基于物联网的电气火灾监控系统设计与实现

张征峰，郑 梁，崔佳冬

（杭州电子科技大学CAE研究所，浙江 杭州 310018）

0 引言

据统计，2011～2016年，我国共发生电气火灾52.4万起，对人民的生命财产安全造成了巨大威胁和损失，政府对此高度重视，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[1]。

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[2]，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[3]；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火灾探测器、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火灾探测器功能外，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 电气火灾探测器

2.1 硬件结构

多传感器组合独立式电气火灾探测器的硬件结构如图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 电气火灾探测器硬件结构图

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，最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）。其中优先级最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协议在请求行中指定版本为HTTP 1.1，请求头部的Connection指定为keep-alive，与监控平台保持长连接。

探测器核心任务流程如图4所示。启动定时器时需要指定回调函数，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优先级的报警事件，最后更新定时器，进入下一次循环。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[4]。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 服务端

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最新上报数据、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。

使用单一的关系型数据库，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最新信息时，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，取出第一条或者最后一条才能得到最终需要的数据。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，主要完成手机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系，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 电气火灾探测器测试

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；温度测量值最低为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。单相可调变压器一次侧接入市电，二次侧其中一个端子输出串联一个功率电阻（20Ω 200W）后，经电流表，穿过漏电流互感器后，接入二次侧另一端子。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，探测器显示数据最大误差为1.6%，远小于规范要求的最大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℃，实测最大误差为1.1%，满足精度要求。

探测器核心任务每200ms执行一次采样和判断报警，OLED显示任务每休眠500ms刷新一次显示数据，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火灾探测器2天的历史数据和详细的设备信息，如图9所示。

图9 电气火灾探测器数据可视化图

点击页面中的“查看位置”按钮，可以显示电气火灾探测器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 电气火灾探测器位置地图

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）为加载了探测器最新数据信息及历史数据的图形化显示界面。

图11 APP部分页面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 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，在设计实现中最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优势；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。