曲 娜， 李忠海， 劉金海， 王曉曉

(1.沈陽航空航天大學(xué) a.安全工程學(xué)院；b.自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000)

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·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

經(jīng)濟型火災(zāi)探測器性能評估實驗平臺設(shè)計

曲 娜1a， 李忠海1b， 劉金海2， 王曉曉1b

(1.沈陽航空航天大學(xué) a.安全工程學(xué)院；b.自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000)

火災(zāi)探測器性能評估實驗平臺是對火災(zāi)探測器綜合性能進行評價的重要設(shè)備。經(jīng)濟型火災(zāi)探測器性能評估實驗平臺由實驗管道、下位機和上位機組成。實驗管道是環(huán)形通風(fēng)管道，采用開閉結(jié)合的方法設(shè)計，分為模擬段和測試段兩部分。下位機主要控制軸流風(fēng)機、加熱器、加濕器和加塵器的大小，并采集溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器的值。上位機對整個實驗平臺進行監(jiān)控，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，提供人機界面。該實驗平臺不但可以模擬火災(zāi)和非火災(zāi)時的環(huán)境，完成火災(zāi)探測器綜合性能評估，而且價格便宜，成本縮小到數(shù)十分之一，使普通用戶對火災(zāi)探測器性能評估成為可能。

火災(zāi)探測器； 性能評估； 實驗平臺； 經(jīng)濟型

0 引 言

火災(zāi)探測器是火災(zāi)自動報警系統(tǒng)不可缺少的組成部分，相當(dāng)于系統(tǒng)的“感覺器官”，通過探測被保護區(qū)域內(nèi)的煙霧、溫度、火焰、氣體等火災(zāi)信號，確定是否或即將發(fā)生火災(zāi)?；馂?zāi)探測器的性能直接影響火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的準確性和保護人民生命財產(chǎn)的能力，因此需要對火災(zāi)探測器性能進行評估，設(shè)計出經(jīng)濟型火災(zāi)探測器性能評估實驗平臺具有重要意義。

Grosshandler建議附加更多的測量以便得到更為完整標(biāo)準火特征，提出了火災(zāi)模擬器/探測器評估器的概念，該模擬器可以模擬更全面的火災(zāi)環(huán)境[1]。德國Duisberg-Essen大學(xué)火災(zāi)實驗室研制了火災(zāi)模擬器/探測器評估器，能夠模仿大范圍的火災(zāi)和非火災(zāi)環(huán)境，可以模擬火災(zāi)時的空氣流動，溫度、煙霧和燃燒氣體直至火災(zāi)探測器報警[2]。胡君健等通過火災(zāi)模擬器/探測器評估平臺上的一系列實驗, 測量了離子感煙探測器、光電感煙探測器在不同環(huán)境下的抗干擾性, 并進行了理論分析[3]。厲劍等提出了火災(zāi)探測器性能綜合評估算法，分析了進行整體評估的因素，設(shè)計了完整的考核模式和每種模式下的具體試驗方法[4]。董文輝等針對特殊應(yīng)用場所的特點，通過模擬火災(zāi)探測器的應(yīng)用環(huán)境，建立了一個集成平臺對火災(zāi)探測器的綜合性能進行評價[5]。馬鮮萌等對感煙火災(zāi)探測器性能檢測現(xiàn)狀進行分析[6]。張黎麗介紹了適用于波長范圍4.2～4.7 μm的點型紅外線火焰探測器的性能綜合測試平臺[7]。宋偉鋒對紅外光束感煙探測器性能進行分析，提出了不同靈敏度設(shè)置下探測器發(fā)射器和接收器之間的合理安裝距離[8]。蘭乾玉等設(shè)計一個復(fù)合火災(zāi)探測器綜合性能評估模擬試驗平臺，能仿真模擬火災(zāi)信號、環(huán)境信號和典型的干擾信號[9]。

本文設(shè)計了經(jīng)濟型火災(zāi)探測器性能評估實驗平臺，主要由實驗管道、下位機和上位機三部分組成。該實驗平臺不僅可以完成火災(zāi)探測器的火災(zāi)探測性能、防誤報性能、環(huán)境適應(yīng)性等評估，而且價格便宜，成本縮小到普通火災(zāi)探測器性能評估實驗平臺數(shù)十分之一，滿足普通用戶對火災(zāi)探測器性能評估的需求。

1 實驗平臺設(shè)計

實驗平臺的主要功能為模擬火災(zāi)和非火災(zāi)環(huán)境，并評估感煙、感溫火災(zāi)探測器綜合性能。火災(zāi)探測器綜合性能包括火災(zāi)探測性能、防誤報性能、環(huán)境適應(yīng)性和可維護性4方面。實驗平臺由實驗管道、下位機和上位機三部分組成。

1.1 實驗管道設(shè)計

實驗管道是環(huán)形通風(fēng)管道，管壁內(nèi)外均為不銹鋼板，鋼板之間填充硅棉隔熱層。采用開閉結(jié)合的方法設(shè)計，通過3個調(diào)節(jié)閥配合控制實驗平臺的工作方式，選擇為開環(huán)或閉環(huán)，如圖1所示。實驗管道分為模擬段和測試段兩部分。模擬段安裝用于模擬火災(zāi)或非火災(zāi)環(huán)境的設(shè)備，主要設(shè)備有軸流風(fēng)機、加熱器、加濕器和加塵器。通過調(diào)節(jié)相應(yīng)設(shè)備可以控制管道內(nèi)的風(fēng)速、溫度、濕度和灰塵濃度。測試段用于安裝測量儀器，以測量火災(zāi)探測器工作環(huán)境參數(shù)，主要設(shè)備有感煙探測器、感溫火災(zāi)探測器、溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器等。在管道的側(cè)面裝有集煙罩，在其下方既可進行木材明火、木材熱解陰燃火、棉繩陰燃火、新聞紙燃燒火等實驗，也可進行烹調(diào)油煙等抗干擾性實驗。

圖1 實驗管道結(jié)構(gòu)圖(mm)

1.2 下位機設(shè)計

下位機主要控制軸流風(fēng)機、加熱器、加濕器和加塵器的大小，并采集溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器的值。采用Arduino Mega2560核心電路板進行設(shè)計，處理器核心是ATmega2560，同時具有54路數(shù)字輸入/輸出口，16路模擬輸入，4路UART接口，一個16 MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復(fù)位按鈕。

1.3 上位機設(shè)計

系統(tǒng)需要PC機對整個實驗平臺進行監(jiān)控，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，提供人機界面。采用RS-232串行接口與下位機通訊,下位機接到傳感器的報警信號后通過串口傳給上位機。上位機軟件采用VB編制，利用MSComm控件實現(xiàn)串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)。設(shè)定兩個ACCESS數(shù)據(jù)庫，一個用于保存設(shè)定的初始值和各傳感器的編號、位置及描述信息；另一個用于儲存實驗管道溫濕度、風(fēng)速等歷史數(shù)據(jù)等。上位機界面能夠?qū)崟r顯示煙霧濃度、溫度、濕度和風(fēng)速的值，畫出曲線。系統(tǒng)運行時，可設(shè)置目標(biāo)溫濕度值和風(fēng)速值等測試需要的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過對風(fēng)扇和加熱器的自動控制，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)穩(wěn)定在目標(biāo)值附近。待溫濕度和風(fēng)速值穩(wěn)定后，能夠記錄煙感的濃度值，顯示濃度變化曲線，并建立數(shù)據(jù)庫保存所有實驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回放。上位機主界面如圖2所示。

2 實驗設(shè)計

實驗時，將被測火災(zāi)探測器安裝于實驗管道的測試段，并將火災(zāi)報警控制器與其連接，用來采集被測火災(zāi)探測器的報警和故障信號。依據(jù)國家標(biāo)準，設(shè)計實驗項目如表1所示。

圖2 上位機主界面

3 火災(zāi)探測器性能綜合評估

火災(zāi)探測器綜合性能評分根據(jù)下式得出：

式中：Si為當(dāng)前指標(biāo)得分；Sj為下一級指標(biāo)分數(shù)；aj為權(quán)重。二級指標(biāo)分數(shù)可以依托實驗平臺進行相關(guān)實驗得出，權(quán)重可以根據(jù)專家打分法、層次分析法、模糊綜合評價法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等得出[10-15]，進而求出一級指標(biāo)得分以及火災(zāi)探測器綜合性能得分。得分80～100屬于A級；60～80屬于B級；60以下屬于C級。具體評價指標(biāo)如表2所示。

表1 實驗項目

表2 評價指標(biāo)

表3 設(shè)備價格明細表

4 經(jīng)濟性分析

設(shè)備價格明細如表3所示，實驗平臺成本僅需2萬余元，成本縮小到傳統(tǒng)火災(zāi)探測器性能實驗評估平臺的幾十分之一，使普通用戶對火災(zāi)探測器性能進行評估成為可能。

5 結(jié) 語

本文介紹了火災(zāi)探測器性能評估實驗平臺的實驗管道設(shè)計、下位機設(shè)計和上位機設(shè)計，給出了整個實驗平臺的成本，進行了經(jīng)濟性分析。設(shè)計了實驗項目和綜合評估方法。表明可以利用該實驗平臺對火災(zāi)探測器綜合性能進行評估。

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Design of Economic Experimental Platform for Performance Evaluation of Fire Detector

QUNa1a,LIZhong-hai1b,LIUJin-hai2,WANGXiao-xiao1b

(1a. School of Safety Engineering; 1b. School of Automation, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China; 2. School of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110000, China)

Fire detector is a device to detect and find the fire. The performance of the fire detector directly affects the accuracy of the whole fire alarm system. The experimental platform is the important equipment for evaluating the comprehensive performance of fire detectors. However, the prices of traditional experimental platform are very high, so that ordinary users can not afford. The design of economic experimental platform includes the experimental pipeline, the upper computer and lower machine. The experimental pipeline is a ventilating duct, which is designed by the open method and close method and includes the simulation section and the test section. The secondary computer controls axial flow fan, heater, humidifier etc. and obtains values of temperature and humidity sensor and wind speed sensor. The host computer monitors the whole experiment platform and stores the data and provides the man-machine interface. It not only can simulate fire and no fire environment to complete comprehensive performance evaluation of fire detectors, but also its price is cheap and the ordinary user can afford.

fire detector; performance evaluation; experimental platform; economic form

2015-07-23

國家自然科學(xué)基金(61473069)；2015年沈陽航空航天大學(xué)教學(xué)改革立項

曲 娜(1979-)，遼寧營口人，講師，從事火災(zāi)報警技術(shù)與風(fēng)險評估方向研究。Tel.:024-89723834；E-mail:11502332@qq.com

TP 29

A

1006-7167(2016)05-0056-04