p r a c t i c em o v e m e n t ，a n da n a l y e dq u e s t i o n sa p p e a r e d i nt h isp a p e r ，t h et r a d i t i o n a lr e s i d u a lc u r r e n tf i r ea l a r mc o n t r o l l e rh a s b e e np r o v i e dt h en e t w o r ka n dc a nb em o n i t o r e di nau n i f i e dm o n i t o r i n g e n v i r o n m e n t t h ep f o t o c o lh a sb e e nr e s o l v e da tt h es a m et i m e m c g s c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e p r o v i d e sf r i e n d l y ， i n t u i t i v e i n t e r f a c e ， e a s y t o o p e r a t ea n du s ef o rt h em o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c es t a f f k e yw o r d s ：r e s i d u a lc u r r e n t ： e m b e d d e dt e c h n o l o g y ；t c p i p ：m c g s i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 f l 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全 r 解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位沦文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 作者签名：堂，誊笔日期： 7 年。乞月艺日 作者签名：、 。 日期： p 年l ，月 艺6 日 翩阮赫轨号眺曲年啪z 歹日 硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 据中国火灾统计年鉴的统计，自19 9 3 2 0 0 2 年全国范围内发生 电气火灾2 0 3 7 8 0 起，占火灾总数的3 0 ，在所有的火灾起因中居首位。 电气火灾造成的人身伤亡数值相当惊人，仅2 0 0 0 2 0 0 2 年就造成3 2 l5 人 伤亡。我国的电气火灾大部分是由于短路引发的，特别是接地电弧性短 路。因此有必要安装“漏电火灾报警系统”以提前发现火灾隐患，提前 解决问题，减少财产人员损失【l 】。有关专家积极呼吁尽快采取有效的技 术防范措施，遏制电气火灾的上升势头，政府有关部门也非常重视，相 继制订或修改了有关标准规范，要求在建筑中设置剩余电流火灾报警系 统。“漏电”在国际上的通用术语是“剩余电流”，其它有关国家标准 也称之为“剩余电流”，2 0 0 5 年12 月lf 1 国家标准剩余电流动作保护装 置的安装和运行g b l3 95 5 2 0 05 实施后，统一称“漏电”为“剩余电流”。 根据2 0 0 6 年6 月1 同实施的电气火灾监控系统g b l42 87 2 0 05 规定：电 气火灾监控系统主要包括剩余电流式电气火灾监控系统和测温式电气火 灾监控系统。因此，高层民用建筑设计防火规范g b 5 0 0 4 5 ( 2 0 05 版) 中有关条文要求设置的剩余电流火灾报警系统就是g b l3 955 定义的“漏电 动作电气火灾监控系统”，也就是由g b 14 2 87 2 20 0 5 规定的剩余电流式 电气火灾监控探测器构成的电气火灾监控系统。本文遵照上述规定，把 漏电也统称为剩余电流。 高层民用建筑设计防火规范g b 5 0 0 4 5 9 5 ( 2 0 0 5 版) 局部修订条 文9 5 1 条、强制性国标剩余电流动作保护装置的安装和运行 g b13 9 55 2 0 0 5 都强调了剩余电流动作保护装置在防止因接地故障而引起 的电气火灾的防护作用，要求在建筑物内安装剩余电流动作火灾监控系 统。可以说，预防建筑电气火灾，设置剩余电流火灾报警系统的国家标 准和规范已经基本齐全( 还有有关的其他规范正在报批中) ，今后有关场 所设计、应用剩余电流火灾报警系统将越来越多。 电气火灾主要有两个原因：首要原因是由于潮湿引起的电弧及拉弧。 在绝缘故障或杂散电流的作用下，微小的电弧可以持续存在于阻抗大于 o 6 欧的剩余电流回路。只需要很少的能量就会使拉弧不断产生，从而可 能造成火灾的危险。其次的原因是由于无法控制的温升造成，而温升的 基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远程舱控系统没计 主要原因是由于保护设备不正确的设置以及错误的故障贿赂阻抗的计算 造成的；同时电气设备缺乏维护和使用寿命到期也会有导致潜在的温升。 如果过载保护设备不能正确动作，过高的温升就将导致过流或短路，从 而可能引发火灾。由于温升引起的电气火灾主要是人为的原因，是可以 通过最初的设计以及日常的维护和监测来避免的。而由于用户产生的火 灾更多的是由于环境因素造成的，更不宜被发现，因此需要有效的监测。 单纯的控制和降低剩余电流仅是降低风险的一个手段，而剩余电流保护 及监测是有效的防止火灾的措施【2 1 。“剩余电流火灾报警监控系统”能准 确监控电气线路的故障和异常状态，能发现电气火灾的火灾隐患，及时 报警提醒管理人员去消除这些隐患。 剩余电流引发的火灾与其他电气火灾相比较其最大的特性是隐蔽性 强。它通常悄悄地发生，失火后也容易被短路等假象所掩盖，危害性也 就更大。因此，加强对剩余电流的技术防范措施应是当前电气防火工作 的重要任务之一。 1 2 国内外研究现状及其发展趋势 1 国外对预防剩余电流起火所采取的技术措施 发达国家十分重视对电器火灾的防范，据有关资料报道，同本19 7 8 年 在其内线规程( j e a c 8 0 0 卜197 8 ) 第19 0 条明确要求建筑面积在15 0 m 2 以上的旅馆、饭店、公寓、集体宿舍、家庭公寓、公共住宅、公共浴 室等地必须安装能自动报警的剩余电流火灾报警器。此规程为同本电气 火灾的控制起了重要作用，电气火灾只占总火灾的2 3 ( 其人均用电量 为我国的八倍) 。日本之所以能有效控制电器火灾，除了其电气材料及 施工质量较好、严格执行电气设计规范和管理到位外，一个很重要的原 因就是广泛应用了剩余电流在线检测技术。剩余电流断路器和电气火灾 剩余电流探测报警器是配套使用的，前者安装在负载终端，用于人身电 击的保护，后者安装在用电单位变压器低压侧的接地线中或分电盘处， 检测用电系统或干线的剩余电流，如超过设定值即自动报警，用于预防 剩余电流引起的电气火灾。两者配合构成了对剩余电流“整体监测、局 部跳闸 的完整防护体系。欧美各国也广泛采用技术手段检测供电线路 及设备的绝缘状态，一种检测间电弧的仪器也已问世，这就大大的减少 了电气火灾发生的可能。le c 国际电工委员会1 99 412 0 0 5 3 中59 3 3 条明确要求采用两级或三级剩余电流保护装置，防止由于剩余电流引起 的电气火灾和人身触电事故1 3 】。 2 国内剩余电流火灾报警系统的研究现状及发展趋势 2 硕士学位论文 目前，电气火灾隐患的早期报警技术属于新兴学科，但已经引起了 国内科研、生产部门的高度重视。我国2 0 世纪9 0 年代开始在一些电气规 范中对接地故障火灾做出了防范规定。例如剩余电流保护器安装和运 行( g b13 9 5 5 9 2 ) 、低压配电设计规范 ( g b 5 0 0 5 4 9 5 ) 、 住宅 设计规范( g b 5 0 0 9 6 9 9 ) 。防火剩余电流监控设备在剩余电流监控方 面属于先期预报警系统。与传统火灾自动报警系统不同的是电气火灾早 期报警是为了避免损失，而传统火灾自动报警系统是为了减少损失，所 以已经安装了火灾自动报警系统的单位，仍需要安装防火剩余电流报警 系统。 剩余电流火灾报警系统的报警信号大多数情况不宜作用于切断电 源，仅作为报警，由管理人员来决定是否需要切断电源。因为剩余电流 火灾报警，其功能是在火灾形成之前，对有可能发生火灾的电气回路的 剩余电流进行检测，实际火灾并没有形成。由人工进行判断、检查再做 出决定是保证连续供电还是切断电源，这是一种较为合理的做法。 目前剩余电流火灾报警系统一般自己独立成系统，能接收来自电气 火灾监控探测器的报警信号，发出声、光报警信号，指示报警部位，显 示、记录、计算并保存报警信息。它们与消防控制室的火灾自动报警系 统的通信联络是采用总线通信方式进行的。至于将来的发展方向，是否 将现场所探测到的剩余电流火灾报警信号，就如同一个感烟、感温探测 器一样，直接进入建筑中所设置的火灾自动报警系统总线中来，有待于 研究。因为就目前这类产品的生产企业来说，大部分仅仅是生产剩余电 流或报警设备，而不生产火灾自动报警系统的产品。剩余电流火灾报警 产品要进入火灾自动报警系统，有其通信协议的问题。就目前的火灾自 动报警系统而言，绝大部分的产品是不能互相替换，也就是说其通信协 议是不开放的，互通互联具备一定的困难，但是在系统的主控制器处互 相通信，还是具有一定的可行性1 2 j 。 1 3 课题研究意义 目前，大多数剩余电流防火报警控制系统还处于单独应用阶段，以 m c u 为核心，与火灾探测器及联动装置配合实现自动报警及联动功能。 随着建筑物探测部位的增加，仅仅依靠增加控制器的探测器点数的方法 已远远不能满足需要，迫切要求将多个火灾报警控制器联网，实现网络 化。有些报警控制器利用c a n 、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等现场总线实现多个报 警控制器之间的组网，但这种网络有效范围比较有限，一般适用于相邻 建筑之间的联网；有关的通信协议也比较简单，而且是封闭式的通讯协 3 基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远程监控系统设计 议，各厂商的产品之间不能实现互联，难以实现在一个统一的环境下实 行监控。 结合本课题深入研究了剩余电流火灾控制器、嵌入式i n t e r n e t 的实现 技术以及组态技术，并分别应用于底层网络控制模块及上层远程监测平 台。在避免更改报警控制器原有电路结构的前提下完成对其网络化改造， 提高产品性能，满足客户对剩余电流火灾报警系统的远程监测需求。该 项目的研究有助于提高我国剩余电流防火报警技术的自动化水平，促进 其向信息化、网络化方向发展，为剩余电流防火事故的预防提供进一步 的保障，无论从社会效益还是经济效益来看，都具有积极的意义。 剩余电流防火自动报警远程监控系统是利用因特网对系统内部的火 灾自动报警设备及重点场所进行实时数据采集和处理的远程监控管理网 络系统【3 1 。通过采用t c p i p 协议在互联网上进行报警数据的远程传送， 直接向监管中心或消防中心提供详细准确的报警部位、报警类型、系统 运行状态、故障信息、工作记录等信息，并可实现设备远程数据维护功 能【4 】。同时远端的服务器在收集到报警信息后进行告警提示并存储记录， 以供查询。 该方案使原有传统火灾报警控制器提升为网络火灾报警控制器，并可 以此为基础向不同厂家报警控制器实现联网提供一个标准化硬件及软件 平台，达到用一个统一的监控系统对各个厂家的设备进行监管”j ，有利 于国家相关部门的集中管理，解决了协议不统一的问题1 6 1 ；同时用组态 软件作为监控平台，为用户提供友好、直观的界面，易于操作和使用。 因此采用网络通信技术，构筑数字化火灾自动报警系统信息管理平 台，实现对各火灾自动报警子系统的远程集中监测，不仅可以更为直接、 准确地获得各种报警信息，而且可以确保各子系统处于正常的运行状态。 所以，基于嵌入式in te r n et 的剩余电流防火报警远程监控系统具有很高 的应用价值。 1 4 本文主要研究内容 第1 章绪论。论述了选题背景，国内外剩余电流火灾报警系统的研 究现状及发展趋势，阐述基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远程监控 系统的研究所具有的重大现实意义。 第2 章系统设计技术基础。深入研究并论述了剩余电流防火报警远 程监控系统设计的关键技术，包括剩余电流的产生、剩余电流引发火灾 的原因，嵌入式技术，t c p i p 协议，组态软件技术等。 第3 章系统总体方案设计。根据剩余电流防火报警远程监控系统的 4 硕卜学位论文 功能和技术性能要求，给出了系统的总体设计方案。 第4 章系统客户端硬软件设计。详细论述了客户端硬软件的设计， 硬件主要包括开发环境、主处理器单元、串行通信模块、外扩存储器模 块、网络通信模块等的组成原理和设计方法；软件主要包括剩余电流判 定、以太网控制器驱动、t c p i p 协议栈等的设计。 第5 章工程应用示例。结合某住宅小区的剩余电流防火报警远程监 控系统工程项目，阐述了其系统结构、分级保护以及基于m c g s 监控平 台的设计。通过监控平台和嵌入式服务器相连，系统实施了运行，并对 运行中出现的问题进行了分析。 最后对本文研究工作进行总结与展望。 5 基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远程监控系统设计 第2 章系统设计技术基础 2 1 剩余电流的产生与引发火灾原因 1 剩余电流的产生 正常情况下，电流在绝缘体所包围的导体内流动，不会引起危害。 但当绝缘层由于摩擦、挤压、切割、受热、老化、潮湿、污染、腐蚀等 物理和化学作用而被破坏、丧失或部分丧失绝缘性能时，如果在绝缘破 损处和大地之间存在着某种程度的导电途径，那么在对地电压的作用下， 就会有一部分电流从绝缘破损处流出，经导电途径入地再流回电源，这 种故障现象就是剩余电流。绝缘破损处称为剩余电流点，电流进入大地 处称为接地点。在实际剩余电流故障中，剩余电流点一般只有一点，而 接地点则往往有多点；另外，大部分的剩余电流为小电流剩余电流，并 不能使线路中的常规保护装置( 熔断器、自动丌关等) 动作而切除故障部 分的电源，直到发生触电、火灾等事故而被发现1 7j 。 2 剩余电流引发火灾的原因 剩余电流造成火灾的最主要原因是剩余电流从剩余电流点到接地点 流入大地途中，在电阻较高的部位发生热作用引燃附近可燃物而造成火 灾【7 1 。也就是说，剩余电流引起火灾的机理就是剩余电流的热作用形式， 主要有击穿性电弧和电阻性发热两类： ( 1 ) 击穿性电弧 剩余电流常会引起火灾剩余电流故障点接触不实，似接非接，导致 接触电阻较大，使过流保护装置难以动作，同时会在故障点处产生电弧。 据测，仅0 5 a 的电流的电弧温度可达2 0 0 0 以上，足以引燃所有的可燃 物； ( 2 ) 电阻性发热可分为导体整体过热和接触点过热两类： 导体整体过热是由于导体截面过小所致，这种情况一般发生在剩 余电流路径中的细铁丝上。例如，某工厂曾经发生由于电缆头剩余电流， 使跨接在两个钢架上拉标语的铁丝红热，引燃标语起火； 接触点过热主要是指因接触电阻过大而产生的电阻性发热。电气 系统中正常的电接点的接触电阻很小，在正常电流下不会造成过热。而 剩余电流路径中的接触点，由于锈层、污染等因素的存在，一开始就有 较大的接触电阻。当剩余电流也较大时，接触点处就会产生较多的热量， 如果接点处散热条件较差，温度就会升高，因而加速了接触点的氧化， 6 硕l 学位论文 使接触电阻进一步升高。这种恶性循环的结果，可达到红热或白热的程 度。 剩余电流引发火灾具体有以下几种情况： ( 1 ) 架空导线的剩余电流。高压裸导线从支持瓷瓶上脱落到横担上， 即可发生剩余电流；低压裸导线从瓷瓶上落到横担上，只有在潮湿的条 件下才发生剩余电流； ( 2 ) 低压进户线在进户处如果安装不良，致使导线接触建筑物的导电 构件，易发生剩余电流；成束的各种电气线路的配线和电气设备内部的 配线，尤其是导线的接头处理不好，容易发生剩余电流。2 0 01 年合肥市 某大学的低压配电房发生火灾就是因为导线接头未处理好，配电箱外壳 剩余电流发热使相间绝缘层破坏，最后造成相问短路引发火灾。 ( 3 ) 露天或者其他容易受潮的场所，无外围结构保护的配电盘、电源 开关、插座等易因剩余电流发生火灾； ( 4 ) 用钉子固定电线，钉子接触芯线，若墙面潮湿容易产生剩余电流， 烧焦电线绝缘层或者附近的可燃物，从而引发火灾； ( 5 ) 临时靠线或将移动式电器的电源线随便搭在铁件上。 2 2 剩余电流防火报警系统的组成及应用范围 1 剩余电流火灾报警系统组成 剩余电流火灾报警系统主要由监测剩余电流的互感器、剩余电流探 测器、报警器或控制器构成的电气火灾实时监测并实施报警或切断电源 的装置。剩余电流火灾报警系统分为执行硬件系统和软件支持系统两部 分。硬件系统组成图见图2 1 ，图2 2 1 7 】。 2 剩余电流火灾报警系统设置的范围 目前，剩余电流火灾报警系统的设置范围主要依据高层民用建筑 设计防火规范g b 5 0 0 45 20 0 5 局部修订条文：9 5 1 高层建筑内火灾 危险性大、人员密集等场所宜设置剩余电流火灾报警系统。此外，将在 2 0 0 6 年12 月1 同颁布实施的建筑设计防火规范11 2 7 条也要求下列建 筑宜设剩余电流火灾报警系统：按一级负荷供电且建筑高度大于5 0 o m 的乙、丙类厂房和丙类仓库；按二级负荷供电且室外消防用水量大于 3 0 l s 的厂房( 仓库) ；按二级负荷供电的剧院、电影院、商店、展览 馆、广播电视楼、电信楼、财贸金融楼和室外消防用水量大于25 l s 的其 他公共建筑；国家级文物保护单位的重点砖木或木结构的古建筑； 按一、二级负荷供电的消防用电设备。剩余电流火灾报警系统应该是一 7 基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远程豁控系统设计 个联网的整体装置，是一个完整系统，是对应g b14 2 87 2 0 0 5 标准的要求， 而不是以往分散设置的单个剩余电流报警器或传统剩余电流开关可以胜 任的。 l il 2l 3 n 接图2 接图2 接图2 配电线路 图2 1 剩余电流火灾报警系统图 智能脱扣器 过电流互感器 剩余电流互感器 接图2 1 接图2 1 接图2 1 l 冬n s 2 ) ol 冬n 冬2 5 0 图2 2 剩余电流火灾报警系统示意图 3 剩余电流火灾报警系统的分级保护 根据国标剩余电流动作保护装置的安装和运行g b 13 9 5 5 2 0 0 5 要 求剩余电流保护装置应采用分级保护【9 】。 分级保护的定义：剩余电流动作保护装置分别装设在电源端、负荷 群首端、负荷端，构成两级或以上串接保护系统，且各级剩余电流动作 保护装置的主回路额定电流值、剩余电流动作值与动作时间协调配合， 实现具有选择性的分级保护，避免大面积停电。实行分级保护的目的是 从人身、设备安全和正常用电的角度出发，既要保证能可靠动作，切断 电源，又要把这种动作跳闸造成的停电限制在最小范围内。 8 硕l 学位论文 根据用电负荷和线路具体情况的需要，一般可分为两级或三级保护。 一般情况下，在电源端或分支线上，应选用低灵敏度延时型或动作特性 可调的剩余电流保护装置( r c d ) 。而在末端，仍应使用传统的无延时的剩 余电流开关，剩余电流动作电流，。3 0 m a ，额定动作时间砌 0 0 3 a 。 延时型剩余电流动作保护装置延时时间的优选值为：0 2 ，0 4 ，0 8 ，1 0 ， 1 5 2 o s 。 对于剩余电流火灾报警系统宜加设于一级保护和中间级保护，末级保 护则直接采用剩余电流动作保护装置( 剩余电流断路器) ，一般采取直接 动作于跳闸的方式，而无须接入剩余电流报警系统内。 4 3 2 串行通信软件设计 剩余电流防火报警监测器端的数据传送采用中断方式发送和接收。 串行口设置为工作方式3 ，即一位起始位、八位数据位、一位控制位( 发 送t b 8 接收r b 8 ) 和一位停止位构成。由特殊功能寄存器s c o n 定义可发送 和接收数据，由工作方式寄存器t m o d 、定时器计数器的控制寄存器t c o n 、 特殊功能寄存器s c o n 设定传输数率即波特率。定时器tl 作为波特率发 生器，将其设置为工作方式2 ，波特率同样为9 6 0 0 。监测器端的串行通 信子程序流程图见图4 19 。 图4 19 串行通信子程序流程 8 9 c 5 5 通信协议如下： 使所有a t 8 9 c 5 5 为从机，s m 2 位置1 ，处于只接收地址帧监听状态， 主机向从机发送一帧地址信息，其中包含8 位地址位，可编程的第九位 为1 ( t b 8 = 1 ) ，表示发送的是地址，这样可以中断所有从机。从机接收 4 3 基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远程监控系统设计 到地址后，都来判断主机发来的地址是否与本机地址相符，若为本机地 址则清除s m 2 ，进入正式通信状态，并把本机地址发送回主机作为应答信 号，然后开始接收主机发来的数据或命令信息。其他从机由于地址不符， 它们的s m 2 = 1 无法与主机通信，从中断返回。主机接收从机发回的应 答地址信号后，地址信号信息进行比较，如果相符，正式发送数据信息， 如果不符则发送错误信息。通信的，各机之间必需以相同的帧( 字符) 格式 及波特率进行通信。 4 3 3 以太网控制器的驱动实现 要将嵌入式系统接入以太网，首先要设置r t l 8 019 a s 的工作方式和 工作状态，分配收发数据的缓冲区，通过对地址及数据口的读写来完成 以太网帧的接收与发送。然后设置r t l 8 0 19 a s 的工作参数，亦即设置内 部控制寄存器。对r t l 8 0l9 a s 的工作参数进行设置完毕后，进入正常工 作状态，接下来就读写r t l 8 0 l9 a s 的r a m 以完成数据包的接收和发送。 1 r t l 8 019 a s 的初始化过程 ( 1 ) 设置c r 为0 x 2lh ，选择页面l ，初始化协议； ( 2 ) 清除远程字节计数寄存器r b c r 0 ，r b c r1 ； ( 3 ) 设置发送配置寄存器t c r 为o xe 2 h ，接收状态寄存器r c r 为0 xe o h ； ( 4 ) 划分缓冲区为接收缓冲区和发送缓冲区，并建立接收缓冲环，缓 冲区地址范围是0 x 4 0 0 0 h 一0 x7f f f f h 。将r t l 8 019 内部r a m 地址 0 x 4 0 0 0 h 一0 x4b f f h 段设置为发送缓冲区、o x 4 c 0 0 h o x7f f f h 段设置为接收 缓冲区，即设置p s t a r t 为0 x 4 c h ，p s t o p 为0 x 8 0 h ，刚开始，网卡没有接 收到任何数据包，所以，b n r y 设置为指向第一个接收缓冲区的页0 x 4 c h ； ( 5 ) 设置发送起始页寄存器t p s r 为0 x 4 0 h ； ( 6 ) 设置中断状态寄存器is r 为o x f f h ，清除所有中断标志位，设置 中断屏蔽寄存器i m r 为0 x o o h ，即屏蔽掉所有的中断； ( 7 ) 设置数据配置寄存器d c r 为0 x c 9 ，16 位d m a 方式； ( 8 ) 设置当前页寄存器c u r r 为0 x 4 d ； ( 9 ) 清除多址寄存器，即m a r n 设为0 0 h ； ( 10 ) 设置以太网地址寄存器p a r n ； ( 1 1 ) 设置c r 为2 2 h ，芯片进入工作状态。 2 以太网帧接收数据 对r t l 8 019 a s 接收数据操作，有查询和中断两种方式。在中断方式 下，控制器每收到一个完整的以太网数据包后，向c p u 发出中断请求， c p u 响应r t l 8 0l9 a s 的中断申请后，进入中断服务程序并开始接收数据。 硕 ：学位论文 在查询方式下，通过查询c u r r 和b n r y 两个寄存器的值来判断是否 收到一帧数据。当b n r y + l 与c u r r 不等时，说明接收缓冲区接收到了新 的数据帧。若收到新数据帧，则先读取前2 个字的数据，这2 字的数据 代表此次传输的数据帧的基本状态：第一个字的低字节表示接收状态， 与isr 寄存器相对应；第一个字的高字节为下一个包的开始地址指针； 第二个字节为本数据包的长度( 以字节为单位计算) 。本课题采用查询方 式接收数据包。具体软件实现流程见图4 20 。 图4 2 0 以太网帧接收过程实现流程图 3 以太网帧发送数据 数据的发送过程应主要包含三个步骤： ( 1 ) 数据包的封装； ( 2 ) 通过远程d m a 将数据包送入r t l 8 0 l9 a s 的数据发送缓冲区； ( 3 ) 通过r t l 8 019 a s 的本地d m a 将数据送入fif 0 进行发送。 其中以太网帧格式为： 具体软件实现流程见图4 21 。 4 3 4tc p ip 协议栈 t c p ip 协议是一套把in te 】= n et 上的各种系统互连起来的协议族，保 证in te r n et 上数据的准确快速传输。t c p ip 通常采用一种简化的四层 模型：应用层、传输层、网络层、链路层。 4 5 基于嵌入式技术的剩余电流防火报警远程i 旌控系统设计 图4 2l 以太网帧发送过程流程图 本系统中，应用层传递来自以太网和数据终端的数据，并对数据报作 打包拆包处理。传输层采用传输控制协议t c p 。网络层实现ip 协议，还 要实现能报告数据传输差错等情况的lc m p 协议。链路层部分由 r t l 8 0l9 a s 完成，链路层由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送 的底层协议组成。 在嵌入式系统罩只实现与需要有关的部分，而不使用的协议则一概 不支持。单片机应用的t c p ip 协议大多是为了完成数据采集和数据传输， 而不需要网页浏览、文件传输这些功能。 ( 1 ) a r p 协议( 地址解析协议) 以太网是t c p ip 协议主要采用的局域网技术，是系统接入in te r n e t 的基础。a r p 本质是完成网络地址到以太网物理地址的动态映射。u n 工x 系统的a r p 协议支持以太网、令牌坏等网络，但我们的嵌入式系统旱只 支持以太网。 ( 2 ) ip 协议( 网际协议) ip 是t c p ip 协议族中最为核心的协议。所有的t c p 、u d p 、ic m p 及 ig m p 数据都以ip 数据报格式传输。就对某些协议而言，ip 包最大可以 为6 5 k ，可以分段传输，而在单片机罩根本无法容纳如此大的数据包，因 此一般是不支持分段的。我们的设计中采用发送小数据包的方式，以避 免分段。 ( 3 ) t c p 协议( 传输控制协议) 硕t ：学位论文 t c p 数据封装在一个ip 数据报中，并具有自己的t c p 首部，t c p 协 议定义十分复杂，鉴于51 单片机的片内资源十分有限，本系统对t c p 协议进行了一定的简化处理。标准的t c p 协议使用慢启动的滑动窗口机 制，如果只使用单个窗口，就变成了一种简单确认的处理方法。即避免 分段，只需对单个数据报发送和确认，节约了系统资源，也使维护更加 方便。 编程实现t c p 协议的另一个难点在于t c p 建立连接和终止连接的具 体过程的实现。t cp 协议是一个面向连接的协议，连接的双方无论是哪 一方向另一方发送数据，都必须先通过“三次握手”过程在双方之间建 立一条连接，和通过“四次握手”终止连接。连接建立后，t c p 就可以 发送数据块，称为数据段。当t c p 发出一个段后，它启动一个定时器， 等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确认，将重发 这个报文段。另外，t c p 将保持它首部和数据的检验和。 由于嵌入式系统资源有限，系统实现了简化的t c p ip 协议。本课题 设计实现的t c p ip 协议栈见图4 2 2 。 匝三互习 厂i _ i。一 f i 竺竺竺竺竺兰! ! 图4 2 2t c p ip 协议栈 图4 23 显示了应用层的数据在各层之间的传递过程中数据封装的变 化。数据每次到下一层协议时都要添加相应的首部或尾部信息。 系统主应用程序的实现： 系统初始化后，进入主程序循环的两部分：一是对接收到的以太网数 据帧进行解包，供应用程序使用，二是对发送的数据进行封装并发送， 使采用t c p i p 协议的以太网内的所有计算机都能收到此数据帧。图4 2 4 是系统的主应用程序的流程图。 4 7 t c p 报文 ip 包 m a c 帧 图4 2 3 数据在各层之间的传递过程 图4 2 4 系统的主应用程序流程 硕。f ：学位论文 第5 章工程应用示例 5 1 某住宅小区剩余电流防火报警远程监控系统工程设计 5 1 1 系统结构 现对某住宅小区的剩余电流进行防火远程监控设计，此住宅小区有 若干个区组成，每个区有6 至1o 栋楼，每栋楼分别命名为1 号楼、2 号 楼、3 号楼等，每栋楼有6 层。此住宅小区剩余电流防火远程监控系统结 构，见。图5 1 。 r s 4 8 5 r s 4 8 5 剩余i! 流嵌 剩余i三流嵌 入式服务器入式服务器 il i i t 1 e t i 盛蠡麴 图5 1 某住宅小区剩余电流防火远程监控系统结构 设计中，每个区的底层安装了剩余电流监控器，负责对底层剩余电 流和温度的监测，以及实时报警，并把相应的数据通过r s 4 85 总线上传， 并通过t c p ip 协议栈的实现，传送到以太网上，供组态软件监控平台监 测和保存。 5 1 2 分级保护 对每个区的楼房设置了三级保护，见图5 2 ( 图中以三栋楼每栋以三 层为例) ，首先在总电源箱处设置了一级保护作总后备，除了作二、三级 保护的后备外，还作二级保护至一级保护安装之间的线路漏电或触电的 主保护。三级保护作为漏电或触电的主保护，装在用户配电箱内。二级 保护介于一、三级保护之间，它既作为三级保护的后备，又作为三级保 护至二级保护安装处之间的漏电或触电的主保护，同时又是一级保护的 补充和完善，安装在每个单元的总配电箱内。有了二级保护，一方面作 为末级保护的后备保护，大大提高了事故反应能力，另一方面，还缩小 了因故停电的影响范围。由于它们在网络中所起的作用不同，因而在选 4 9 幕于嵌入式技术的剩余电流防火报警远程航榨系统设计 型上就有所不同。 末端保护 末端保护 图5 2 某住宅小区剩余电流分级保护示意图 ( 1 ) 一级保护，该级保护主要考虑主干线接地故障保护，并兼剩余电 流火灾保护，额定剩余动作电流，。的选择可视保护对象的不同，根据公 式，。，h l 0 0 0 来进行。 按国标规定每户6 k w 计算，总用电量p e = 7 2 6 = 4 3 2 k w ； 根据楼房住户数量72 户，选择需用系数k x = 0 4 、功率因数c o s 妒= 0 8 5 ； 则有功计算负荷p i 。= p 。k x = 4 32 o 4 = 17 2 8 k w ； 计算电流i is = p is 1 7 3 2 uc o s 缈= 3 0 8 a = i n 所以，。，1 0 0 0 = 30 8 m a 。 因此一级保护额定剩余动作电流，。可选择为50 0m a 或5 0 0m a 以 上，其动作时限为o 5s 、ls 或2 s 。 ( 2 ) 二级保护