Обеспечение пожарной безопасности является одной из важнейших задач при проектировании и эксплуатации зданий и сооружений любого назначения. От быстродействия и надёжности технических средств противопожарной защиты напрямую зависят жизни людей и сохранность материальных ценностей, поэтому своевременное обнаружение возгорания и достоверное оповещение приобретают особое значение. Ключевым элементом систем противопожарной защиты выступает приёмно-контрольный прибор (ПКП), осуществляющий непрерывный мониторинг состояния пожарных извещателей, обработку сигналов и передачу информации о состоянии объекта на пульт централизованного наблюдения (ПЦН) [1].

Анализ применяемых на практике приборов (Болид «Сигнал-20М», Рубеж R3, Сигнал-10, С2000-КДЛ) показывает, что многие из них зависят от единственного проводного канала связи с ПЦН, обрыв которого приводит к потере контроля над объектом, обладают ограниченными возможностями энергонезависимого журналирования событий, имеют повышенную вероятность ложных срабатываний и используют линейные стабилизаторы питания с высоким тепловыделением. Это формирует потребность в недорогом сетевом ПКП с резервированным каналом связи и минимизацией ложных тревог, соответствующем требованиям СП 5.13130.2009 и ГОСТ Р 53325–2012 [1, 2].

Целью работы является проектирование блока управления пожарной сигнализацией с минимизацией ложных срабатываний, ведением энергонезависимого журнала событий и гарантированной передачей извещений на ПЦН по сотовому каналу LTE с резервированием каналом Wi-Fi. Научная новизна заключается в обосновании архитектуры сетевого ПКП с резервированным каналом связи и сравнительной оценке стратегий доставки тревожных извещений с точки зрения гарантированности доставки.

Принцип работы и архитектура. Обнаружение возгорания основано на комплексном анализе двух признаков пожара — появления дыма и повышения температуры. Применена двухканальная схема контроля: дымовой канал, сигнал которого через входные цепи шлейфа поступает на 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микроконтроллера, и независимый тепловой канал на базе цифрового датчика DS18B20, подключаемого по интерфейсу 1-Wire. Алгоритм реализует логическое условие «Пожар»: превышение порога задымления либо превышение критической температуры (+58 °C). Обобщённая структурная схема блока управления приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема блока управления

Для минимизации ложных срабатываний сигнал «Пожар» формируется только при устойчивом превышении порога в течение заданного числа последовательных циклов опроса: кратковременное превышение, характерное для импульсной помехи, к тревоге не приводит. Дополнительно применяется программная задержка прогрева чувствительного элемента (15 с), цифровая фильтрация сигнала АЦП с усреднением 256 выборок и фильтрация дребезга контактов (200 мс). При выполнении условия тревоги микроконтроллер включает местное оповещение, записывает событие в энергонезависимый журнал с меткой реального времени и инициирует передачу извещения на ПЦН по основному (LTE) и резервному (Wi-Fi) каналам связи.

Выбор элементной базы. Для каждой функциональной группы выполнен сравнительный анализ альтернатив по трёхбалльной шкале [5]. В качестве центрального вычислительного элемента выбрана система на кристалле ESP32-C6 (ядро RISC-V до 160 МГц, Wi-Fi 6, BLE 5, 12-разрядный АЦП): её встроенные беспроводные интерфейсы позволяют реализовать резервный канал связи без дополнительных микросхем, а диапазон рабочих температур от −40 до +85 °C перекрывает требования нормативных документов [1]. Основным каналом связи с ПЦН выбран сотовый модуль SIM7600E (LTE-FDD/TDD/HSPA+/GSM), обеспечивающий передачу извещений независимо от проводной инфраструктуры объекта; резервным — встроенный радиомодуль Wi-Fi. Для энергонезависимого журнала применена флэш-память W25Q128 (16 МБ, QSPI) совместно с микросхемой часов реального времени MCP795W10, питаемой от резервной батареи, что обеспечивает хранение не менее 10 000 событий с достоверной хронологией.

Ядро входного измерительного тракта общее для обоих каналов. Дымовой шлейф нагружен резистором R3 = 10 кОм; информационное напряжение снимается с узла соединения выхода извещателя и резистора и подаётся на канал АЦП. Падение напряжения на нагрузочном резисторе, являющееся входным сигналом АЦП, определяется по формуле делителя:

UPA0 = VCC · R3 / (RMQ + R3 ), (1)

где VCC — напряжение питания шлейфа (5 В); RMQ — сопротивление чувствительного слоя; R3 — сопротивление нагрузочного резистора. При номинале 10 кОм напряжение в чистом воздухе составляет около 1,25 В, при тревожном задымлении — около 3,57 В. Динамический диапазон ΔU = 2,32 В при пороге срабатывания 2,5 В создаёт запас 1,07 В, что практически исключает ложные срабатывания от импульсных помех. Шаг квантования 12-разрядного АЦП при опорном напряжении 3,3 В составляет 0,81 мВ, что многократно меньше динамического диапазона сигнала и обеспечивает уверенное различение уровней задымления на ранней стадии.

Расчёт теплового режима и вибропрочности. Суммарная рассеиваемая мощность прибора в дежурном режиме составляет 2,0 Вт. Температура в центре нагретой зоны при наихудшей температуре среды +55 °C определена как tзо = tс + P/σΣ = 55 + 2,0/0,221 ≈ 64,1 °C, что на 20,9 °C ниже предельной рабочей температуры наименее теплостойких компонентов (+85 °C). Таким образом, нормальный тепловой режим обеспечивается без применения радиаторов и принудительного охлаждения [3]. Частота собственных колебаний печатной платы габаритами 130×100 мм, закреплённой в четырёх угловых точках, составляет f0 ≈ 142 Гц, что выше верхней границы диапазона внешних вибраций (80 Гц); резонансные явления при транспортировании не возникают, запас по частоте — 1,78. Расчётное ударное ускорение 12,0g не превышает допустимого значения 20g [4]. Следовательно, условия вибро- и ударопрочности конструкции выполняются с достаточным запасом.

Экспериментальная проверка. По завершении проектных работ собран опытный образец и проведены испытания в ручном и автоматическом режимах. В автоматическом режиме исследован измерительный тракт дымового канала как наиболее ответственный. В измерительную камеру с установленным извещателем ступенчато вносился дым возрастающей плотности (четыре уровня), при этом цифровым осциллографом регистрировалось напряжение на входе АЦП. Полученная зависимость напряжения от плотности задымления приведена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость напряжения на входе АЦП от плотности задымления (по результатам испытаний опытного образца)

Зависимость выходного напряжения тракта от плотности дыма монотонна, ступени чётко различимы и устойчивы. При чистом воздухе напряжение близко к нулю (0,06 В), а по мере увеличения плотности дыма сигнал ступенчато возрастает до 3,18 В. Порог срабатывания 2,5 В уверенно превышается начиная с уровня плотного дыма, при этом сохраняется запас до напряжения насыщения, что исключает как пропуск опасной концентрации, так и ложное срабатывание в чистом воздухе. Зафиксированное время реакции тракта составило около 4,2 с при требовании не более 10 с. Результаты измерений сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Результаты испытания измерительного тракта дымового канала

Проверка дистанционного управления подтвердила доставку тревожного извещения на сервер ПЦН по основному каналу LTE. При принудительном переводе сотового канала в недоступное состояние прибор автоматически переключался на передачу по Wi-Fi; при недоступности обоих каналов извещения сохранялись в энергонезависимом журнале и повторно передавались после восстановления связи, что подтвердило корректность стратегии гарантированной доставки. Повторяемость результатов подтверждена серией из десяти испытаний: разброс времени реакции не превысил 0,4 с, ложные срабатывания в чистом воздухе отсутствовали.

Заключение

Спроектирован сетевой приёмно-контрольный прибор пожарной сигнализации на базе SoC ESP32-C6 с двухканальным обнаружением возгорания, резервированным каналом связи с ПЦН (основной — LTE, резервный — Wi-Fi) и энергонезависимым журналом событий. Обоснован выбор элементной базы и номинала нагрузочного резистора входного тракта, обеспечивающего динамический диапазон 2,32 В и запас до порога срабатывания. Расчётами подтверждены нормальный тепловой режим (tзо ≈ 64,1 °C) и вибро- и ударопрочность конструкции (f0 ≈ 142 Гц). Экспериментальная проверка опытного образца показала монотонную характеристику дымового канала, время реакции около 4,2 с, отсутствие ложных срабатываний и гарантированную доставку извещений на ПЦН. Прибор пригоден для применения на объектах малого и среднего размера после соответствующей сертификации.

Литература:

1. СП 5.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования. — М.: ВНИИПО, 2009.
2. ГОСТ Р 53325–2012. Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования и методы испытаний. — М.: Стандартинформ, 2014.
3. Дульнев Г. Н., Тарновский Н. Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. — Л.: Энергия, 1971. — 248 с.
4. Карпушин В. Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. — М.: Советское радио, 1971. — 344 с.
5. Ненашев А. П. Конструирование радиоэлектронных средств: учеб. для вузов. — М.: Высшая школа, 1990. — 432 с.