浅谈基于物联网的电气火灾监控系统设计

刘细凤

安科瑞电气股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：电气火灾在我的火灾事故中占比较高，而当前主流的电气火灾监控系统基于有线组网的方式，存在部署难度大、成本高、网络化水平低以及数据可视化不足等问题。 本文设计实现了种支持无线通信的多传感器组合独立式电气火灾监控系统，使用A9G GPRS 模组作为主控制器和通信模块，采用SDK二次开发，无需外接MCU，支持MQTT、CoAP、HTTP 三种通信协议；监控平台选用Spring Boot 框架，使用Spring Cloud 实现基于微服务架构的分布式系统，具有用户权限管理、数据可视化分析、自动报警、消防联动等功能。 经测试，该系统对漏电流和温度检测精度较高，具有较好的推广价值。

关键词：电气火灾监控；物联网；A9G SDK 二次开发；微服务架构

0 引言

据统计，2011~2016 年， 我共发生电气火灾52.4 万起，对人民的生命财产造成了巨大威胁和损失，政fu对此高度重视，并开展了为期三年的电气火灾综合治理工作， 从 2017 年5月开始至2020年4月结束。

电气火灾监控系统能够对电气线路 异 常 及时预警，可以有效避免电气火灾的发生。 目前大部分电气火灾监控系统采用有线组网的方式，如RS232、RS485、CAN 等总线组网和局域集中上位机管理的方式，系统部署示意图如图 1，需要在每个相对隔离的配电区域安装有线组网的电气火灾监控系统，造成布线难度大的同时，每个区域都需要专人看管，进而造成了人力资源的浪费；在历史数据展示上通常也难以实现图形化显示，用户不能快速直观地了解监控系统的历史数据信息。

图 1 传统电气火灾监控系统部署示意图

为此，本文设计实现了基于物联网技术的电气火灾监控系统以解决上述问题。

1 系统总体架构

本系统按物联网体系架构分为感知、网络、应用三层，由多传感器组合独立式电气、监控平台、Web客户端和移动端 APP组成，总体框架如图2所示。

图 2 系统框架图

探测器除完成传统电气功能外，还将相关设备状态信息通过 GPRS， 按照设定的传输协议（MQTT/CoAP/HTTP）定时上报到监控平台，Web 客户端和移动端 APP 通过 HTTP 协议向监控平台请求获取相关服务。当探测器报警时，平台收到探测器报警消息后， 通过短信等方式通知用户。

2 电气 

2.1 硬件结构

多传感器组合独立式电气的硬件结构如图 3 所示，由 A9G GPRS 模组、RN8209D 漏电流采集、DS18B20 温度采集、 报警输出、 声光报警、显示、SD 存储、按键等电路模块组成。

图 3 电气硬件结构图

A9G GRPS 模组在探测器中充当微处理器和通信模组的双重角色，采用 SDK 二次开发的方式，不需要外接控制器，zui大限度降低了硬件成本。 经过开发，其支持 MQTT、CoAP、HTTP 三种物联网通讯协议，提供给用户灵活选择。

A9G 模组通过 UART 接口获取 RN8209D 采集到的漏电流信号、DS18B20 中采集的温度信息后， 与用户设定的漏电流和温度报警阈值进行比较， 若超出相应阈值，A9G 模组驱动电路发出声光报警信号，并输出控制信号给消防联动，如切断断路器，使线路断路。 A9G 模组会定时向监控平台上报探测器的相关信息。

2.2 程序设计

探测器程序主要包括探测器核心任务、通信存储、按键设置、OLED 显示、运行指示五个主要任务（进程）。 其中先级zui高的是探测器核心任务，即检测漏电流、温度是否超过阈值，给出声光报警信号和断路器动作信号。

在没有发生异常时，定时向服务器上报，在发生异常时，探测器以 3s/次的频率持续上报 60 次，确保服务器能够准确记录异常发生时的情况。

A9G 模 组 提 供 了 MQTT 协 议 相 关 的 API，CoAP 协 议 在 其 提 供 Socket 网 络 接口之上参考github 上的 iotkit-embedded 中的 CoAP 客户端实现，HTTP 协议在请求行中版本为HTTP 1.1，请求头部的 Connection 为 keep-alive，与监控平台保持长连接。

图 4 探测器核心任务程序流程图

探测器核心任务流程如图 4 所示。启动定时器时需要回调函数，在定时时间到达时调用该函数，在回调函数中完成漏电流和温度的采集，并分别与设置的阈值进行比较， 若超出阈值则报警，并在更新数据后使用 OS_SendEvent 接口向主任务发送紧急先级的报警事件，zui后更新定时器，进入下次循环。通信存储任务在完成定时通信和存储后，在循环中阻塞等待事件，收到报警事件后，立刻向平台上报数据。

由于互感器的非线性及其他干扰信号影响，导致漏电流的测量值和实际值之间可能存在较大误差，在程序中先采用限幅平均滤波法去除可能的干扰值， 然后通过 Matlab 进行数据拟合， 以校准精度，拟合曲线如图 5 所示。

图 5 漏电流校准拟合曲线图

3 监控平台

监控平台基于微服务架构设计实现。系统应采用分布式架构，要求各种服务之间耦合度低以便于维护，同时必须具备改造升级的可能性，而微服务架构可以很好地满足这些要求。 监控平台总体架构如图 6 所示，主要由服务端、客户端以及数据库三部分组成。

图 6 监控平台架构

3.1 服务器

服务端由微服务架构组件和微服务应 用 模块组成。 微服务架构组件由 Spring Cloud 提供，主要有 API 网关、服务发现以及负载均衡（图中未画出）、服务容错保护等，构成微服务架构应用模块开发实现的基础。 各模块使用 Spring Boot 框架实现。

MQTT、CoAP 以及 HTTP 服务实现与探测器的通信功能。 若探测器使用 HTTP 协议则需要先经过API 网关，再由 HTTP 服务模块进行处理。 设备服务提供探测器zuixin上报数据、历史数据信息查询等服务；信息通知服务主要负责异步给用户发送报警信息通知等服务；用户服务提供用户登录和探测器管理服务。

3.2 数据库

本监控平台使用了关系型数据库 MySQL 和非关系型数据库 Redis 分别进行数据的存储和缓存。

使用单的关系型数据库， 受限于硬盘读写速度和数据库本身的性能，易造成效率低下，难以满足高并发访问的需求。 例如当用户查看设备的zuixin信息时，如果每次都直接从 MySQL 数据库中获取，MySQL 的搜索引擎需要先根据设备 ID 从硬盘读取该设备所有的数据信息， 然后根据时间字段降序或者升序排序， 取出di条或者zui后条才能得到zui终需要的数据。 这种方式在用户访问量大及设备多的情况下， 将对数据库造成巨大压力， 同时服务器的响应时间延长也会影响用户体验。 相似的问题也会出现在用户查询设备的历史

数据时。 为此，平台使用非关系型数据库 Redis 作为补充，以减轻关系型数据库的压力，提高平台的处理速度和并发能力。 此外，在分布式系统中的用户单点登录、 本平台中存储随机密码的短时间定时存储业务中， 非关系型数据库也具有更好的适应性。

3.3 客户端

（1）浏览器客户端

前端页面部分，使用 AJAX 技术[5]，通过在后台与服务端进行少量数据交换，在不重新加载整个网页的情况下，实时更新设备上报信息。 数据可视化使用 Datatables 表格插件和 Hightcharts 图表库。

（2）移动端 APP

为实现用户随时随地查询电气火灾监控探测器的相关信息状态的需求，开发了基于 Android 的移动端 APP。

采用经典的 MVC 开发架构，分为业务层、视图层和操作层。 业务层处理各类应用业务，完成网络请求、数据分析、数据处理功能；视图层分为可视视图和隐藏视图，主要完成手ji端与用户的交互和应用界面的更新替换；操作层用来分离业务层和视图层的联xi降低程序的耦合，使应用更加健壮，同时为后期维护做准备具体，具体实现功能与浏览器端类似。

4 测试与界面展示 

4.1 电气测试

根据消防规范 GB14287-2014 《电气火灾监控系统》第 2 部分剩余电流式电气火灾监控探测器和第 3 部分测温式电气火灾监控探测器中对独立式探测器的要求，本探测器的剩余电流测量范围应在20mA~1000mA 之间， 能在 30s 内对超出报警设定剩余电流值的情况进行报警； 温度测量值zui低为45℃，应在 40s 内对超出温度报警设定值的情况发出报警；在报警设定范围内，剩余电流和温度侧报警值与设定值之间的误差以及显示误差均不能超

过 5%。

漏电流采样精度测试如图 7 所示。单相可调变压器次侧接入市电，二次侧其中个端子输出串联个功率电阻（20Ω 200W）后，经电流表，穿过漏电流互感器后，接入二次侧另端子。 通过调节变压器，改变电路中的电流值，以电流表测量值为参照，读取探测器 OLED 显示的漏电流数据，测试了多组数据，如表 1 所示。

图 7 漏电流采样精度测试图

表 1 漏电流测试数据表

从表1可以看出，探测器显示数据zui大误差为1.6%，远小于规范要求的zui大 5%的误差。

温度采样使用 DS18B20 数字温度传感器，测量精度为 ± 0.5℃，报警值设为≥45℃，实测zui大误差为 1.1%，满足精度要求。

探测器核心任务每 200ms 执行次采样和判断报警，OLED 显示任务每休眠 500ms 刷新次显示数据，在上表测试过程中，通过观察 A9G 模组的下载调试工具 CoolWatcher Develop 中的打印信息发现， 报警值与 OLED 上显示数据值差距非常小，据此可认为报警值与设定值之间误差亦满足设计要求，独立式探测器自成系统，无论是检测漏电流还是温度报警， 本探测器均可在 1s 内发出声光报警，远低于要求的 30s。

探测器在关键指标上满足规范要求， 限于条件，其他有关测试未完成。

4.2 管理员界面

管理员主界面，提供了管理员对普通用户及对探测器权限分级管理页面，如图 8 所示。

图 8管理员主页界面

通过管理员界面可以查看电气 2天的历史数据和详细的设备信息，如图 9 所示。

图9 电气数据可视化图

点击页面中的“查看位置”按钮，可以显示电气所在位置的地图信息，当探测器出现异常时，用户可根据该地图快速找到探测器，进行异常处理，如图 10 所示。

图 10 电气位置地图

4.3 移动端APP界面 

APP 部分页面如图 11 所示。 图 11a）为 APP 管理员主界面，显示了所有用户、在线设备数量以及报警数量信息；图 11b）为加载了探测器zuixin数据信息及历史数据的图形化显示界面。

a）主界面           b）数据显示界面

4.4 报警信息通知

图 12 为监控平台收到探测器报警信息后发送给用户的短信、邮件通知图。

图 12 报警信息通知

5安科瑞用电云平台及选型

5.1安科瑞用电云平台介绍

Acrelcloud-6000用电云管理系统能够对剩余电流、设备温度、故障电弧等电气故障进行实时监控、报警、记录，并且通过云端的远程控制。设备与云端的通讯方向不受限制，能上传数据、透传指令，并时间显示实时状态。通过对上传至云端的数据进行分析，为用户提供火灾隐患的相关数据，能够及早的发现问题并实施排查，避免火灾的发生。另方面，云平台提供超大容量的信息储存及稳定的服务，提升了服务质量，对用户的长远发展具有战略意义。此外，该系统通过集中监控，使得数据通过每个节点的4G网络传输至云端集中式管理和监控，主控端布置于城市消防大队，从而能够对采集的信息进行统的监控和管理。

具体功能如下：

（1）用电监管服务系统包含用电管理云平台、电脑终端显示系统、手jiAPP、漏电探测器、漏电互感器、电流互感器等。
    （2）用电监管服务系统平台能展示剩余电流、温度、电流等电气参数的实时监测数据及变化曲线、历史数据与变化曲线、实时报警数据等，能实时显示现场服务次数、排除隐患数、未排除隐患数、报警未处理数、常规巡检及产品维护等数据，监管数据能保存十年以上。
    （3）手jiAPP软件同时具有IOS版本和安卓版本，能通过手jiAPP对每条报警记录进行呼叫，便于紧急情况下能尽快通知用电单位。
    （4）能对各个单位及设备的电气运行情况进行自动统计和分析评估，并随时展示电气运行分析报告。
    （5）监控探测终端产品满足家法律法规和有关技术标准（GB14287.2《剩余电流式电气火灾监控探测器》和GB14287.3《测温式电气火灾监控探测器》）的要求，并通过家消防产品质量监测检验提供的消防3C认证。
    （6）漏电探测器能同时探测剩余电流、四路温度、三相电流等参数值，并能通过无线以移动通讯网络接入用电监管系统平台。

5.2产品选型

5.2.1漏电火灾监控探测器

5.2.2故障电弧探测器

安科瑞故障电弧产品型号代码为AAFD，共有两种电流等级，可监测回路故障电弧的发生，并及时预警，提醒用户处理，防止电弧导致的火灾的发生。

AAFD可配合AF-GSM400使用并接入用电平台，该产品不可在同台AF-GSM400下与ARCM混接。如图：

5.2.3限流式保护器

安科瑞限流式保护器型号代码为ASCP200-1，有三种电流等级，可监测回路短路过载等故障信息，发生故障时预警和产生灭弧效果，防止电弧导致的火灾的发生。

ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入用电平台，也能够通过插入SIM卡直接上传到平台。

以下是ASCP200-1的主要功能：

短路保护功能。保护器实时监测用电线路电流，当线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护，并发出声光报警信号。

过载保护功能。当被保护线路的电流过载且过载持续时间超过动作时间（3…60秒可设）时，保护器启动限流保护，并发出声光报警信号。

表内超温保护功能。当保护器内部器件工作温度过高时，保护器启动超温限流保护，并发出声光报警信号。

过、欠压保护功能。当保护器检测到线路电压过压或欠压时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。

配电线缆温度监测功能。当被监测线缆温度超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。

漏电流监测功能。当被监测的线路漏电超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。

保护器具有1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。

5.2.4剩余电流互感器

5.2.5 AF-GSM400-2G/4G无线上传模块

AF-GSM400-2G/4G/CE模块是款2G/4G有线无线模块，该无线模块为用电云平台模块。

AF-GSM400接入每块仪表所需流量为20M/月，单个模块可以接入30块仪表。默认上传间隔2分钟，如发生报警，会实时上传数据。

5.2.6温度传感器

温度传感器为热敏电阻NTC，它提供0-120°的温度监控基准，可以用来监测线缆或配电箱体的温度，提供温度保护。

6结语

本文利用物联网技术， 设计实现了部署容易、使用方便和网络化的电气火灾监控系统。在探测器上增加了 GPRS 远程通信功能，解决传统有线组网电气火灾监控系统部署难的问题；同时，在设计实现中zui大限度降低了探测器的硬件成本；支持三种主流的物联网通信协议， 提供给用户灵活的选择。采用微服务架构使监控平台在系统扩容、 升级、维护等方面具备天然势；平台通过浏览器和Android 客户端向用户提供服务；并增强数据的可视化水平。当设备报警时，能够通过短信、邮件通知用户及时处理，使监控报警更加智能、人性化。经测试，该系统对漏电流和温度的检测精度较高，报警响应敏捷，具有较好的推广价值。

参考文献

[1]严晓龙. 基于大数据的电气火灾隐患治理体系探讨[J]. 消防科学与技术，2017（12）:1742-1744

[2]张征峰，郑梁，崔佳冬.基于物联网的电气火灾监控系统设计与实现.

[3]安科瑞用电管理云平台手册.2020.02版.

作者简介：刘细凤，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事用电的研发与应用。