高層建筑物內(nèi)紫外火焰探測報警器的研制

程 楊 王 悅 李庚偉

(1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 信息工程學(xué)院,北京 100083;2中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 數(shù)理學(xué)院,北京 100083)

根據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局最新調(diào)查統(tǒng)計,目前我國高層建筑已達(dá)62萬多棟,每年在建的建筑面積達(dá)130多億平方米。2019年全國共接報火災(zāi)23.3萬起,死亡1335人。在火災(zāi)重點場所分布上,商業(yè)場所、賓館飯店、學(xué)校、醫(yī)院養(yǎng)老院等火災(zāi)數(shù)量均下降,高層建筑火災(zāi)數(shù)量卻同比上漲10%,達(dá)到6974起,平均每天近20起[1]。從以上數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)前我國高層建筑火災(zāi)消防建設(shè)形勢嚴(yán)峻,呈現(xiàn)出高風(fēng)險、高損失的特點。如何有效地應(yīng)對高層建筑火災(zāi)將是國家和消防工作者急需解決的問題。從高層建筑住宅用戶的角度來說,在火災(zāi)發(fā)生的源頭截斷火災(zāi)隱患是更具有安全性和低成本的選擇?；馂?zāi)報警器起到了至關(guān)重要的作用。

市面上常見的火災(zāi)報警器[2-3]有紅外、紫外、煙霧、溫度等幾種。這三種常用類型的火焰探測器的原理及優(yōu)缺點對比見表1。

表1 常見的火災(zāi)報警設(shè)備及原理

相較于另外兩種,紫外火災(zāi)報警器具有小型化、低成本、高靈敏度的特點,近年來有諸多學(xué)者相繼進(jìn)行了紫外火災(zāi)報警器的設(shè)計研究。包括采用光學(xué)前窗匯聚結(jié)構(gòu)的紫外火焰探測器[4],從提高靈敏度方面進(jìn)行優(yōu)化;采用智能報警系統(tǒng)的紫外火災(zāi)報警器[5],從抗干擾方面進(jìn)行優(yōu)化;而自檢式紫外火焰探測器[6],則是從提高可靠性方面進(jìn)行優(yōu)化。

但能夠及時遠(yuǎn)程報警,并使用檢測精度高的紫外火焰探測器的火災(zāi)報警器較為少見。本文提出的火災(zāi)報警器專門針對高層建筑的小型室內(nèi)用戶需求而設(shè)計。所使用的R2868型紫外光電管信噪比高、可靠性較高,響應(yīng)極快,并具有極微弱信號檢測能力。同時火災(zāi)報警器配備短信報警模塊,一旦發(fā)現(xiàn)未知火源,立即將實時監(jiān)測情況通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)送給其綁定的手機號,反應(yīng)時間小于3s,及時性強。

1 火災(zāi)報警器原理

火災(zāi)報警器由基于R2868紫外光電管的火焰探測模塊和GSM 短信報警模塊兩大部分組成。火焰探測部分完成對火焰信號的采集、處理和響應(yīng);短信報警模塊對響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行識別,將火災(zāi)發(fā)生的信息通過短信送至用戶端。

1.1 火焰探測模塊

使用對可見光不敏感的紫外探測器,測量的有效波長為185～260nm[7-8]。與半導(dǎo)體探測器不同的是,紫外探測器無需光學(xué)過濾器,從而易使用,適合用于火焰探測器和消防警報。

1.1.1 R2868紫外傳感器工作原理

紫外光電管是由石英玻璃管和封裝在里面的兩個電極組成。其中構(gòu)成陰極的金屬材料只對紫外光敏感,當(dāng)受到紫外照射時就會發(fā)射光電子。R2868只對火焰中特有的185～260nm 波長的紫外線反應(yīng),而對自然光源中其他紫外線并不敏感,如圖1所示。

圖1 紫外光譜響應(yīng)曲線

當(dāng)管子未受到紫外線照射時,陰陽兩極之間的電阻值趨于無窮大,回路中沒有光電流通過。而當(dāng)受到特定波長的紫外線照射時,在外加電壓的作用下,陰極發(fā)射電子高速向陽極運動,光電子在運動過程中碰撞管中氣體,使其電離為正離子和負(fù)離子,而負(fù)離子又在電場的作用下繼續(xù)電離其他氣體分子,如此循環(huán),陰陽極之間迅速被大量的光電子和離子充斥,呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)。此時電路中便產(chǎn)生了脈沖信號,整個系統(tǒng)由此脈沖信號迅速響應(yīng)。

1.1.2 R2868紫外傳感器特點

對比其他類型的紫外光電管,所選用的濱松R2868紫外線開/關(guān)探測器靈敏度極高,反應(yīng)時間短,又不像光電倍增管那樣昂貴;對比其他類型的火焰探測技術(shù),由于不需要發(fā)射電磁信號,其被動探測的特性使得信噪比很高、可靠性更強;并且它幾乎可以覆蓋所有的觀測角(見圖2),且適宜其工作的溫度范圍較廣,可用性極強。

圖2 R2868觀測曲線

1.2 GSM 短信通信原理

短信通信模塊內(nèi)部由GSM 基帶處理器、GSM 射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF 連接器、天線接口六部分組成。其外部有標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口和完整的SIM 卡閱讀器。

利用通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,就是將提前編寫好的代碼段存儲在單片機的存儲器中,當(dāng)單片機接收到報警信號時,通過串行口控制GSM 短信模塊,將代碼指向的短消息字符串發(fā)送給短信息服務(wù)中心,再由短信息服務(wù)中心發(fā)送到用戶的手機上。同時單片機回到初始狀態(tài),整個系統(tǒng)復(fù)位,完成一次單向數(shù)據(jù)的傳輸。

GSM 收發(fā)短消息又分三種模式:BLOCK 模式、TEXT 模式和PDU 模式。PDU 模式開發(fā)起來則較為復(fù)雜,它需要編寫專門的函數(shù)來將文本轉(zhuǎn)換為PDU 格式,但PDU 模式可以發(fā)送中英文文本,可以使用任何字符集,在本文的短信通信模塊中采用該模式。

2 報警器系統(tǒng)設(shè)計

如圖3系統(tǒng)示意圖所示,當(dāng)紫外光電管檢測到火焰后,通過光電效應(yīng)原理,光信號被轉(zhuǎn)化為電信號。隨后在信號放大電路中,瞬時的脈沖信號通過電路放大,自鎖電路使得報警燈常亮、蜂鳴器報警。同時,接通短信遠(yuǎn)程報警模塊,實現(xiàn)短信遠(yuǎn)程報警。

圖3 系統(tǒng)示意圖

2.1 信號放大電路與自鎖電路設(shè)計

濱松R2868 紫外光電管的供電電壓為DC400V。若直接為其供電,需搭建可實現(xiàn)AC220V 轉(zhuǎn)DC400V 的電路。經(jīng)過相關(guān)資料查找[9-12],決定使用R2868搭配電路板C10807,其輸出是一個5V 的脈沖信號。為了讓報警器在探測到火焰時持續(xù)報警,又將這個輸出信號接入自鎖電路,保證光電管送出的一個瞬間的脈沖可以通過繼電器接通報警電路,使報警燈常亮,并接通短信遠(yuǎn)程報警模塊。

自鎖電路設(shè)計具體為:將開關(guān)與繼電器線圈(主觸點)串聯(lián),與繼電器常開觸點(副觸點)并聯(lián)。這樣紫外傳感器信號跳變,常開觸點吸合,電路通電。即使信號瞬間消失,由于常開觸點已經(jīng)吸合,并且向繼電器主觸點的線圈供電,線圈反過來保持常開觸點的吸合,這樣就維持了電路的通電狀態(tài),保證了報警燈的常亮。

同時,為保護電路元件,以并聯(lián)反接的方式在電路中接入續(xù)流二極管,接到產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的元件兩端,并與其形成回路,使其產(chǎn)生的高電動勢在回路以續(xù)電流方式消耗,從而起到降低元件損耗的作用。

2.2 短信遠(yuǎn)程報警模塊

短信遠(yuǎn)程報警模塊由STM32mini開發(fā)板與GSM 模塊組成,當(dāng)開發(fā)板接收到外電路的電壓信號時,操縱GSM 模塊發(fā)送短信到指定號碼。

GSM 的短信息業(yè)務(wù)SMS 利用信令信道傳輸,這是GSM 通信網(wǎng)所特有的。它不用撥號建立連接,把要發(fā)的信息加上目的數(shù)據(jù)發(fā)送到短信息服務(wù)中心,經(jīng)短信服務(wù)中心完成后再發(fā)送給最終的信宿。所以當(dāng)目的GSM 終端沒開機時信息不會丟失。每個短信的信息量限制為160字節(jié)。

單片機與GSM 模塊一般采用串行異步通信接口,通信速度可設(shè)定,通常19200bps。采用這種RSM232電纜方式進(jìn)行連接時,數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃暂^好。

2.3 設(shè)計難點

(1) 如何給R2868 紫外光電管供電:R2868紫外光電管要求的供電電壓是直流400V,需要我們搭建AC220V 轉(zhuǎn)DC400V 的電路,但是在火焰探測器中自行加入變壓器和整流器顯然是不現(xiàn)實的。通過查找發(fā)現(xiàn),可以使用濱松電路板C10807進(jìn)行驅(qū)動,該電路板的驅(qū)動電壓為直流5～24V,可以同繼電器一起供電,同時解決了我們對R2868的驅(qū)動問題。

(2) 如何將脈沖信號表現(xiàn)為持續(xù)輸出:因為R2868輸出的是一個瞬間的信號,我們?nèi)绻眠@個瞬間的信號直接控制報警指示燈和蜂鳴器,那么即使有信號發(fā)出,一瞬間的報警是無法被發(fā)現(xiàn)的。經(jīng)過研究,決定用繼電器搭建自鎖電路,即在信號輸出的瞬間開關(guān)閉合,一旦閉合將脫離開關(guān),那么即使信號消失也不會導(dǎo)致報警消失,另有獨立常閉開關(guān)控制器關(guān)斷。

3 實驗過程及成果

3.1 實驗實施過程

在完成初步設(shè)計后,選用紫外光電管并進(jìn)行外部電路設(shè)計制作,形成火焰探測器樣機。其后配置短信報警模塊可遠(yuǎn)程報警,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)。后設(shè)計繪制外殼設(shè)計圖,挑選外殼材料并定制,自行拼接、合理布局,最后撰寫使用說明書,完成室內(nèi)高層建筑物火焰探測報警器。

3.2 實驗成果

火災(zāi)報警器的模型監(jiān)測精度高,不受日光、燈光、紅外線等干擾,最大可以監(jiān)測距離探測器5米的打火機或電火花等火焰。監(jiān)測到火焰后,裝置的報警燈和蜂鳴器可以持續(xù)報警,報警短信發(fā)送到三部指定手機,發(fā)送短信的平均時延為3秒,發(fā)送短信的手機號可以自行進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過測試,以報警器為圓心5米范圍內(nèi),報警準(zhǔn)確率為99.9%,實物外觀如圖4所示。

圖4 儀器外觀圖

3.2.1 主要參數(shù)(表2)

表2 主要參數(shù)說明

續(xù)表

3.2.2 應(yīng)用示范案例

本探測器可安裝在家庭中,根據(jù)家庭中房間的大小,可在餐廳、客廳、臥室分別安裝1～2個探測頭,在客廳配備短信報警模塊,多個探測頭和一套報警模塊共同構(gòu)成一個完整的火災(zāi)報警系統(tǒng)。安裝區(qū)域應(yīng)避開經(jīng)常使用明火的廚房區(qū)域,防止產(chǎn)生誤報。室內(nèi)情況復(fù)雜,電線老化、短路等情況下產(chǎn)生的電火花是火災(zāi)的重要隱患,當(dāng)室內(nèi)任一處出現(xiàn)明火,火焰探測頭可瞬時捕捉到,及時報警給主人,讓主人在外也能即刻了解家中情況。

此外,本探測器也適用于辦公樓、工廠車間等多種大型場所,探測頭占用空間小,多個探測頭可以公用一個報警模塊,且在不發(fā)生損壞的情況下,器件幾乎不會發(fā)生損耗。

4 結(jié)語

帶有短信遠(yuǎn)程報警功能的火災(zāi)報警器實用性很強,可以直接報警給負(fù)責(zé)人,大大提高效率,在火災(zāi)最初期就及時發(fā)覺。及時性是其最大的優(yōu)點。

本報警器僅在物聯(lián)網(wǎng)報警模塊上連接了一個探測器,報警模塊上如果集成更多的探測點,則可以實現(xiàn)更大范圍內(nèi)的報警。報警模塊上也可以擴展集成控制功能,控制火災(zāi)現(xiàn)場的電力系統(tǒng)和救生系統(tǒng),從而實現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)測、預(yù)防和救援的自動控制系統(tǒng),具有很大的發(fā)展前景。

略有遺憾的是,選擇亞克力材料作為模型包裝和外觀設(shè)置的材料。但是在實際測試中,亞克力材料對于紫外火焰探測器的監(jiān)測精度有50%的削弱效果,所以最終決定不對紫外光電管進(jìn)行包裝,以確保監(jiān)測精度,這導(dǎo)致了探測器小部分裸露,對使用壽命可能造成一定的影響。