張國(guó)棟，祁瑞敏

鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 451100)

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基于信息融合的糧食倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張國(guó)棟，祁瑞敏

鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 451100)

以AT89C52單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一種基于濕度、煙霧和溫度檢測(cè)的糧食倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。該報(bào)警系統(tǒng)可采集來自糧食倉(cāng)庫(kù)的濕度、煙霧和溫度信號(hào)，并利用信息融合技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析和處理。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)提高了糧食倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性和可靠性。

糧倉(cāng)；火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；AT89C52；信息融合；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

糧食倉(cāng)庫(kù)是用來儲(chǔ)存糧食和油料的場(chǎng)所，由于糧食中含有糖類、纖維素等，很容易發(fā)生自燃，因此，越來越多的糧食倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)被研發(fā)。但是傳統(tǒng)的糧食倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)信號(hào)采集單一，極易造成錯(cuò)判或誤判，給監(jiān)管人員帶來很大的困難。為此，筆者將濕度、煙霧和溫度等多種傳感器進(jìn)行融合來檢測(cè)特征信號(hào)，并采用專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊推理的智能算法計(jì)算火災(zāi)發(fā)生的概率，旨在提高我國(guó)糧食倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性和可靠性。

1　信息融合

根據(jù)信息融合理論，信息融合分為3層：數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合[1]。該系統(tǒng)采用傳感器信息融合技術(shù)，首先需完成對(duì)數(shù)據(jù)層信號(hào)的采集。由于在糧食倉(cāng)庫(kù)火情發(fā)生時(shí)，會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的一氧化碳和高濃度的煙霧，并出現(xiàn)溫度迅速上升等現(xiàn)象，所以在利用傳感器對(duì)這些特征進(jìn)行提取，即當(dāng)一氧化碳及煙霧濃度變化速率在規(guī)定時(shí)間內(nèi)連續(xù)達(dá)到設(shè)定的次數(shù)門限值時(shí)，系統(tǒng)就認(rèn)為該信號(hào)為火情產(chǎn)生的有效信號(hào)，這時(shí)需要安裝一定的傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取。該系統(tǒng)采用專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對(duì)特征的提取，2種方法同時(shí)使用提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。信息融合結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　信息融合結(jié)構(gòu)示意Fig.1　Structure of information fusion

2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

圖2　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)示意Fig.2　Hardware of the system

圖3　單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比線性化曲線Fig.3　Linear curve of voltage collected by the single chip microcomputer and smog concentration percentage

圖4　放大電路Fig.4　Amplification circuit

該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。該系統(tǒng)以AT89C52為控制核心，通過A/D轉(zhuǎn)換對(duì)煙霧信號(hào)進(jìn)行采樣，通過I/O端口對(duì)溫度信號(hào)和濕度信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)所采集的信息就可以判斷火災(zāi)等級(jí)[2]，并適時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)[3]。如果糧食倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)過大，該系統(tǒng)還可自動(dòng)切斷倉(cāng)庫(kù)電源。該系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)采集、濕度信號(hào)采集、煙霧信號(hào)采集設(shè)計(jì)了采樣電路，也對(duì)放大電路、報(bào)警電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。煙霧信號(hào)采集主要利用MQ-2型煙霧傳感器，它的電阻是隨著煙霧濃度的升高而降低的。圖3為單片機(jī)采集電壓值與煙霧濃度百分比對(duì)應(yīng)曲線，由圖3可以看出，電壓值和煙霧濃度之間是非線性關(guān)系。為了實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度，需要對(duì)曲線進(jìn)行線性化處理。信號(hào)放大電路主要采用LM324作為電路的放大器(圖4)。LM324具有高增益的單片運(yùn)算放大器[4]，在正常工作時(shí)所需的電源電流小，其對(duì)應(yīng)的電壓不受電源電壓的限制，并可在單電源或雙電源情況下工作[5]；另一方面，其輸入電阻使用溫度補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路與輸出電平的互補(bǔ)性[6]。

3　軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述信息融合原理，再結(jié)合硬件電路[7]，可以得到具體的軟件設(shè)計(jì)流程，如圖5所示。由圖5可以看出，首先應(yīng)判斷n個(gè)傳感器采集到的信息是否達(dá)到火災(zāi)等級(jí)，若未達(dá)到等級(jí)則應(yīng)再去判斷是否達(dá)到報(bào)警閾值[8]。如果判斷為“是”，將火災(zāi)情況的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)保存在專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過查詢?cè)撓到y(tǒng)可以得到火災(zāi)信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)概率(P)；當(dāng)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中無法查到時(shí)，則使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取，從而得到數(shù)據(jù)的擬合概率(Q)。最后，將所得到的經(jīng)驗(yàn)概率值和擬合概率值送入決策層，采用模糊推理進(jìn)行火災(zāi)信號(hào)的分析。若糧食倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)概率>0.6，則主控制器作出反應(yīng)。

圖5　軟件流程Fig.5　Software process

4　結(jié)論

該設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)糧食倉(cāng)庫(kù)報(bào)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上融入了信息融合技術(shù)，試驗(yàn)證明，該糧食倉(cāng)庫(kù)報(bào)警系統(tǒng)在一定程度上可提高報(bào)警的可靠性，減少糧食倉(cāng)庫(kù)報(bào)警的誤判，從而提高了報(bào)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

[1] 張晶，李心廣.基于人工智能技術(shù)的火災(zāi)探測(cè)信息融合系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化，2012(6)：20-23.

[2] 周熊.基于AT89C52單片機(jī)的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21(1)：164-165.

[3] 沈二波，王愛民，張浩，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種糧情分級(jí)方法研究[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36(1)：91-94.

[4] 張芳，王鋒，張校銘.單總線數(shù)字溫度傳感器在糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(1)：74-77.

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[6] 聶巍，李曉青.智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息通信，2012(2)：92.

[7] 陳科文，張祖平，龍軍.多源信息融合關(guān)鍵問題、研究進(jìn)展與新動(dòng)向[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2013，40(8)：6-13.

[8] 田素貞，屈芳升.基于單片機(jī)的糧倉(cāng)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].河南科學(xué)，2012，30(1)：90-93.

DesignofaGrainWarehouseFireAlarmSystemBasedonInformationFusion

ZHANGGuo-dong,QIRui-min

CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ZhengzhouUniversityofIndustrialTechnology,Zhengzhou,Henan451100)

TakingthesinglechipmicrocomputerAT89C52asthecore,animprovedgrainwarehousefirealarmsystembasedonhumidity,smogandtemperaturedetectionwasdesigned.Thisalarmsystemcollectssignalsofhumidity,smogandtemperaturefromagrainwarehousefirstlyandthenanalysesandprocessesthembyinformationfusion.Practicehasproventhatthegrainwarehousefirealarmsystemhashigheraccuracyandreliability.

Grainwarehouse;Firealarmsystem;AT89C52;Informationfusion;Systemdesign

張國(guó)棟(1983-)，男，河南商丘人，講師，碩士，從事智能控制與信息處理技術(shù)研究。

2016-07-06

TN102

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0517-6611(2016)26-0226-02