融合多傳感器數(shù)據(jù)的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁小瑞，任國鳳，趙翊辰

（1.忻州市消防救援支隊(duì)，山西 忻州 034000；2.忻州師范學(xué)院 電子系，山西 忻州 034000）

火災(zāi)嚴(yán)重威脅著人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]，所以有必要加強(qiáng)火災(zāi)的預(yù)防和早期預(yù)警研究工作.現(xiàn)有的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)參數(shù)單一、功能簡單，存在對(duì)不同位置及起火原因的火災(zāi)預(yù)警不能準(zhǔn)確判斷是否起火或判斷有誤導(dǎo)致誤報(bào)等問題，給后續(xù)的火災(zāi)撲救帶來不確定因素[2].而采用多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)進(jìn)行采集和分析數(shù)據(jù)，可以有效降低系統(tǒng)判斷結(jié)果的不確定性，將系統(tǒng)預(yù)警的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)一步提升[3].

從19 世紀(jì)至20 世紀(jì)初，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要采用感溫式的探測(cè)器，這種類型的探測(cè)器靈敏度低、響應(yīng)速度慢、無法識(shí)別陰燃火災(zāi)[4].1941 年，瑞士發(fā)明了離子感煙探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)的早期預(yù)警.

1980 年到1985 年前后，歐美發(fā)達(dá)國家興起了基于總線控制的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，由于當(dāng)時(shí)的傳感器技術(shù)和微處理器技術(shù)發(fā)展水平不高，因此火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)只能采集溫度和煙霧報(bào)警，而且感知的精度、靈敏度較差及處理速度較慢，已經(jīng)具備了智能化火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的雛形[5].進(jìn)入21 世紀(jì)尤其是進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，隨著感知技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的崛起，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)智能化程度越來越高，并朝著融合多傳感數(shù)據(jù)的方向發(fā)展，成為了智慧城市、智慧樓宇和智慧消防的有機(jī)組成部分，并發(fā)揮著重要的作用.本文針對(duì)我國城市建筑火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，自主設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)的融合多傳感器數(shù)據(jù)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng).

1 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

融合多傳感器數(shù)據(jù)的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)見圖1.按照功能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)模塊的組成為：單片機(jī)最小系統(tǒng)[6-9]、溫度傳感器感知和數(shù)據(jù)采集、煙霧探測(cè)器感知和數(shù)據(jù)采集、火焰探測(cè)器感知和數(shù)據(jù)采集、LCD 液晶顯示、蜂鳴器報(bào)警.

圖1 智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

系統(tǒng)工作原理為當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火災(zāi)發(fā)生區(qū)域的溫度和煙霧傳感器將火災(zāi)產(chǎn)生的溫度和煙霧進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào).通過放大電路將微小電信號(hào)進(jìn)行處理，再把這些電信號(hào)實(shí)施A/D 轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字類型.最后傳給主控部分，跟預(yù)置閾值進(jìn)行比較，如果超出閾值，那么系統(tǒng)及時(shí)給出報(bào)警信號(hào)，進(jìn)行聲光報(bào)警并在顯示屏上顯示數(shù)據(jù).

1.1 單片機(jī)STC89C51

STC89C51 單片機(jī)是一款高性能的8 位處理器，采用8051 內(nèi)核，具有ISP 在線編程的功能，使用和調(diào)試方便，外設(shè)豐富.該款單片機(jī)存儲(chǔ)容量大，具有高達(dá)8 K 的程序存儲(chǔ)區(qū)，還具有EEPROM 存儲(chǔ)功能，RAM 空間有512 字節(jié).STC89C51 具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)80 MHz，能夠滿足對(duì)時(shí)序要求比較高的場合，非常適合本文融合多傳感數(shù)據(jù)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

該小系統(tǒng)外圍接口豐富，接線使用比較靈活，單片機(jī)使用的外圍接口和功能模塊主要包括：電源、晶振、復(fù)位、I/O 口、定時(shí)器中斷、外部中斷和RS232 串口等，單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理見圖2.

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理

1.3 溫度傳感器

本文所用溫度傳感器為DS18B20 數(shù)字溫度傳感器.DS18B20 作為高性能的數(shù)字溫度傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)，不需要額外增加AD 轉(zhuǎn)換電路，具有較高測(cè)量精度，性價(jià)比較高，同時(shí)具有較寬的溫度測(cè)量范圍，能夠滿足設(shè)計(jì)需求測(cè)量精度為±0.5 ℃.DS18B20 采用模擬IIC 單總線控制，可以節(jié)省單片機(jī)I/O 等.

1.4 火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

火焰?zhèn)鞲衅髦饕? 種檢測(cè)方式，一種是遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅?，另一種是紫外火焰?zhèn)鞲衅鳎瑑烧叩脑眍愃?，只是傳感器?duì)火焰檢測(cè)的波長不同而已[10].本設(shè)計(jì)采用紅外火焰?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行火焰和火源的感知和采集，火焰?zhèn)鞲衅髂K見圖3.

圖3 火焰?zhèn)鞲衅髂K

1.5 煙霧傳感器

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)通常采用光電和離子感煙2 種類型煙霧傳感器.本設(shè)計(jì)的探測(cè)部分采用了MQ-2 型煙霧探測(cè)器，其優(yōu)點(diǎn)是敏銳度高、穩(wěn)定性好、費(fèi)用低.當(dāng)煙霧傳感器遇到可燃?xì)怏w時(shí)傳感器的電導(dǎo)率會(huì)跟隨濃度大小的升降而出現(xiàn)變動(dòng)，電導(dǎo)率大，輸出的電阻會(huì)出現(xiàn)降低，從而輸出的模擬信號(hào)就越低.

2 智能火災(zāi)預(yù)警的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的煙霧傳感器有一個(gè)缺陷，就是不能斷電存放，如果斷電一段時(shí)間沒有使用，那么再次使用時(shí)，其不能馬上開始工作，首先需要進(jìn)行一段時(shí)間的預(yù)熱，然后才能對(duì)煙霧、溫度和火焰等信息進(jìn)行采集[11].在多傳感器所在環(huán)境出現(xiàn)煙霧濃度、溫度快速升高，火焰產(chǎn)生時(shí)，傳感器采集信號(hào)傳送到單片機(jī)中，火災(zāi)預(yù)警控制器將探測(cè)到的溫度值、煙霧濃度與設(shè)置的報(bào)警值進(jìn)行比較，若低于設(shè)置的報(bào)警值或未能檢測(cè)到火焰燃燒，那么LCD 顯示未報(bào)警，蜂鳴器不響，保持原樣；若超出設(shè)置的濃度報(bào)警值，那么LCD 顯示報(bào)警信息，并且蜂鳴器會(huì)響.主程序流程見圖4.

圖4 主程序流程

3 系統(tǒng)硬件制作和測(cè)試

3.1 系統(tǒng)硬件的制作

本文設(shè)計(jì)的融合多傳感數(shù)據(jù)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)硬件電路見圖5，需要的元器件清單：

圖5 硬件電路正反面

3.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) STC89C51 單片機(jī)1 個(gè)，DIP40 單片機(jī)插座 1 個(gè)，10μF電解電容 1 個(gè)，11.059 2 MHz 晶振 1 個(gè)，22 pF 瓷片電容 2 片，1 kΩ 色環(huán)電阻2 個(gè)，四腳復(fù)位按鍵 1 個(gè)，10 kΩ 色環(huán)電阻 1 個(gè).

3.1.2 供電電源 DC5V 的USB 電源線 1 根，紅色LED 電源指示燈 1 個(gè)，DC5 V 的電源座 1 個(gè)，1 kΩ 色環(huán)電阻 1 個(gè).

3.1.3 液晶顯示 LCD1602 液晶顯示屏 1 塊，10 kΩ 可調(diào)電阻 1 個(gè).

3.1.4 溫度傳感器 DS18B20 溫度傳感器 1 個(gè)，4.7 kΩ 色環(huán)電阻 1 個(gè).

3.1.5 煙霧探測(cè)器 煙霧傳感器模塊1 個(gè)，1 kΩ 色環(huán)電阻 1 個(gè).

3.1.6 火焰探測(cè)器 火焰?zhèn)鞲衅髂K1 個(gè).

3.1.7 蜂鳴器報(bào)警 DC5 V 有源蜂鳴器1 個(gè)，PNP 驅(qū)動(dòng)三極管1 個(gè).

3.2 硬件電路的測(cè)試

3.2.1 溫度傳感器的測(cè)試效果 接通電源，等待初始化完成，用打火機(jī)加熱溫度傳感器，使溫度超過預(yù)設(shè)上限值35 ℃時(shí)，液晶屏上顯示此時(shí)溫度為37.4 ℃，此時(shí)紅燈亮起，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，結(jié)果見圖6.

圖6 溫度報(bào)警測(cè)試效果

3.2.2 火焰報(bào)警的測(cè)試效果 測(cè)試時(shí)利用打火機(jī)在火焰?zhèn)鞲衅髋渣c(diǎn)燃，火焰?zhèn)鞲衅鞲惺艿街車鸁嵩催_(dá)到上限值時(shí)，紅燈亮起，蜂鳴器報(bào)警，結(jié)果見圖7.

圖7 火焰報(bào)警測(cè)試效果

3.2.3 煙霧報(bào)警的測(cè)試效果 測(cè)試時(shí)利用打火機(jī)內(nèi)的氣體模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)的煙霧，當(dāng) MQ-2 煙霧傳感器感受到周圍煙霧濃度升高，超過預(yù)設(shè)的上限值45×10-6，紅燈亮起，蜂鳴器報(bào)警，結(jié)果見圖8.

圖8 煙霧報(bào)警測(cè)試效果

4 結(jié)語

本文針對(duì)我國城市建筑火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的融合多傳感器數(shù)據(jù)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng).該控制系統(tǒng)融合煙霧、溫度和火焰?zhèn)鞲衅鞯榷鄠鞲衅鲾?shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、融合和分析，可以最大程度上降低系統(tǒng)的誤判，提高系統(tǒng)預(yù)警的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)火災(zāi)的極早期預(yù)警功能.本文在智慧城市、智慧樓宇和智慧消防的研究方面具有一定的研究價(jià)值和很好的市場前景.同時(shí)，本文僅針對(duì)單個(gè)部署位置的多模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、融合和火災(zāi)預(yù)警，并未實(shí)現(xiàn)多個(gè)位置的多模態(tài)數(shù)據(jù)采集和分析，這需要在未來的研究中進(jìn)一步開展.