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(jīng)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(wǎng)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(zhì)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(jīng)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(nèi)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(nèi)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(wǎng)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(nèi)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(wǎng)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(wǎng)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(chǎn)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(nèi)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(wǎng)絡的組建

完成該系統(tǒng)設計的關鍵是解決系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)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(wǎng)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(zhuǎn)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?qū)ο蟮木幾g語言。USB-CAN的接口卡選的是北京愛泰公司的產(chǎn)品，型號為USBCAN-I+，因此需要安裝北京愛泰公司USBCAN驅(qū)動才能使用它。上位機程序通過調(diào)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(nèi)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(nèi)部經(jīng)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(nèi)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(wǎng)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(nèi)部干擾性強、使用單位多及協(xié)調(diào)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(diào)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(diào)、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(diào)、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(nèi)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(nèi)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(jié)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(nèi)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(diào)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

[1]孫偉俊.城市地下綜合管廊火災危險控制技術研究[D].西安：西安建筑科技大學，2017.

[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(wǎng)設計與應用手冊.2022.05