李艷龍， 李申山

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的消防水泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

李艷龍， 李申山

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

針對(duì)我國(guó)當(dāng)前消防自動(dòng)巡檢系統(tǒng)迅速推廣應(yīng)用，提出了將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到消防巡檢系統(tǒng)中的設(shè)想，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的硬件和軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)分別采用光電傳感器和壓力傳感器采集消防水泵的轉(zhuǎn)速和管道水壓，再經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)處理，通過(guò)基于nRF2401芯片的無(wú)線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。上位機(jī)用Labview對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)顯示、報(bào)警以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，該系統(tǒng)完全滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可靠，具有一定的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)推廣意義，并且具有系統(tǒng)兼容性和可擴(kuò)展性，為后續(xù)系統(tǒng)升級(jí)和智能擴(kuò)展提供技術(shù)平臺(tái)。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；消防水泵；監(jiān)測(cè)

0 引言

近些年由于消防給水系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，從而在火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)造成的重大損失的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮。其中主要原因是由于消防設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間不用造成設(shè)備銹蝕、損壞，影響消防水泵正常開(kāi)啟，從而當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)消防系統(tǒng)不能正常工作。為此，國(guó)家相關(guān)部門(mén)出臺(tái)了許多規(guī)范和法規(guī)，要求消防系統(tǒng)要安裝定期巡檢裝置。自動(dòng)巡檢系統(tǒng)便得到大力發(fā)展和應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究大都集中在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在火災(zāi)檢測(cè)方面的應(yīng)用上，而在消防巡檢的給水系統(tǒng)檢測(cè)方面的研究相對(duì)較少。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的消防檢測(cè)系統(tǒng)主要有兩種類型：一是傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)，存在硬件集成復(fù)雜，人機(jī)交互性能差，操作不方便，可靠性低等特點(diǎn)；二是采用RS485或CAN等總線技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，但成本較高，安裝和維護(hù)麻煩，自動(dòng)化、智能化程度低。因此隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，新型的智能檢測(cè)技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用就變得急切和很有必要。針對(duì)現(xiàn)有消防巡檢系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能巡檢技術(shù)解決方案，實(shí)現(xiàn)了消防巡檢系統(tǒng)的高效化、自動(dòng)化和智能化。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

采集的信號(hào)，分別是最能反映消防給水系統(tǒng)性能的水泵轉(zhuǎn)速和管道水壓。這兩個(gè)信號(hào)分別通過(guò)放大、整理等一系列操作送入單片機(jī)，由單片機(jī)識(shí)別、整理、發(fā)出信號(hào)，再經(jīng)過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸，最后經(jīng)過(guò)U轉(zhuǎn)串模塊將采集到的信息傳送到上位機(jī)，在上位機(jī)上進(jìn)行顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)等操作。總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)速采集電路是對(duì)消防水泵轉(zhuǎn)速的檢測(cè)

圖2 光電型號(hào)采集

目前常用的檢測(cè)方法[1]有磁電式傳感器、電渦流傳感器和光電傳感器進(jìn)行電機(jī)測(cè)速，通常水泵測(cè)速是通過(guò)光電傳感器可以利用光電碼盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？紤]到檢測(cè)精度、實(shí)時(shí)性、可靠性及安裝維護(hù)成本，本設(shè)計(jì)采用無(wú)接觸式的光電探測(cè)器RPR220，利用RPR220對(duì)黑色反射敏感性來(lái)獲得旋轉(zhuǎn)脈沖，再通過(guò)計(jì)算[2]完成對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集。如圖2所示。

RPR220光電傳感器輸出的是0～5 V模擬電壓，再通過(guò)LM339比較器將模擬電壓轉(zhuǎn)化為T(mén)TL電平，供給單片機(jī)接收，具體信號(hào)采集電路如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速采集電路

2.2 壓力采集電路是對(duì)消防管道水壓的數(shù)據(jù)采集

按輸出信號(hào)的類型分，有模擬傳感器和數(shù)字傳感器兩類。

但是當(dāng)前市場(chǎng)的數(shù)字傳感器較貴，而且輸出信號(hào)需要數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)化。綜合考慮之后，本設(shè)計(jì)采用模擬傳感器完成對(duì)消防管道水壓的數(shù)據(jù)采集。壓力傳感器輸出的是電流，通過(guò)轉(zhuǎn)化電路將4～20 mA的電流轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓。采集電路如圖4所示。

圖4 壓力采集電路

2.3 單片機(jī)選擇

目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣的是美國(guó)ATMEL公司和臺(tái)灣的STC單片機(jī)。而與臺(tái)灣的STC單片機(jī)相比，ATMEL公司的單片機(jī)品種單一、功能少、速度慢、運(yùn)行不夠穩(wěn)定，且RAM/ROM相對(duì)較少。相對(duì)同樣性能的單片機(jī)STC單片機(jī)更便宜。此外，STC單片機(jī)的程序下載方便，易于調(diào)試和升級(jí)維護(hù)?？紤]到信號(hào)2(管道水壓)采集電路輸出是模擬信號(hào)，單片機(jī)選擇STC90C52AD，這樣省去模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，節(jié)約成本，減少節(jié)點(diǎn)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

2.4 無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線收發(fā)模塊采用nRF2401[3]搭配STC11L04E驅(qū)動(dòng)。nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5 mA，接收時(shí)工作電流只有18 mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。此外，nRF2401同時(shí)接收兩個(gè)以上不同頻道的數(shù)據(jù)，易于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

總體系統(tǒng)原理電路如圖5。

圖5 總體系統(tǒng)原理電路圖

2.5 電源模塊

傳感器完成數(shù)據(jù)采集和單片機(jī)要完成模數(shù)轉(zhuǎn)化都需要穩(wěn)定的5 V電源供電。從應(yīng)用的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)采用容量為700 mAh額定電壓為7.2 V的可充電電池組，電源調(diào)節(jié)器件采用低壓差線性電源芯片TPS7350。TPS7350具有輸入電壓范圍大，過(guò)熱、過(guò)流及電壓反接保護(hù)。輸出電流為150 mA時(shí)壓差小于0.1 V，特別是當(dāng)輸出電流為100 mA時(shí)，壓差僅僅為0.035 V。TPS7350可保證電池電壓在+7 V～+5.1 V范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出穩(wěn)定的5 V電壓，提高了電源的利用效率。其電路連接圖如圖6所示。

圖6 電源電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)采集部分和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。

(1)信號(hào)采集部分的程序設(shè)計(jì)包括對(duì)光傳感器的脈沖信號(hào)和對(duì)壓力傳感器的模擬信號(hào)的處理。

圖7 主邏輯程序圖

①對(duì)于光電傳感器的脈沖信號(hào)的處理有測(cè)頻法和測(cè)周期法。消防水泵的工頻轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，巡檢時(shí)消防水泵的轉(zhuǎn)速要低于工頻轉(zhuǎn)速，屬低頻信號(hào)，所以本設(shè)計(jì)采用測(cè)周期法。將被測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，利用單片機(jī)查詢兩個(gè)上升沿，在此期間根據(jù)晶體振蕩器產(chǎn)生的周期為T(mén)C的脈沖送計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值為N，則得被測(cè)量信號(hào)的周期值TX=TC×N，然后取其倒數(shù)即為被測(cè)量信號(hào)的頻率。

② 對(duì)于壓力數(shù)據(jù)采集，可轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)直接接到單片機(jī)的ADC接口上，利用單片機(jī)自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，獲得壓力的數(shù)字信號(hào)。

③STC90C52SAD將以上這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理，再發(fā)給無(wú)線發(fā)射模塊。由于這兩個(gè)信號(hào)要通過(guò)同一個(gè)無(wú)線通路進(jìn)行傳送，為了區(qū)分這兩個(gè)信號(hào)，在發(fā)送信號(hào)1(水泵轉(zhuǎn)速)前連續(xù)發(fā)送二個(gè)00，在發(fā)送信號(hào)2(管道水壓)前連續(xù)發(fā)送二個(gè)FF，用于上位機(jī)對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。主要邏輯程序圖如圖7。

(2)上位機(jī)采用Labview程序設(shè)計(jì)[4-5]，利用Labview豐富的程序模塊框圖和靈活的數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)計(jì)出該系統(tǒng)的顯示界面，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。如圖8、圖9所示，分別顯示水泵轉(zhuǎn)速和管道水壓的瞬態(tài)值和隨時(shí)間的波形圖。

圖8 前面板圖

圖9 后面板圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和信號(hào)處理等功能。

經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性和精度方面完全滿足消防巡檢的要求，并且該系統(tǒng)同時(shí)采集了兩個(gè)信號(hào)，互為補(bǔ)充，增加了對(duì)消防水泵運(yùn)行狀態(tài)判斷的可靠性。此外，該系統(tǒng)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，降低材料及施工維護(hù)費(fèi)用的同時(shí)，還提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度、實(shí)用性，并且該系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性，易于系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)展和升級(jí)。最后，該系統(tǒng)為無(wú)線網(wǎng)路技術(shù)在消防巡檢系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一個(gè)研究平臺(tái)，為后續(xù)信號(hào)濾波、消防智能控制等課題研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]毛敏. 非接觸測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器綜述[J].電子測(cè)試,2015(23):40-42.

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Research of Fire Pump Monitoring System Based on Wireless Network

Li Yanlong, Li Shenshan

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043,China)

Currently fire automatic inspection system is popularized rapidly in our country. An idea with wireless network technology applied to fire inspection system is proposed and the corresponding hardware and software system are designed.There are two kinds of signals collected in this system. One is the fire pump rotation speed collected by the photoelectric sensor and the other is pipe pressure collected by pressure sensor. After a series of signal processing, these signals are transmitted to PC by the wireless transceiver module based on nRF2401 chip.These signals are displayed, alarmed and stored in PC with Labview. The experimental results show that the system can completely satisfy the requirements of practical application. The design is simple, economic, reliable and has market value. What's more, it provides a technology platform for the follow-up system upgrade and intelligent extension .

wireless network；fire pump；monitoring

李艷龍(1988-)，男，碩士研究生，主要從事電機(jī)檢測(cè)與控制的研究。E-mail:749850061@qq.com

TP29

A

2095-0373(2017)02-0072-05

2016-05-05 責(zé)任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.13

李艷龍，李申山.基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的消防水泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(2):72-76.