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摘要：城市综合管廊是城市基础设施现代化的重要标志，城市综合管廊中布置了众多的工程管线，是保障城市运行的重要基础设施的“生命线”。一旦出现火灾，将会存在爆燃的重大安全隐患，带来*的损失。因此提出利用嵌入式技术来实现城市地下综合管廊火灾监测和报警。采用感烟型、感温型等多种探测器实现融合监测，且对火源进行测距定位，并输出火源位置信息，控制火源附近灭火装置灭火，实现对综合管廊的可视化火灾监测和报警。
关键词：综合管廊；火灾监测；单片机；探测器
0引言
综合管廊全称地下城市管道综合走廊，即在城市地下建造一个隧道空间，将给水、电力、热力、通讯等各类工程管线集于一体，地上附着物为出装口及通风口等设备，是保障现代化城市安全运行的重要基础设施。随着我国经济的高速发展，城市化进程也在不断地加快，与之配套的基础设施建设却相对滞后，为了统筹各类市政管线规划、建设和管理，解决反复开挖路面、架空线网密集、管线事故频发等问题，保障城市安全、完善城市功能、美化城市景观，提高城市综合承载能力和城镇化发展质量，综合管廊的建设近年来得到了飞速发展。由于综合管廊深埋地下，各类管线复杂交错，一旦出现火灾事故，则必然对社会以及经济秩序的发展造成严重影响，甚至造成人员伤亡，因此对于综合管廊内的火灾监测与报警系统的设计研究具有重要的现实意义。
1系统总体设计方案
该系统设计以实现城市综合管廊火灾监测与报警为目标，对城市综合管廊内的消防安全进行管控设计。该设计主要包括系统硬件设计、CAN网络的组建以及上位机软件设计，系统总体架构图如图1所示。该系统终端（管廊内各防火分区）配有多种类型的采集模块以实现融合监测，这些采集模块与ESP-12F单片机相连，ESP-12F通过自身搭载的ESP8266模块与上一层的区域子控制器（GD32处理器搭载ESP01WiFi模块）相连，区域子处理器使用CAN总线技术与本地服务器连接，本地服务器进行数据处理后通过互联网发送至云平台。监测人员可以通过手机、电脑等设备实时查看、处理相关数据。
图1系统总体架构图
2系统硬件设计
该系统的硬件设计主要包括终端采集模块以及区域子控制器的设计。终端采集模块控制器的中控芯片选择的是I/O口较多、类型丰富的ESP-12F单片机，它拥有两个全双工的串行通信接口，可以与WiFi模块间进行数据的交换传输，能充分满足组网的要求。ESP-12F单片机连接感温模块、感烟模块，以便实时将相关信息传送出去。感烟模块选择的是能耗较低的MQ2感烟模块，具有探测范围广、灵敏度高、稳定性好、寿命长等优点。感温模块采用的是DS18B20数字温度传感器，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的优点。所有探测器均根据GB50116―2013《火灾报警系统设计规范》以及GB50838―2015《城市综合管廊工程技术规范》中的要求进行敷设。
区域子控制器在该系统中起到承上启下的作用，它的核心选用了实用性强、价格低廉的国产GD32F103CBT6单片机。电路部分主要包括电源电路、滤波电路、复位电路以及ESP01电路等子电路。区域子控制器与管廊内各防火分区的终端采集模块建立通信，完成数据传输后通过CAN总线将数据上传到本地服务器。
3 CAN网络的组建
完成该系统设计的关键是解决系统内部间的数据传输问题，该设计主要是针对城市综合管廊的火灾监测与报警而提出，因此设计时要充分考虑到管廊内的复杂情况。例如某些综合管廊的跨度很大，是否会影响通信的稳定性。而CAN总线的*通信距离能够达到10km，足以满足大部分管廊的通信问题。因此选择利用CAN总线解决通信问题。CAN总线又叫控制器局域网总线，是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号。由于管廊覆盖面积广，所以需要布置大量的区域子控制器，而CAN总线上的*节点数可达110个，能充分满足大量区域子控制器的数据传输。
在区域子控制器设计了CAN总线通信电路来实现它与本地服务器之间的通信。通信电路的核心是TJA1050，TJA1050是一款高速CAN信号收发器，可将单片机信号转换为CAN总线收发器所需的CAN电平。收发器共有8个引脚，引脚示意图如图2所示。
图2 TJA1050芯片管脚示意图
4上位机软件设计
4.1软件总体设计
该设计使用了VisualStudio2022作为上位机软件的开发环境，它是Windows平台应用程序的集成开发环境，也是开发人员常用的开发工具之一。上位机软件是基于.NETFramework4.7.2框架开发的Window窗体应用程序，编译语言使用的是C#面向对象的编译语言。USB-CAN的接口卡选的是北京爱泰公司的产品，型号为USBCAN-I+，因此需要安装北京爱泰公司USBCAN驱动才能使用它。上位机程序通过调用北京爱泰公司提供的usbcan.dll动态链接库文件，便可以实现对USBCAN-I+的开启、关闭，读取和发送CAN数据等功能，实现上位机软件到控制器硬件之间的数据通信。同时上位机程序利用数据库提供的动态链接库MySql.Data.dll进行操作，实现了上位机软件连接阿里云数据库，对阿里云数据库进行增删查改等操作，完成本地主机和阿里云平台之间的数据传输交换。上位机界面和接收数据流程图如图3所示。
图3上位机界面示意图
打开软件运行程序后，首先会进入初始化环节，进行USBCAN设备的检测，当检测到设备后，开启设备并获取设备参数，没有检测到设备时，需要等待设备连接，连接后点击连接按键开启设备读取参数，紧接着开启接收数据中断，程序正常运行。程序从USBCAN设备读取数据并将数据传送至阿里云数据库。软件接收数据流程图如图4所示。首先程序会定时查询USBCAN设备有无数据传来，直到检测到数据，进行数据接收、处理数据，上位机软件显示数据，同时将数据通过编写C#命令发送至阿里云数据库。
图4软件接收数据流程图
4.2三边测量定位算法
综合管廊深埋地下，内部空间狭小且情况复杂，难免会发生各类故障问题，因此管廊内部经常有维修人员或运维员工的出入，当发生火灾时，首先要保障人员的生命安全，因此提出使用三边测量定位算法来确定人员位置进而实施。利用ESP8266模块作为节点，用于测得节点与管廊内人员的距离。因为使用的是三边测量定位算法，所以需要三个节点与人员之间的距离信息。具体测量方法：假设测得三个节点与人员的位置信息，三个节点位置分别为（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），被困人员距离节点的距离分别为R1、R2、R3，代入方程组：
求解方程组解得的（xm，ym）为m时刻人员所在位置的二维坐标，随着不断的采集，信息的不断完善，控制室便可根据人员的位置信息的移动，绘出人员的移动轨迹，从而确定人员的*位置，保障被困人员的生命安全。
5 AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台
5.1平台概述
AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台集电力监控、能源管理、电气安全、照明控制、环境监测于一体，为建立可靠、安全、*的综合管廊管理体系提供数据支持，从数据采集、通信网络、系统架构、联动控制和综合数据服务等方面的设计，解决了综合管廊在管理过程中存在内部干扰性强、使用单位多及协调复杂的根本问题，大大提高了系统运行的可靠性和可管理性，提升了管廊基础设施、环境和设备的使用和恢复效率。
5.2平台组成
安科瑞城市地下综合管廊能效管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所环境监控系统、智能马达监控系统、电气火灾监控系统、消防设备电源系统、防火门监控系统、智能照明系统、消防应急照明和疏散指示系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对管廊用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足管廊用电可靠、安全、稳定、*、有序的要求。
5.3平台拓扑
5.4平台子系统
5.4.1电力监控
电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。
5.4.2环境监测
环境监测包括温湿度、烟感温感、积水浸水、可燃气体浓度、门禁、视频、空调、消防数据的采集、展示和预警，同时也可接入管廊舱室内的水泵和通风排烟风机等设备集成的三方系统完成管廊环境综合监控。
5.4.3电气安全
AcrelEMS-UT能效管理系统针对配电系统的电气安全隐患配置相应的电气火灾传感器、温度传感器，消防设备电源传感器、防火门状态传感器，接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示，并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视，发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。
5.5相关平台部署硬件选型清单
5.5.1电力监控及配电室环境监控系统
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应用场合（10KV） |
产品 |
型号 |
功能 |
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10KV进/馈线 |
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AM6-L |
相间电流速断保护，相间限时电流速断保护（可带低压闭锁），相间过电流保护（可带低压闭锁），两段式零序过流保护，反时限相间过流保护（可带低压闭锁），零序反时限过流保护，过负荷保护，控制回路异常告警。 |
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10/0.4KV变压器 |
AML-S |
分合闸位置、手车工作/试验位置、接地刀闸位置、硬接点信号(保护跳闸、装置告警、控制回路断线、装置异常、未储能、事故总等)、报文(过流、过负荷、超温报警、过温报警、装置告警、PT断线、CT断线、对时异常等)、遥控开关、故障波形分析(故障录波、故障波形、故障记录、跳闸、故障电流电压)等。 |
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智能操控装置 |
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ASD500 |
一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、自动温湿度控制及显示（标配一路强制加热）、远方/就地旋钮、分合闸旋钮、储能旋钮、人体感应、柜内照明控制、RS485接口、高压柜内电气接点无线测温。 |
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10KV计量 |
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PZ72L- E4/UT |
该仪表采用交流采样技术，能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数，可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口，采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出，继电器报警输出等功能。具有许昌开普研究院有限公司、继电保护及自动化设备质量监督检验*检测合格的型式检验报告证书和电磁兼容检验证书，产品防护等级均达到IP65，符合管廊综合监控系统中对相关产品功能、防护等级及电磁兼容的要求。 |
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应用场合（0.4KV） |
产品 |
型号 |
功能 |
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0.4KV进/出线 |
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PZ72L- E4/UT |
该仪表采用交流采样技术，能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数，可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口，采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出，继电器报警输出等功能。具有许昌开普研究院有限公司、继电保护及自动化设备质量监督检验*检测合格的型式检验报告证书和电磁兼容检验证书，产品防护等级均达到IP65，符合管廊综合监控系统中对相关产品功能、防护等级及电磁兼容的要求。 |
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无功补偿 |
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ARC |
测量I、U、Hz、cosΦ，具备过电压保护、欠流锁定、电网谐波过大保护功能,可控制电容器的投切，RS485/Modbus协议 |
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ANSVC |
ANSVC低压无功功率补偿装置并联在整个供电系统中，能根据电网中负载功率因数的变化通过控制器控制电力电容器投切进行补偿,无功功率补偿装置采用散件组成方案，主要以电容电抗、投切开关、控制器等组成。 |
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ANSVG |
补偿方式:线性补偿，全响应时间<5ms，瞬时响应时间≤100us;补偿效果:≥0.99，可补偿容性无功和感性无功，滤除5、7、9、11、13次以内的谐波;自身损耗:≤2%，效率:>98%;监控以及显示具备远程通讯接口，可以通过PC机实时监控;具有人性化的人机交互界面，可通过该界面看到系统和本体的实时电能质量信息，操作简单，可以远控，也可以本控;标准模块化设计，缩短交付周期，同时提高了使用的可靠性和可维护性。 |
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温湿度控制器 |
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WHD72- 11/UT |
智能型温湿度控制器以数码管方式显示温湿度值，有加热器、传感器故障指示、变送功能、带有RS485通讯接口可供远程监控，用户可通过按键编程自行设定系统参数。该仪表集测量、显示、控制及通讯于一体，精度高、测量范围宽，是一种适合于各个行业和领域的温湿度测量控制仪表。具有许昌开普研究院有限公司、继电保护及自动化设备质量监督检验*检测合格的型式检验报告证书和电磁兼容检验证书，产品防护等级均达到IP65，符合管廊综合监控系统中对相关产品功能、防护等级及电磁兼容的要求。 |
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智能网关 |
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Anet系列 |
8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上传协议、支持多*不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220VAC/DC。 |
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应用场合（配电室） |
产品 |
型号 |
功能 |
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环境监测 |
温湿度 |
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/ |
用于配电房温度和湿度。工作电源：AC/DC85～265V工作温度：-40.0℃～99.9℃工作湿度：0%RH～99%RH |
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烟雾 |
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/ |
光电式烟雾传感;电源正极（DC12V）：+12V，继电器输出：常开触点 |
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水侵 |
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/ |
接触式水浸传感器，监测变电所、电缆沟、控制室等场所积水情况，工作电源：DC10-30V工作温度：-20℃~+60℃工作湿度：0%RH~80%RH响应时间：1s继电器输出：常开触点 |
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局方检测 |
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/ |
监测变压器、开关、开关柜的局部放电 |
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门禁 |
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/ |
常开型；感应距离：30-50mm材质：锌合金，银灰色电度干接点输出 |
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摄像机 |
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/ |
视频监控 |
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开关量模块 |
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ARTU-KJ8 |
8路开关量输入,8路继电器输出 |
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智能网关 |
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ANet-2E4SM |
4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块,可扩展16路。 |
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应用场合 |
产品 |
型号 |
功能 |
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各变电所 |
0.4KV出线 |
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ARCM200 系列 |
用于检测TN-C-S、TN-S及局部TT系统中的剩余电流、温度等电气参数，从而预防电气火灾的发生。 |
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各舱室 |
末端配电箱 |
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ARCM300 系列 |
用于检测TN-C-S、TN-S及局部TT系统中的剩余电流、温度等电气参数，从而预防电气火灾的发生。 |
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区域 变电所 |
区域分机 |
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Acrel-6000/B3 |
接收电气火灾监控探测器信号，实现对被保护电气线路的报警、监视、控制与管理，采用485通讯 |
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主变点所 监控* |
控制主机 |
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Acrel-6000/B |
接收电气火灾监控探测器信号和各区域分机数据，实现对被保护电气线路的报警、监视、控制与管理，可采用485通讯。 |
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配套附件 |
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0.4kV电流 互感器 |
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AKH-0.66 |
测量型互感器，采集交流电流信号。 |
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应用场合 |
产品 |
型号 |
功能 |
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消防设备电源电压监控 |
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AFPM3-2AVM |
监测两路三相交流电压，二总线通讯。 |
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区域 变电所 |
区域分机 |
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AFPM100/B3 |
接收消防设备电源监控探测器信号，实现对被保护电气线路的报警、监视、控制与管理，可采用二总线通讯。 |
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主变点所 监控* |
控制主机 |
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AFPM100/B1 |
接收消防设备电源监控探测器信号和各区域分机数据，实现对被保护电气线路的报警、监视、控制与管理，可采用二总线通讯。 |
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应用场合 |
产品 |
型号 |
功能 |
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普通舱室 配电室 |
常开防火门 |
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AFRD-CK(YT)-65 AFRD-CK(YT)-85 AFRD-CK(YT)-120 |
监测常开防火门的开闭状态。 |
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常闭防火门 |
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单扇：AFRD-CB1(YT) 双扇：AFRD-CB2(YT) |
监测常闭防火门的开闭状态。 |
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防爆舱室 |
常开/常闭 防火门 |
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AFRD-MC |
监测常开、常闭防火门的开闭状态。 |
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监测模块 |
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AFRD-CK/CB |
接收AFRD-MC的状态信息同步传输至防火门监控主机。 |
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区域 变电所 |
区域分机 |
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AFRD100/B3 |
接收防火门监控模块和防火门一体式探测器的信号，实现对防火门开闭状态的报警、监视、控制与管理，采用二总线通讯。 |
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主变点所 监控* |
控制主机 |
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AFRD100/B |
接收防火门监控模块和防火门一体式探测器的信号以及各区域分机的实时数据，实现对防火门开闭状态的报警、监视、控制与管理，采用二总线通讯。 |
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应用场合 |
产品 |
型号 |
功能 |
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各变电所和非防爆舱室 |
集中电源集中控制型消防应急标志灯具（高防护） |
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A-BLJC-1LROEII1W-A431H(单面安全出口) |
防护等级：IP67 设备尺寸：145*400*15 安装方式：壁挂 |
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A-BLJC-1LROEII1W-A431H(单面疏散出口) |
防护等级：IP67 设备尺寸：145*400*15 安装方式：壁挂 |
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集中电源集中控制型消防应急照明灯具（高防护） |
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A-ZFJC-E*W-A604T8单管式应急照明灯具 |
防护等级：IP67 设备尺寸：Φ26*L400、Φ26*L600、Φ26*L1200 安装方式：吸顶、吊挂 设备功率：3、6、9、12、15W |
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A-ZFJC-E*W-A603HC高防护应急照明灯具 |
防护等级：IP67 设备尺寸：Φ175*H60 安装方式：吸顶、壁挂 设备功率：3、6、9、12、15W |
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A-ZFJC-E*W-A603HE高防护应急照明灯具 |
防护等级：IP67 设备尺寸：198*98*55 安装方式：吸顶、壁挂 设备功率：3、6、9、12、15W |
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消防应急灯具电源 |
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A-D-0.3KVA-A200L A-D-0.5KVA-A200L A-D-0.75KVA-A200L A-D-0.1KVA-A200L |
防护等级：IP65 设备尺寸：500*400*200、600*480*230 安装方式：壁挂 设备功率：0.3、0.5、0.75、1KVA 回路数量：8路 |
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防爆舱室 |
集中电源集中控制型消防应急防爆标志灯具 |
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A-BLJC-1LROEI1W-A431EX（防爆单面出口) |
防护等级：IP65 防爆等级：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 设备尺寸：165*375*65 安装方式：壁挂 |
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A-BLJC-1LROEI1W-A431EX（防爆单面左向) |
防护等级：IP65 防爆等级：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 设备尺寸：165*375*65 安装方式：壁挂 |
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集中电源集中控制型消防应急防爆照明灯具 |
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A-ZFJC-E*W-A630EX |
防护等级：IP65 防爆等级：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 设备尺寸：256*243*78 安装方式：壁挂 设备功率：3、6、10W |
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A-ZFJC-E*W-A632EX |
防护等级：IP65 防爆等级：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 设备尺寸：Φ135mm*H168mm 安装方式：吊管安装 设备功率：3、6、9、12、15W |
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消防应急灯具电源(防爆) |
A-D-0.3KVA-A200EX A-D-0.5KVA-A200EX A-D-1KVA-A200EX |
防护等级：IP43 设备尺寸：904*702*220、1354*702*220 安装方式：壁挂 设备功率：0.3、0.5、1KVA 回路数量：8路 |
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区域 变电所 |
区域分机 |
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A-C-A100/B3 |
区域分机通过总线网络实时监控各个终端，在险情发生时，自动将信息指令发布到每个终端，终端收到指令之后自动开始工作，如频闪、变向、开、灭灯等工作，实时指示安全的疏散路线。 |
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中继器 |
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CAN转光纤中继 |
通过CAN转光纤中继实现把CAN总线传输转换至光纤传输延长通讯距离增加方案多样性。 |
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主变电所 监控* |
监控主机 |
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A-C-A100 |
监控主机通过总线网络实时监控各个终端，在险情发生时，自动将信息指令发布到每个终端，终端收到指令之后自动开始工作，如频闪、变向、开、灭灯等工作，实时指示安全的疏散路线。 |
6结束语
城市综合管廊是城市基础设施的重要组成部分，综合管廊的火灾监测与报警的重要性不言而喻，管廊中任何一个分段发生事故都可能造成部分城市发生功能性瘫痪，甚至威胁到人们的生命安全。本文设计的城市综合管廊火灾监测与报警系统，充分利用嵌入式技术，通过各个传感器节点对管廊内部实时情况的上传、汇总，实现了运维人员对整个管廊的监控与管理。通过对该系统的软件与硬件的仿真、调试，验证了该系统的可行性，达到火灾监控与报警的目的。
参考文献
[1]孙伟俊.城市地下综合管廊火灾危险控制技术研究[D].西安：西安建筑科技大学，2017.
[2]刘钒，陈伟利.城市综合管廊火灾监测与报警系统设计研究
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05
作者简介：龚永波，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电，Email: 28801392115@qq.com QQ:2881392115
