摘要：城市綜合管廊是城市基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，城市綜合管廊中布置了眾多的工程管線，是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施的“生命線"。一旦出現(xiàn)火災(zāi)，將會(huì)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(shù)來實(shí)現(xiàn)城市地下綜合管廊火災(zāi)監(jiān)測和報(bào)警。采用感煙型、感溫型等多種探測器實(shí)現(xiàn)融合監(jiān)測，且對(duì)火源進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)綜合管廊的可視化火災(zāi)監(jiān)測和報(bào)警。

關(guān)鍵詞：綜合管廊；火災(zāi)監(jiān)測；單片機(jī)；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(gè)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(fēng)口等設(shè)備，是保障現(xiàn)代化城市安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程也在不斷地加快，與之配套的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)卻相對(duì)滯后，為了統(tǒng)籌各類市政管線規(guī)劃、建設(shè)和管理，解決反復(fù)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(shè)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(fù)雜交錯(cuò)，一旦出現(xiàn)火災(zāi)事故，則必然對(duì)社會(huì)以及經(jīng)濟(jì)秩序的發(fā)展造成嚴(yán)重影響，甚至造成人員傷亡，因此對(duì)于綜合管廊內(nèi)的火災(zāi)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)城市綜合管廊火災(zāi)監(jiān)測與報(bào)警為目標(biāo)，對(duì)城市綜合管廊內(nèi)的消防安全進(jìn)行管控設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、CAN網(wǎng)絡(luò)的組建以及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總體架構(gòu)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(shí)現(xiàn)融合監(jiān)測，這些采集模塊與ESP-12F單片機(jī)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(shù)與本地服務(wù)器連接，本地服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至云平臺(tái)。監(jiān)測人員可以通過手機(jī)、電腦等設(shè)備實(shí)時(shí)查看、處理相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括終端采集模塊以及區(qū)域子控制器的設(shè)計(jì)。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(jī)，它擁有兩個(gè)全雙工的串行通信接口，可以與WiFi模塊間進(jìn)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(jī)連接感溫模塊、感煙模塊，以便實(shí)時(shí)將相關(guān)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(diǎn)。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(qiáng)、精度高的優(yōu)點(diǎn)。所有探測器均根據(jù)GB50116―2013《火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》以及GB50838―2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》中的要求進(jìn)行敷設(shè)。

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(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格低廉的國產(chǎn)GD32F103CBT6單片機(jī)。電路部分主要包括電源電路、濾波電路、復(fù)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(wù)器。

3 CAN網(wǎng)絡(luò)的組建

完成該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是解決系統(tǒng)內(nèi)部間的數(shù)據(jù)傳輸問題，該設(shè)計(jì)主要是針對(duì)城市綜合管廊的火災(zāi)監(jiān)測與報(bào)警而提出，因此設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到管廊內(nèi)的復(fù)雜情況。例如某些綜合管廊的跨度很大，是否會(huì)影響通信的穩(wěn)定性。而CAN總線的*通信距離能夠達(dá)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(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號(hào)。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(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)，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(shè)計(jì)了CAN總線通信電路來實(shí)現(xiàn)它與本地服務(wù)器之間的通信。通信電路的核心是TJA1050，TJA1050是一款高速CAN信號(hào)收發(fā)器，可將單片機(jī)信號(hào)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(gè)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.1軟件總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)使用了VisualStudio2022作為上位機(jī)軟件的開發(fā)環(huán)境，它是Windows平臺(tái)應(yīng)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(jī)軟件是基于Framework4.7.2框架開發(fā)的Window窗體應(yīng)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(hào)為USBCAN-I+，因此需要安裝北京愛泰公司USBCAN驅(qū)動(dòng)才能使用它。上位機(jī)程序通過調(diào)用北京愛泰公司提供的usbcan.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)USBCAN-I+的開啟、關(guān)閉，讀取和發(fā)送CAN數(shù)據(jù)等功能，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件到控制器硬件之間的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)上位機(jī)程序利用數(shù)據(jù)庫提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫MySql.Data.dll進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)軟件連接阿里云數(shù)據(jù)庫，對(duì)阿里云數(shù)據(jù)庫進(jìn)行增刪查改等操作，完成本地主機(jī)和阿里云平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸交換。上位機(jī)界面和接收數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。

圖3上位機(jī)界面示意圖

打開軟件運(yùn)行程序后，首先會(huì)進(jìn)入初始化環(huán)節(jié)，進(jìn)行USBCAN設(shè)備的檢測，當(dāng)檢測到設(shè)備后，開啟設(shè)備并獲取設(shè)備參數(shù)，沒有檢測到設(shè)備時(shí)，需要等待設(shè)備連接，連接后點(diǎn)擊連接按鍵開啟設(shè)備讀取參數(shù)，緊接著開啟接收數(shù)據(jù)中斷，程序正常運(yùn)行。程序從USBCAN設(shè)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(huì)定時(shí)查詢USBCAN設(shè)備有無數(shù)據(jù)傳來，直到檢測到數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)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(fù)雜，難免會(huì)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(yùn)維員工的出入，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，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(jìn)而實(shí)施救援。利用ESP8266模塊作為節(jié)點(diǎn)，用于測得節(jié)點(diǎn)與管廊內(nèi)人員的距離。因?yàn)槭褂玫氖侨厹y量定位算法，所以需要三個(gè)節(jié)點(diǎn)與人員之間的距離信息。具體測量方法：假設(shè)測得三個(gè)節(jié)點(diǎn)與人員的位置信息，三個(gè)節(jié)點(diǎn)位置分別為（x₁，y₁）、（x₂，y₂）、（x₃，y₃），被困人員距離節(jié)點(diǎn)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(shí)刻人員所在位置的二維坐標(biāo)，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(dòng)，繪出人員的移動(dòng)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(tái)

5.1平臺(tái)概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺(tái)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(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)、聯(lián)動(dòng)控制和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的設(shè)計(jì)，解決了綜合管廊在管理過程中存在內(nèi)部干擾性強(qiáng)、使用單位多及協(xié)調(diào)復(fù)雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境和設(shè)備的使用和恢復(fù)效率。

5.2平臺(tái)組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統(tǒng)是一個(gè)深度集成的自動(dòng)化平臺(tái)，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(dá)監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)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(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機(jī)APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個(gè)平臺(tái)即可全局、整體的對(duì)管廊用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時(shí)滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、*、有序的要求。

5.3平臺(tái)拓?fù)?img src="https://img58.foodjx.com/9/20240430/638500868490735145722.png" alt="67d8f65737857b964bdc33b14610bca4_09d2262e02db459e920a1703d7e1a74b.png" style="width:800px;"/>

5.4平臺(tái)子系統(tǒng)

5.4.1電力監(jiān)控

電力監(jiān)控主要針對(duì)10/0.4kV地面或地下變電所，對(duì)變電所高壓回路配置微機(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，對(duì)0.4kV出線配置多功能計(jì)量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實(shí)時(shí)監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機(jī)保護(hù)測控裝置、發(fā)電機(jī)控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報(bào)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?xì)怏w濃度、門禁、視頻、空調(diào)、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預(yù)警，同時(shí)也可接入管廊艙室內(nèi)的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)等設(shè)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(duì)配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應(yīng)的電氣火災(zāi)傳感器、溫度傳感器，消防設(shè)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(shí)時(shí)顯示，并且對(duì)UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，發(fā)生異常時(shí)通過聲光、短信、APP及時(shí)預(yù)警。

6結(jié)束語

城市綜合管廊是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，綜合管廊的火災(zāi)監(jiān)測與報(bào)警的重要性不言而喻，管廊中任何一個(gè)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(shè)計(jì)的城市綜合管廊火災(zāi)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)，充分利用嵌入式技術(shù)，通過各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)管廊內(nèi)部實(shí)時(shí)情況的上傳、匯總，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)維人員對(duì)整個(gè)管廊的監(jiān)控與管理。通過對(duì)該系統(tǒng)的軟件與硬件的仿真、調(diào)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，達(dá)到火災(zāi)監(jiān)控與報(bào)警的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]孫偉俊.城市地下綜合管廊火災(zāi)危險(xiǎn)控制技術(shù)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2017.

[2]劉釩，陳偉利.城市綜合管廊火災(zāi)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05