消防设备电源监控传感模块设计

　　消防设备电源监控传感模块设计

　　针对市面上消防设备电源监控传感器采样精度差、通信不稳定、不符合国标规范等设计缺陷，以国家标准GB28184—2011《消防设备电源监控系统》为依据研究设计了一款电流电压型监控传感器。设计创新点在于采用RN8209G芯片进行采样，并通过CAN总线进行通信，在0-50A电流范围内提高采样精度达到1%。设计产品已通过国标GB28184中4.7节表1中的基础实验及高低温试验要求。

　　2011年7月1日开始执行的强制性国家标准GB25506—2011消防控制室通用技术要求中5.3.14条提出：“消防控制室应能显示消防用电设备的供电电源和备用电源的工作状态和欠压报警信息”，并在2011年提出该系统的产品标准GB28184—2011消防设备电源监控系统。在各项火灾事故中，消防设备能否起到灭火的关键作用在于消防设备是否供电正常，而人为监控和维护电源的困难则使得消防设备电源监控系统必然产生。该系统主要是通过保证平时各项消防设备的电源能够正常工作，从而保证消防设备在火灾事故发生时不会因为供电故障而无法灭火导致更大损失，在消防设备供电故障时能够及早发现并予以解决。

　　目前我国沿海城市已经陆续有公司推出消防设备电源监控系统，然而许多监控系统设计参差不齐，并没有按照国家标准GB28184-2011来制作。尤其是置于消防设备电源进入端与输出端的监控传感模块，没有考虑到工作环境的复杂以及采样精度不高、适用范围小等问题。本文针对以上现象，设计并研发了消防设备电源监控系统的检测传感模块，并对其中的采样部分进行了详细分析和设计，创新点在于通过使用RN8209G电能芯片使得采样精度达到1%，并结合了较为稳定的CAN总线通信技术。

　　本文设计的消防设备电源监控传感模块已通过了GB28184.2011中规定的浪涌冲击抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验以及高低温试验等。

　　2监控传感器整体设计

　　消防设备电源监控系统整体可包括3个部分：监控器主机，传感监控器以及上位机。这其中传感监控器为本文的核心讨论内容，下面给出监控模块的整体设计框图，见图1。

　　监控传感器的模块构成为图1中的虚线框内部分，包括采样、通信、显示、报警输出等，本文设计的监控传感类型为电压电流型，即能够监测电流电压两种信号，电压信号可直接接入监控传感器，而电流信号为保证消防设备电源连续性，则需要通过互感器接入。其中采样模块和通信模块决定了监控传感器的性能好坏，下文对这两个模块进行重点剖析论述.

　　3监控传感器通信模块

　　3.1硬件设计

　　根据国家标准GB28184—2011中的要求，监控传感器的监测数据应该能够传输至监控主机，传输的过程要求保证稳定性。监控传感器一般置于建筑消防设施的电源附近，隐藏在墙体之后，所处环境电磁干扰较大，对于通信的稳定性要求较高。对比于传统市面上采用的RS一485通信方案，本文中采用CAN总线，并给出了相应的CAN协议格式，在通信总线中加入了TVs防止浪涌破坏，并加入了共轭线圈以抑制共模干扰。设计电路图如图2所示。

　　电路图中，6N137光耦起到电气隔离的作用，图2中的B0505为隔离电源，将通信模块中所用的电源、地与电路板上其余电源、地隔离开来，在通信的输出端口，CANL与CANH之后加入了与，差模滤波电感，用于抑制差模干扰。差模电感之后加入共模电感B3，共模电感的作用是抑制共模干扰。TVS41的作用是为了消除CANL与CANH之间的浪涌，而TVS42与TVS43分别是为了消除CANH与CANL对地的浪涌。有瞬间大电压浪涌产生时，TVS管与，电容会瞬间导通，将大电压通过GGND导通至大地，以防止通信模块受到破坏。

　　3.2软件设计

　　本设计中监控传感器的通信采用CAN传输，CAN通信采用事件触发式，比主从方式的通信效率更高，CAN应用层的协议相对开放，有CAN2.0A的版本以及扩展版的CAN2.0B，该设计采用扩展版本2.0B的通信扩展帧模式，报文帧格式如表1所示，并参考了论文((基于CAN总线的电气火灾监控系统》中ZNCAN的设计，在此基础上依据消防监控器的特点进行了相应的设计更改。CAN2.0B扩展帧中报文的格式分为报文标识符以及报文数据定义两个部分。报文标识符主要用于设备识别，而报文数据部分即表l的字节6～13中传输电压电流等数据信息。表格中报文识别码的ID.28~ID.23定义为6位建筑编号，ID.22~ID.16定义为7位楼层编号，ID15~ID9定义为7位节点编号，而ID8-ID5为源节点编号，ID4~ID1定义为功能码，ID0为应答信号ACK。功能码列表如表2所示。

　　报文响应中的数据主要用来传送参数以及采样数值，由于消防设备电源通常是双电源，即主电和备用电源都需要监测，本文设计的监控传感器为电流电压型，采用三相四线输入，有12组采样数据，再加上电流电压的设定阈值共14组，数据量较大，而CAN2.0B扩展帧的数据位只有8位，所以采样数据传输一共要发送14次。发送的数据结构有如图3所示　的两种。

　　状态字节：状态为监控传感器的当前状态，包括正常、过流、过压、欠压、缺相、错相等状态;电压/电流设定：电压/电流设定包括主电的设定值和备电的设定值;监控类型：监控类型表示上发数据的监控传感器类型，可以是电压型也可以是电流型，亦或是电流电压型。其中对于同一监控传感器的同一批采样数据中，传输完图3(a)后紧随着图3(b)的数据传输，监控器主机可以根据监控类型来计算接收的次数以此来判决是否接收到所有的采样数据。

　　4监控传感器采样模块

　　市面上有的监控传感器采样部分采用普通的峰值检波电路或是简单的分压电路，输入的采样信号稳定性不高，并且对于峰值检波电路，应用具有一定的局限性。峰值检波电路存在充放电的问题，如若快速变换的波形一旦放电不及时，则容易出现采样偏差，笔者在采用峰值检波电路测试日光灯的供电电源时发现采样电压普遍偏大两倍。消防设备的种类繁多决定了消防设备电源的多样性，采样电路需要有更大的适用范围以及更强的抗干扰性能。

　　本设计的采样方案采用RN8209电能芯片进行电流电压的信号采样。RN8209是一款单相多功能防窃电专用的计量芯片，它能够提供3路采样信号，其中包括两路电流和一路电压的有效值测量，在1000：1的动态范围内，有效误差小于0.1%，并且提供SPI/UART接口将信号输出，功耗值低，使用十分便利。

　　在使用该计量芯片时，根据芯片手册设计的芯片外围电路如图4所示。图4中一共有3路电流输入，分别为，Ia\Ib\Ic该3路电流在输入该电路之前与峰值检波电路一样需要通过电流互感器进行转化，转为小信号之后再输入单片机进行处理。

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