姚樹(shù)香

（廈門(mén)軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門(mén) 361000）

目前國(guó)內(nèi)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)大部分仍然使用傳統(tǒng)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，智能化程度不高并且有的還存在缺陷，這存在很大的隱患。基于此，本文提出一種基于多傳感器融合的火情預(yù)警系統(tǒng)的方案。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本研究的基于多傳感器信息融合的火情預(yù)警系統(tǒng)利用多個(gè)傳感器的采集信息，融合環(huán)境中采集的各個(gè)狀態(tài)值，征詢火災(zāi)早期發(fā)生規(guī)律，能夠在火災(zāi)早期小火時(shí)準(zhǔn)確判斷，產(chǎn)生有效報(bào)警。整體工作架構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

本系統(tǒng)硬件包括通信板模塊和監(jiān)測(cè)模塊兩個(gè)部分。其中以單片機(jī)為處理器的監(jiān)測(cè)模塊為系統(tǒng)核心，在其上運(yùn)行主要的嵌入式軟件，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行控制。監(jiān)測(cè)模塊包括一氧化碳采集、二氧化碳采集、煙霧采集、溫度濕度采集、地址模塊等，完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集、初步整理；通信板是監(jiān)測(cè)模塊與綜合管理平臺(tái)溝通的橋梁。

系統(tǒng)的總體流程是：系統(tǒng)在上電后進(jìn)行自檢，查看有沒(méi)有故障，然后進(jìn)行自身地址確認(rèn)，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理，并根據(jù)要求發(fā)送給綜合管理平臺(tái)，由管理平臺(tái)進(jìn)行后續(xù)處理，硬件在故障后自身進(jìn)行報(bào)警提醒。由此可以看出監(jiān)測(cè)模塊的重要性，尤其是其中的傳感器采集模塊。

2.2 單片機(jī)選擇

系統(tǒng)選擇STC12C5A60S2系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)處理能力可以滿足所需要求，而且有應(yīng)用廣泛，體積小，功能強(qiáng)大，面向控制、開(kāi)發(fā)應(yīng)用方便，功耗低，成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 傳感器的選擇

（1）一氧化碳濃度傳感器：各項(xiàng)權(quán)威試驗(yàn)表明，CO在火場(chǎng)中的大致含量為：地下室 0.04%～0.85%；悶頂閣樓內(nèi)0.01%～0.1%；樓內(nèi)或室內(nèi)0.01%～0.4%；可燃物爆炸5%～7%。目前較好的傳感器 CO濃度測(cè)量范圍最高為 2000ppm（0.2%），而國(guó)家室內(nèi)外空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)CO濃度均不超過(guò) 8ppm。因此本系統(tǒng)應(yīng)該選擇 4～2000ppm范圍的CO傳感器。故本系統(tǒng)采用英國(guó)CITY公司的4CM一氧化碳電化學(xué)傳感器。

（2）二氧化碳濃度傳感器：典型材料在火災(zāi)燃燒條件下 CO2的體積分?jǐn)?shù)約為 0.7%。目前較好的傳感器CO2濃度測(cè)量范圍可達(dá)為50000 ppm（5%）以上，而國(guó)家室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)CO2濃度不超過(guò)0.1%(1000ppm)。因此選擇100～50000 ppm范圍的CO2傳感器是合適的。本系統(tǒng)結(jié)合各項(xiàng)因素所選二氧化碳傳感器參數(shù)如下：型號(hào) COZIR Ultra Low Power Carbon Dioxide Sensor。

（3）煙霧濃度傳感器：國(guó)家消防標(biāo)準(zhǔn)報(bào)警的煙霧濃度標(biāo)準(zhǔn)是 3%。目前一般的煙霧濃度傳感器測(cè)量范圍為0～5%，故此選擇型號(hào)HIS-07 離子型煙霧傳感器。

（4）溫濕度傳感模塊：溫度（迅速超過(guò)常溫）、濕度（超過(guò)常濕）的范圍很容易滿足火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的要求，從人們?nèi)粘Ｉ瞽h(huán)境可以確定，測(cè)上限在溫度80℃、濕度90%即可。此外，該傳感器的精度（含恢復(fù)誤差）要求不是很高，結(jié)合實(shí)際傳感器保證的精度能力，在25%以內(nèi)即可。但是，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)要達(dá)到提前預(yù)警的作用，其響應(yīng)時(shí)間要求必須快，現(xiàn)在業(yè)界一般傳感器響應(yīng)時(shí)間在30～60秒，但本系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)計(jì)應(yīng)該要10秒以內(nèi)的，所以選擇性能更優(yōu)的法國(guó)進(jìn)口溫濕度模塊HTF3226LF。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

在火災(zāi)發(fā)生的早期，會(huì)伴隨大量的煙霧產(chǎn)生，對(duì)煙霧濃度的測(cè)量也是火災(zāi)判斷的重要依據(jù)之一，所以煙霧的設(shè)計(jì)與采集也是非常重要的。因本設(shè)計(jì)電路較多，本文重點(diǎn)給出煙霧濃度傳感器的設(shè)計(jì)以及電路圖。

3.1 煙霧濃度采集電路設(shè)計(jì)

根據(jù)煙霧濃度傳感器HIS-07的資料可得知，它的工作原理是當(dāng)流經(jīng)內(nèi)外電離室的電離電子流不平衡時(shí)，收集極充電直到電離電流達(dá)到平衡。在無(wú)煙或無(wú)燃燒物時(shí)，收集極除受電離電流統(tǒng)計(jì)漲落影響外，保持平衡電位。當(dāng)煙進(jìn)入電離室時(shí)對(duì)電離電流產(chǎn)生影響，易于進(jìn)煙的外電離室受影響大于內(nèi)電離室，電離電流下降，收集極重新充電直到新的平衡電位，這種電位變化可用于采集煙霧濃度的變化。在 9V時(shí) HIS-07的輸出為5.6V±0.4，再加上電源的變化0.25V，所以6.25V為其滿幅值，分辨率為 6.25V/1023≈6.25mV，而在煙霧濃度發(fā)生變化時(shí)（0%/英尺～5%/英尺），其電壓的變化值約為0.3V，所以為了滿足精度的要求，運(yùn)放的Vsmax必須≤0.3mV=0.3V/1024，而AD820滿足此要求，所以這里選擇AD820，電路設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 煙霧濃度采集電路圖

AD820運(yùn)放的工作電流為800uA，電阻采用1K的，其上面的壓降為 0.8V，所以加在運(yùn)放正向輸入端Vs處的電壓為9-0.8=8.2V，大于煙霧傳感器輸出處輸出的最大值6+0.2V。

3.2 煙霧報(bào)警電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所選擇的煙霧報(bào)警模塊適合安裝在少煙、禁煙場(chǎng)所探測(cè)煙霧離子，通過(guò)其里面自帶的煙霧傳感器測(cè)量煙霧，當(dāng)煙霧濃度超過(guò)限量時(shí)，報(bào)警器發(fā)出聲音和指示燈閃爍的警告，并會(huì)在數(shù)字輸出端輸出報(bào)警信號(hào)。煙霧報(bào)警在正常狀態(tài)下輸出高電平信號(hào)，在報(bào)警狀態(tài)下輸出低電平信號(hào)，所以在設(shè)計(jì)上只需把煙霧報(bào)警器的輸出端接上單片機(jī)IO口，讀出信號(hào)狀態(tài)即可。

4 總結(jié)

該方案采用 STC單片機(jī)進(jìn)行氣體采集電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)通信板與主機(jī)進(jìn)行通信，在顯示器上顯示各項(xiàng)濃度指標(biāo)，預(yù)警發(fā)生及火災(zāi)蔓延趨勢(shì)，具有應(yīng)用和推廣價(jià)值。

[1]張坤.基于單片機(jī)的倉(cāng)庫(kù)防火預(yù)警系統(tǒng)研究[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[2]王釗.智能型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].西安：西安理工大學(xué), 2009.