1 基于無(wú)線通信質(zhì)評(píng)的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)由 ZigBee 主站、ZigBee 從站、總線、上位機(jī)單元構(gòu)成,運(yùn)行流程如下:ZigBee 主站與總線相連，上位機(jī)單元向總線發(fā)送信息后,主站會(huì)收到發(fā)送的信息。而一些監(jiān)控設(shè)備也與總線相連同樣會(huì)接收到發(fā)送的信息并進(jìn)行處理。ZigBee 主站在收到信息后,會(huì)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)向 ZigBee 從站發(fā)送信息,由從站向與從站相連的監(jiān)控設(shè)備發(fā)送接收信息四。而信息的回送過(guò)程則剛好與發(fā)送過(guò)程相反。其中總線選用的是 485 總線，上位機(jī)單元中選用的上位機(jī)為 OptiPlex-2x,選用的服務(wù)器為 IPC610L 多擴(kuò)展雙千兆網(wǎng)口上位機(jī)服務(wù)器問(wèn)。在 ZigBee主站、ZigBee 從站搭建的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)使用的 ZigBee 芯片設(shè)計(jì)具體如下:首先配置高性能的無(wú)線收發(fā)器與高性能的 CPU 內(nèi)核.CPU 內(nèi)核選用的是 32-bit RISC。并在芯片中植入 3 種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧包括 JenNet,ZigBee,IEEE823.15.2。配置多種數(shù)字應(yīng)用接口,包括 Comparators,DAC,12-bit ADC,PWMTimers,GPIO ,2-Wire Serial(12C),SPI,UARTs,并配置 96K的 RAM 與192K的 ROM。在 ROM 中對(duì)成熟底層協(xié)議棧進(jìn)行固化.在 RAM 中對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進(jìn)行固化。*后配置 128-bit 的 AES 加密器件與多個(gè)低成本外擴(kuò)器件.包括 1個(gè)串行 FLASH、5 個(gè)電容1 個(gè)晶振問(wèn)。ZigBee 芯片作為主控芯片,為節(jié)點(diǎn)配置其他單元,完成 ZigBee 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì),具體配置如圖1 所示口。

其中供電單元通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器為 ZigBee 芯片提供 1.8 V 電源。并設(shè)計(jì)一種 USB 供電方式為其他器件供電。在 USB 供電方式中,選用 LD1117-3.3 V芯片對(duì) USB 的 5 V 電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換,將其轉(zhuǎn)換為3.3 V.在射頻單元中.使用的無(wú)線射頻芯片為CC2541F256芯片上搭載的片載系統(tǒng)為 2.4 GHz Bluetooth。并為無(wú)線射頻芯片配置一些外部組件,包括 5 通道直接內(nèi)存訪問(wèn)、紅外生成電路等網(wǎng)。

藍(lán)牙單元使用的藍(lán)牙芯片為 BXM 芯片通過(guò)該芯片實(shí)現(xiàn) ZigBee 節(jié)點(diǎn)之間的通信。為芯片配置接收管腳與 UART串口發(fā)送腳。24 MHz 晶振選用的是 TCXO 溫補(bǔ)晶振,將其接入 ZigBee 芯片中,通過(guò)3225 貼片進(jìn)行封裝。在 ZigBee 協(xié)議棧中，使用的ZigBee 協(xié)議為 Z-Wave。ZigBee 主站與 ZigBee 從站均由協(xié)調(diào)器與 ZigBee 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。其中協(xié)調(diào)器能夠構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò).對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)。并發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)想要加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求,具備自動(dòng)組織的功能網(wǎng)。協(xié)調(diào)器的工作流程設(shè)計(jì)具體如下:

1)對(duì) ZigBee 芯片與外設(shè)進(jìn)行初始化處理.

2)對(duì) ZigBee 協(xié)議棧進(jìn)行初始化處理:

3)構(gòu)建 ZigBee 網(wǎng)絡(luò):

4)對(duì)缺省參數(shù)進(jìn)行配置:

5)監(jiān)聽(tīng) ZigBee 網(wǎng)絡(luò),在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中接收數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析:

6)將數(shù)據(jù)封裝為串口數(shù)據(jù)包,通過(guò)總線向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù);

7)在監(jiān)聽(tīng) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)對(duì)總線進(jìn)行監(jiān)聽(tīng).在總線中接收數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析:

8)將數(shù)封裝為 ZigBee 數(shù)據(jù)包，通過(guò) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)向 ZigBee 從站發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2） 監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

在監(jiān)控模塊中.通過(guò)剩余電流探測(cè)器與開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)電氣火災(zāi)剩余電流的監(jiān)控。其中剩余電流探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)自檢、DI 消防、按鍵切換、聲光報(bào)警、液晶顯示以及剩余電流報(bào)警功能l10。剩余電流探測(cè)器的設(shè)計(jì)具體如下:設(shè)計(jì)了一種控制芯片,能夠?qū)崿F(xiàn)外部信號(hào)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、信號(hào)轉(zhuǎn)換以及開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示等功能”。芯片的設(shè)計(jì)具體如下:配置多個(gè)中斷源.通過(guò)中斷的方式將芯片切換至低功耗運(yùn)行模式。配置 16 位精簡(jiǎn)指令集,使芯片具有多樣化的尋址方式與更加靈活的程序編寫(xiě)方式。通過(guò)多個(gè)寄存器開(kāi)展運(yùn)算處理,具體包括功能選擇寄存器、輸人寄存器、方向寄存器、輸出寄存器。通過(guò)8 MHz 晶體進(jìn)行驅(qū)動(dòng).使芯片達(dá)到 125 ns 的指令周期。為芯片配置以下片內(nèi)外設(shè):2k的 BRAM、60 k的BFLASHROM、多個(gè) I/0 端口、硬件雙串口 USARTI與 USARTO 以及看門(mén)狗電路。在剩余電流采集電路中,通過(guò)電壓傳感器進(jìn)行剩余電流的測(cè)量,選擇的電壓傳感器為毫安級(jí)別精密度的電壓傳感器。剩余電流采集電路的電路設(shè)計(jì)如圖 2 所示。選用的液晶顯示模塊為 AMPIRE12864。將AMPIRE12864 接入到控制芯片中.實(shí)現(xiàn)參數(shù)查詢(xún)界面、DIDO 狀態(tài)、報(bào)警動(dòng)作值、剩余電流實(shí)時(shí)值的顯示。

（3）信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

在電流信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊中使用的信號(hào)濾波處理算法是自適應(yīng)算法,具體處理步驟如下:

1)y(a)表示時(shí)間b某點(diǎn)處的一組信號(hào)其中包含著N個(gè)信號(hào).具體描述為

2)信號(hào)y(a)的權(quán)值為

3）過(guò)自適應(yīng)線性模型獲取輸出信號(hào)?(a)，?(a)可以通過(guò)輸入向量及其對(duì)應(yīng)權(quán)向量來(lái)表示，具體如下式:

式中:是第j個(gè)輸出的輸人向量對(duì)應(yīng)的權(quán)向量;是第j個(gè)輸出的輸入向量;I是N中的一個(gè)正整數(shù)。

4）c(a)表示期望信號(hào),d(a)表示誤差信號(hào)，則誤差信號(hào)為:

5)將均方差函數(shù)作為誤差準(zhǔn)則.即:

6)根據(jù)均方差函數(shù)對(duì)原始信號(hào)實(shí)施濾波處理,也就是當(dāng) y *小時(shí),對(duì)*佳權(quán)系數(shù) B" 進(jìn)行求解求解結(jié)果為*小均方誤差點(diǎn),濾除誤差大于求解結(jié)果的信號(hào)。其中*佳權(quán)系數(shù)求解公式為

就此完成各種信號(hào)的濾波處理。

（4）火災(zāi)預(yù)警模塊設(shè)計(jì)

在火災(zāi)預(yù)警模塊中,基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)電氣火災(zāi)預(yù)警算法.實(shí)施電氣火災(zāi)預(yù)警。預(yù)警流程如下:

(1)通過(guò) MATLAB 軟件構(gòu)建糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)預(yù)警模型.模型為三層結(jié)構(gòu)。

其中輸入層中共有 4 個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為工作電流信號(hào)、電流電壓信號(hào)、線路溫度信號(hào)、線路剩余電流信號(hào);隱含層中共設(shè)置 6 個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)數(shù)目由式(7)決定,而輸出層中共有 3 個(gè)節(jié)點(diǎn),分別為明火概率陰燃概率以及無(wú)火概率。

參考文獻(xiàn)

[1]安 軍. 基于無(wú)線通信技術(shù)的電氣火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)

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