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

關鍵詞：綜合管廊；火災監(jiān)測；單片機；探測器

0引言

綜合管廊全稱地下城市管道綜合走廊，即在城市地下建造一個隧道空間，將給水、電力、熱力、通訊等各類工程管線集于一體，地上附著物為出裝口及通風口等設備，是保障現(xiàn)代化城市安全運行的重要基礎設施。隨著我國經濟的高速發(fā)展，城市化進程也在不斷地加快，與之配套的基礎設施建設卻相對滯后，為了統(tǒng)籌各類市政管線規(guī)劃、建設和管理，解決反復開挖路面、架空線網密集、管線事故頻發(fā)等問題，保障城市安全、完善城市功能、美化城市景觀，提高城市綜合承載能力和城鎮(zhèn)化發(fā)展質量，綜合管廊的建設近年來得到了飛速發(fā)展。由于綜合管廊深埋地下，各類管線復雜交錯，一旦出現(xiàn)火災事故，則必然對社會以及經濟秩序的發(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(jiān)測與報警系統(tǒng)的設計研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1系統(tǒng)總體設計方案

該系統(tǒng)設計以實現(xiàn)城市綜合管廊火災監(jiān)測與報警為目標，對城市綜合管廊內的消防安全進行管控設計。該設計主要包括系統(tǒng)硬件設計、CAN網絡的組建以及上位機軟件設計，系統(tǒng)總體架構圖如圖1所示。該系統(tǒng)終端（管廊內各防火分區(qū)）配有多種類型的采集模塊以實現(xiàn)融合監(jiān)測，這些采集模塊與ESP-12F單片機相連，ESP-12F通過自身搭載的ESP8266模塊與上一層的區(qū)域子控制器（GD32處理器搭載ESP01WiFi模塊）相連，區(qū)域子處理器使用CAN總線技術與本地服務器連接，本地服務器進行數(shù)據(jù)處理后通過互聯(lián)網發(fā)送至云平臺。監(jiān)測人員可以通過手機、電腦等設備實時查看、處理相關數(shù)據(jù)。

圖1系統(tǒng)總體架構圖

2系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)的硬件設計主要包括終端采集模塊以及區(qū)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、類型豐富的ESP-12F單片機，它擁有兩個全雙工的串行通信接口，可以與WiFi模塊間進行數(shù)據(jù)的交換傳輸，能充分滿足組網的要求。ESP-12F單片機連接感溫模塊、感煙模塊，以便實時將相關信息傳送出去。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(wěn)定性好、壽命長等優(yōu)點。感溫模塊采用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高的優(yōu)點。所有探測器均根據(jù)GB50116―2013《火災報警系統(tǒng)設計規(guī)范》以及GB50838―2015《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》中的要求進行敷設。

區(qū)域子控制器在該系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，它的核心選用了實用性強、價格低廉的國產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(qū)域子控制器與管廊內各防火分區(qū)的終端采集模塊建立通信，完成數(shù)據(jù)傳輸后通過CAN總線將數(shù)據(jù)上傳到本地服務器。

3 CAN網絡的組建

完成該系統(tǒng)設計的關鍵是解決系統(tǒng)內部間的數(shù)據(jù)傳輸問題，該設計主要是針對城市綜合管廊的火災監(jiān)測與報警而提出，因此設計時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，是否會影響通信的穩(wěn)定性。而CAN總線的*通信距離能夠達到10km，足以滿足大部分管廊的通信問題。因此選擇利用CAN總線解決通信問題。CAN總線又叫控制器局域網總線，是一種用于實時應用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號。由于管廊覆蓋面積廣，所以需要布置大量的區(qū)域子控制器，而CAN總線上的*節(jié)點數(shù)可達110個，能充分滿足大量區(qū)域子控制器的數(shù)據(jù)傳輸。

在區(qū)域子控制器設計了CAN總線通信電路來實現(xiàn)它與本地服務器之間的通信。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總線收發(fā)器所需的CAN電平。收發(fā)器共有8個引腳，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發(fā)環(huán)境，它是Windows平臺應用程序的集成開發(fā)環(huán)境，也是開發(fā)人員常用的開發(fā)工具之一。上位機軟件是基于Framework4.7.2框架開發(fā)的Window窗體應用程序，編譯語言使用的是C#面向對象的編譯語言。USB-CAN的接口卡選的是北京愛泰公司的產品，型號為USBCAN-I+，因此需要安裝北京愛泰公司USBCAN驅動才能使用它。上位機程序通過調用北京愛泰公司提供的usbcan.dll動態(tài)鏈接庫文件，便可以實現(xiàn)對USBCAN-I+的開啟、關閉，讀取和發(fā)送CAN數(shù)據(jù)等功能，實現(xiàn)上位機軟件到控制器硬件之間的數(shù)據(jù)通信。同時上位機程序利用數(shù)據(jù)庫提供的動態(tài)鏈接庫MySql.Data.dll進行操作，實現(xiàn)了上位機軟件連接阿里云數(shù)據(jù)庫，對阿里云數(shù)據(jù)庫進行增刪查改等操作，完成本地主機和阿里云平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸交換。上位機界面和接收數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。

圖3上位機界面示意圖

打開軟件運行程序后，首先會進入初始化環(huán)節(jié)，進行USBCAN設備的檢測，當檢測到設備后，開啟設備并獲取設備參數(shù)，沒有檢測到設備時，需要等待設備連接，連接后點擊連接按鍵開啟設備讀取參數(shù)，緊接著開啟接收數(shù)據(jù)中斷，程序正常運行。程序從USBCAN設備讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送至阿里云數(shù)據(jù)庫。軟件接收數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。首先程序會定時查詢USBCAN設備有無數(shù)據(jù)傳來，直到檢測到數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)接收、處理數(shù)據(jù)，上位機軟件顯示數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)通過編寫C#命令發(fā)送至阿里云數(shù)據(jù)庫。

圖4軟件接收數(shù)據(jù)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，難免會發(fā)生各類故障問題，因此管廊內部經常有維修人員或運維員工的出入，當發(fā)生火災時，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確定人員位置進而實施救援。利用ESP8266模塊作為節(jié)點，用于測得節(jié)點與管廊內人員的距離。因為使用的是三邊測量定位算法，所以需要三個節(jié)點與人員之間的距離信息。具體測量方法：假設測得三個節(jié)點與人員的位置信息，三個節(jié)點位置分別為（x₁，y₁）、（x₂，y₂）、（x₃，y₃），被困人員距離節(jié)點的距離分別為R₁、R₂、R₃，代入方程組：

求解方程組解得的（x_m，y_m）為m時刻人員所在位置的二維坐標，隨著不斷的采集，信息的不斷完善，控制室便可根據(jù)人員的位置信息的移動，繪出人員的移動軌跡，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(jiān)控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監(jiān)測于一體，為建立可靠、安全、*的綜合管廊管理體系提供數(shù)據(jù)支持，從數(shù)據(jù)采集、通信網絡、系統(tǒng)架構、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內部干擾性強、使用單位多及協(xié)調復雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)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(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)、消防設備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、*、有序的要求。

5.3平臺拓撲

5.4平臺子系統(tǒng)

5.4.1電力監(jiān)控

電力監(jiān)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行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關柜、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(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內的水泵和通風排煙風機等設備集成的三方系統(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。

5.4.3電氣安全

 AcrelEMS-UT能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)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)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

6結束語

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(jiān)測與報警的重要性不言而喻，管廊中任何一個分段發(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(jiān)測與報警系統(tǒng)，充分利用嵌入式技術，通過各個傳感器節(jié)點對管廊內部實時情況的上傳、匯總，實現(xiàn)了運維人員對整個管廊的監(jiān)控與管理。通過對該系統(tǒng)的軟件與硬件的仿真、調試，驗證了該系統(tǒng)的可行性，達到火災監(jiān)控與報警的目的。

參考文獻

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[2]劉釩，陳偉利.城市綜合管廊火災監(jiān)測與報警系統(tǒng)設計研究

[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05