基于二总线通信的消防设备电源监控系统的设计
云南民族大学电气信息工程学院的研究人员王悦、廖有为等，在2019年第2期《电气技术》杂志上撰文指出，为了保证建筑内的消防设备在预防火灾和发生火灾时能及时有效的运作，需要设置消防设备电源监控系统来保证其电源的良好工作状态。
在传统监控系统的基础上，设计了一种基于二总线通信的消防设备电源监控系统，监控器的通信模块采用了EV620模块，其内含PowerBus技术的增强型主站控制IC：PB620。PowerBus总线通过调制供电电缆上的控制信号，替代了传统分离的控制电缆和供电电缆，并大幅度提高通信稳定性；通过采用意法半导体公司生产的STM32F103CBT6芯片对监控传感器进行设计，对数据进行采集和通信处理，实现可靠的数据采集和传输；通过对系统软件进行设计，使其稳定可靠的运行，满足国标要求，保证消防设备电源的正常运作。
现代建筑内部，均配备消防安全系统。消防设备平日里由市电供电，当发生火灾时，为了防止火灾引起电路着火就要断开市电，转为备用电源供电。目前消防备用电源主要有3种类型：①有独立供电系统的消防专用供电线路；②用电单位的自备柴油发电机组，如图1所示；③由蓄电池组作为备用电源组成的交、直流供电电源的应急电源（静态EPS），EPS组成如图2所示。
在3种消防备用电源中，消防专用供电线路在发生火灾时不能长时间安全供电，所以常用柴油发电机和EPS作为应急电源供电。柴油发电机应急电源中，电池组故障和寿命是影响其正常工作的一个重要部分。另外，发动机，控制电路，稳压部分等的电路是否正常，以及燃料是否充足也是影响发电机正常工作的另一个原因。
从EPS组成结构图可以看出，EPS由几个部分组成，关键部分为电池组，同柴油发电机一样，电池组存在寿命短、其中一块出故障就会影响整个电池组的问题，其他电路部分也可能出现故障，从而使EPS不能正常供电。
图1 柴油发电机组应急电源
图2 EPS组成
由于这3种消防供电电源都有一定的弊端，设备线路之间也可能存在故障情况，因此需要实时监测消防设备电源是否处于完好状态，以保证在发生火灾或在火灾预防中，建筑内的消防系统可以及时有效的运作；而消防设备电源监控系统就可以解决这一问题，实时监控消防设备的电源工作情况。
1 消防设备电源监控系统的构成
1.1 系统的基本组成
2011年12月30日颁布，2012年8月1日开始实施的由国家标准委员会编制的GB 28184—2011《消防设备电源监控系统》，对消防电源监控系统做出明确规定，消防电源监控系统是“用于监控消防设备电源的工作状态，在电源发生过压、欠压、过流、缺相等故障时能发出警报的监控系统”。消防设备电源监控系统严格符合国标规定，由消防设备电源状态监控器（以下简称监控器）、传输线缆和与其连接的电压信号传感器、电压/电流信号传感器（以下简称监控传感器）等设备组成。系统连接如图3所示。
图3 消防电源监控系统结构图
1.2 消防设备电源监控系统的功能和特点
本系统具有多种功能，可靠性强，能安全稳定的监视所要监控的消防设备电源的状态。主要功能特点有：
①供电功能，监控器采用直流24V为与其相连接的传感器供电；②故障报警功能，能在故障时100s内发出故障声、光信号，并显示记录故障的部位、类型和时间；③自检功能，监控器能对本机及所配接的传感器进行功能检查，监控器的自检不影响非自检部位的报警功能；④信息显示与查询功能，本系统能在监控器上采用文字、数字和字母（符）显示，能显示当前所接传感器采集到的相应消防设备电源电流电压信息、监控模块总数、故障总数等；⑤主备电源转换功能，主备电源能相互切换且不影响监控器的正常工作；⑥分级操作功能，监控器设置了普通权限和管理权限对监控器进行不同级别的操作；⑦数据存储功能，监控器能存储5400条故障记录或5400条中断记录，且无保存时间限制；⑧打印功能，微型打印机汉字打印输出历史记录的详细数据；⑨通信功能，监控器采用3路二总线和2路CAN总线通信方式，监控器与电压电流传感器通过二总线通信方式进行控制，采用CAN2.0通信方式，有较高的传输速率，每条总线的传输距离为1000m；⑩可将开关量输入、开关量输入作为其他信号输入到监控设备；复位功能，故障排除后，故障信号可自动或手动复位，且在复位后，监控器能在100s以内重新显示尚存在的故障。
2 监控系统硬件的设计
消防设备电源监控系统硬件主要为电源状态监控器和监控传感器设计。监控器为其所接传感器提供24V直流供电，通过3路二总线通信方式进行监控器与传感器间的数据传输，2路CAN总线可用作监控器系统级联使用，RS 485通信接口可用于与上位机或图形显示装置等进行数据传输。图4所示为本系统一种三相双电源电压电流信号传感器与监控器组成的系统结构图。
图4 一种三相双电源传感器与监控器连接结构图
2.1 二总线技术
本系统采用二总线方式实现监控器对监控传感器的供电与数据通信，二总线通信适用于远距离检测、数据采集、火灾报警灯等领域；并且系统结构简单、分工明确、成本低、可靠性高；此外二总线系统还具有接口简单、总线数少、功耗较低等特点[。
将二总线技术应用到消防设备电源状态监控系统中，监测传感器不需要单独供电，不必串入配电系统中，只需要通过二总线从监控器中为其提供24V直流电即可。二总线系统只有两根线，其中一根作为电源和信号的参考地线；另一根线有3种用途：同时作为电源线、信号发送线和信号接收线。这样就实现了供电和传递信号共用总线的目的，减少了布线成本，对于二总线无极性连接，也减少了施工过程中的接线错误和调试工作量。
2.2 通信模块电路
监控器通信模块电路采用北京强联公司自厂生产的IC，即EV620，其内含采用PowerBus技术的增强型主站控制IC，即PB620。PowerBus电源总线属于低压总线。通过在供电电缆上调制控制信号，替代了传统分离的控制电缆和供电电缆，并大幅度提高通信稳定性。
PowerBus总站控制器PB620能适应现场使用的各种线材、并实现远距离通信的功能。电缆可以铺设为总线型、树形或星形等任意方式，极大方便施工布线，并且可以防止错接发生，简化施工维护。PB620可对PowerBus总线提供电源管理功能，实现对总线的供电、通信和故障监测。
可支持总线电流20A（2400bit/s），最大总线电压可达48V，具有透明的串口协议，兼容原RS 485系统，可支持通信速率为9600bit/s和2400bit/s的半双工通信。监控器的通信模块电路如图5所示。
2.3 监控传感器STM32F电路
监控传感器的设计采用了意法半导体公司生产的STM32F103芯片，STM32F103CBT6是基于ARM Cortex-M3内核的单片机，具有32位闪存，128kB的Flash存储器，多达20kB的SRAM，在72MHz频率下运行，能快速处理系统中实时采集的消防设备电源的工作状态。
STM32F103有一套全面的节能模式，即睡眠模式、停止模式、待机模式，允许设计低功耗的应用程序，低功耗设计可满足电源和通信采用两线制的要求。STM32F103电路如图6所示，对数据进行采集和通信处理，实现可靠的数据采集和传输。
图5 监控器通信模块电路
图6 监控传感器STM32F103电路模块
3 监控系统软件设计
监控系统程序是基于Rt_thread操作系统，由C语言编写，使用KEIL公司的MDK编译器编译。监控器由主控程序、界面显示程序（主界面、供电中断显示界面、故障显示界面、供电中断记录界面、故障记录界面、系统设置界面）、CAN通信程序、485通信程序、报警故障处理程序和输出程序组成。监控传感器程序由主控程序、数据处理程序和中断处理程序（数据采样中断、通信中断、按键和显示中断）组成。
3.1 监控器的软件设计
监控器的软件设计流程图如图7所示。由图7可知，监控器开始进行初始化，随后进行自检，检查是否有自身故障及传输连接故障。若有，则会发出声光报警，等待工作人员检查处理；若无，则按人机交互界面下传达给监控器的命令进行相应的操作，进行数据传输等工作。
图7 监控器软件设计流程图
监控器通过二总线方式对监控传感器的数据进行采集、处理、存储、显示等。采集到的数据与提前设定的阈值进行对比，若超过阈值范围，即发生了过压、欠压、缺相等故障，监控器则进行声光报警等动作。
3.2 监控传感器的软件设计
监控传感器的软件设计流程图如图8所示。
图8 监控传感器软件设计流程图
监控传感器通电后，首先进行初始化，初始化设置参数和外设，显示界面等；然后实时采集设备的电源工作状态，传至STM32F103CBT6中进行AD转换，分析处理数据，进行存储；最后与设定的阈值进行比较，判断是否发生故障，是否需要报警[。
监控传感器主要对所监控的设备电源工作状态的信息进行采集、处理、报警。与监控器间用二总线的方式进行通信，其中监控传感器的两总线中断程序如图9所示。数据从串口传入，产生中断，判断其为接收中断还是发送中断。若为接收中断，则判断指针是否为类RTU方式；若是RTU方式，则将数据保存到缓冲区，否则清空指针清空缓冲区，中断返回。若非接收中断，则进行数据发送程序。
图9 监控传感器两总线中断程序流程图
消防设备正常运行的根本是其供电电源是否保持良好的工作状态，故消防设备电源监控系统应运而生，保证建筑物内的消防设备在发生火灾及其他情况下不断电，能及时有效的消除隐患，防患于未然。
本文设计了一种双电源三相电压电流信号传感器与监控器组成的监控系统，其中监控器有3路二总线、2路CAN总线和1路RS 285通信接口。与市面上大部分消防设备电源监控系统不同的是，本系统不仅有CAN总线通信和RS 485通信，而且主要有3路二总线，将数据由监控传感器上传到监控器，二总线技术的应用，使得系统布线简单，成本降低，可靠性提高，无极性连接使得调试工作减少，安装出错率降低。
本文所设计的系统是一种可靠、安全的消防电源监控系统，可广泛推广使用。