田淑芬， 董軍軍， 邱俊彥， 侯志堅(jiān)， 李 康， 張 璐， 范鑫榮

(1. 北京科技大學(xué) 高等工程師學(xué)院， 北京 100083； 2. 北京科技大學(xué) 自然科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，北京 100083)

在 “大眾創(chuàng)業(yè),萬眾創(chuàng)新”的政策背景下,結(jié)合貫徹落實(shí)《國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)消防工作的意見》(國發(fā)[2006]第15號(hào))提出的“堅(jiān)持科技先行,依靠科技進(jìn)步不斷提升防火、滅火和救援能力”的要求,在“防火”方面,研制出有效的、全面的、智能的報(bào)警器是社會(huì)所需?；馂?zāi)是人類生活中主要的事故之一,會(huì)造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失?；馂?zāi)報(bào)警器主要用于早期疏散、管理及消防部門的及時(shí)準(zhǔn)確告警和火災(zāi)的早期撲滅[1-2]。然而,市面上的火災(zāi)報(bào)警器誤報(bào)率高,瑞士西伯樂斯公司根據(jù)1974年至1994年20年間收集的有關(guān)誤報(bào)資料分析[3],得出誤報(bào)比為7∶1(誤報(bào)比警次數(shù):真實(shí)報(bào)警次數(shù))。1995年調(diào)查,感煙探測器誤報(bào)比為4:1。對(duì)1990年至1995年間安裝的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)監(jiān)視,結(jié)果表明(按每個(gè)系統(tǒng)平均100只探測器計(jì)算,1990年誤報(bào)率是95%；1995年是69%。雖然數(shù)據(jù)較早,但是國內(nèi)報(bào)警器起步遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于其他國家,這個(gè)數(shù)據(jù)也足以表明傳統(tǒng)報(bào)警器的不足。由此會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益損失,攪擾社會(huì)秩序,減低人們對(duì)火災(zāi)的警惕性等不良影響,因此研制多路報(bào)警器降低火災(zāi)誤報(bào)率是十分必要的。

1 火災(zāi)溫度和煙霧濃度分析及傳感器的選擇

火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展是一個(gè)非常復(fù)雜的非平穩(wěn)過程,除了自身的物理化學(xué)變化以外還會(huì)受到許多外界的干擾,火災(zāi)一旦發(fā)生便以接觸式(物質(zhì)流)和非接觸式(能量流)的形式向外釋放能量。接觸式形式包括氣體、煙霧、氣溶膠等。非接觸式如聲音、輻射等[4-5]。

1.1 溫度,煙霧濃度

根據(jù)室內(nèi)火災(zāi)溫度隨時(shí)間的變化特點(diǎn),可將火災(zāi)發(fā)展過程分為3個(gè)階段,即火災(zāi)初起階段、火災(zāi)全面發(fā)展階段、火災(zāi)熄滅階段。3個(gè)階段溫度和煙霧濃度隨時(shí)間變化曲線如圖1和圖2所示。(以家庭普通室內(nèi)起火為例)

圖1 火災(zāi)過程溫度隨時(shí)間變化曲線

圖2 火災(zāi)過程煙霧濃度隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)資料表明[6],火災(zāi)過程煙霧濃度變化明顯,從圖2我們可以看出,在火災(zāi)初期,煙霧濃度很快地上升到了一個(gè)較大值；待火勢蔓延開來,可燃物充分燃燒,雖溫度增高但煙霧濃度有所下降；到了火災(zāi)后期,煙霧濃度又達(dá)到一個(gè)較大數(shù)值。

根據(jù)3個(gè)階段的特點(diǎn)可見,早期階段是滅火的最有利時(shí)機(jī),應(yīng)設(shè)法爭取盡早發(fā)現(xiàn)火災(zāi),把火災(zāi)及時(shí)控制消滅在起火點(diǎn)。初起階段也是人員疏散的有利時(shí)機(jī),設(shè)置及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和報(bào)警的裝置是很有必要的。同時(shí)根據(jù)火災(zāi)初期物理化學(xué)現(xiàn)象,我們可以選擇更適宜的傳感器,分析火災(zāi)初期各參數(shù)所占比重變化,從而對(duì)火勢進(jìn)行精確的判斷。

1.2 傳感器選型

火災(zāi)探測器按其探測火災(zāi)不同理化現(xiàn)象可分為感煙探測器、感溫探測器、感光探測器、可燃?xì)怏w探測器以及復(fù)合式探測器。

根據(jù)我們對(duì)于火災(zāi)現(xiàn)場火情參數(shù)的研究,溫度報(bào)警器受環(huán)境(溫濕度)影響較大,溫度存在時(shí)滯,且在火災(zāi)中期才表現(xiàn)出異常升溫趨勢,并不符合我們對(duì)于火災(zāi)初期就報(bào)警的要求。紅外火焰探測器是探測火災(zāi)燃燒火焰的探測器,是繼感溫、感煙探測器后,較晚出現(xiàn)的一種火災(zāi)探測器。由于其感應(yīng)火焰輻射電磁波,因而具有響應(yīng)速度快、探測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[7]。紅外傳感器檢測靈敏,且存在于火災(zāi)各個(gè)階段,對(duì)火焰十分敏感,符合我們的要求。煙霧傳感器可以檢測的信號(hào)(煙霧顆粒、可燃?xì)怏w)數(shù)據(jù)大,屬于火災(zāi)早期最易于探測的信號(hào)之一,對(duì)于檢測火情具有較高的靈敏度。然而由于其干擾因素復(fù)雜、干擾源多,產(chǎn)生誤報(bào)的可能性大。因此我們?cè)诖嘶A(chǔ)上選擇紅外傳感器和煙霧傳感器進(jìn)行雙路保險(xiǎn),避免誤報(bào)警現(xiàn)象的發(fā)生。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測及智能化

我國報(bào)警器起步晚,技術(shù)不成熟,存在智能化程度低等問題。我國使用的火災(zāi)探測器雖然都進(jìn)行了智能化設(shè)計(jì),但由于傳感器件探測的參數(shù)較少、支持系統(tǒng)的軟件開發(fā)不成熟、各種算法的準(zhǔn)確性缺乏足夠驗(yàn)證、火災(zāi)現(xiàn)場參數(shù)數(shù)據(jù)庫不健全等,火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)難以準(zhǔn)確判定粒子(煙氣)的濃度、現(xiàn)場溫度、光波的強(qiáng)度以及可燃?xì)怏w的濃度、電磁輻射等指標(biāo),造成遲報(bào)、誤報(bào)、漏報(bào)情況較多[8]。

我們采用的是單片機(jī)及藍(lán)牙等遠(yuǎn)程通信模塊,智能采集以及處理信息,不僅能通過比對(duì)算法,實(shí)現(xiàn)更高精度的報(bào)警閾值,還能將信息進(jìn)行傳輸,藍(lán)牙的穿墻功能以及與手機(jī)等通信設(shè)備的良好溝通,信號(hào)傳輸距離達(dá)十米,讓我們?cè)诼牪坏綀?bào)警蜂鳴器報(bào)警的情況下還能收到手機(jī)發(fā)出的警報(bào)。

3 算法處理

火災(zāi)發(fā)生時(shí),伴隨很多特征參數(shù)的變化,傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警器只針對(duì)單一因素進(jìn)行閾值判斷, 沒能將多傳感器有機(jī)結(jié)合,誤判概率極大。本報(bào)警器采用多傳感器概率綜合判斷[9],綜合考慮分析光強(qiáng)、煙霧離子、溫度3類監(jiān)測特征值,確定火災(zāi)發(fā)生概率,結(jié)合實(shí)際情況確定靈敏度,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作。

P=∑Pλ=P1λ1+P2λ2+P3λ3+…

(Pn=參數(shù)貢獻(xiàn)率,λn=設(shè)定閾值。如P1紅外貢獻(xiàn)率,λ1紅外閾值,P2煙霧貢獻(xiàn)率,λ2煙霧閾值)

在火災(zāi)發(fā)展過程的3個(gè)階段,包括溫度,紅外線強(qiáng)度,煙霧濃度在內(nèi)的各個(gè)參數(shù)都以不同的比重,不同的參數(shù)變化速率變動(dòng)著。我們針對(duì)的是火災(zāi)初期,那么根據(jù)上文研究,煙霧濃度將達(dá)到較高值,溫度較低,紅外線強(qiáng)度也較低。在監(jiān)測范圍為30 m2時(shí),煙霧濃度體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2%可以判定達(dá)到火災(zāi)危險(xiǎn),因此我們根據(jù)多次測量研究,設(shè)定煙霧閾值為2%。

紅外火焰?zhèn)鞲衅鞣矫嫖覀兘梃b技術(shù)較為先進(jìn)的三波段紅外火焰探測器的原理設(shè)計(jì)紅外傳感器[10],各種不同材料的碳?xì)浠衔锶紵a(chǎn)生的火焰輻射光譜各不相同。在火焰紅外波段內(nèi)的4.3 μm附近能夠觀察到峰值,這是被稱為 CO2原子團(tuán)的發(fā)光光譜,為火焰所特有,且比其他頻段具有大得多的強(qiáng)度(見圖3)[11],因此我們選擇靠近火焰輻射峰值波段作為參考波段,4.0 μm是最接近峰值的波段,常常用這一波段的傳感器作為參考傳感器，并設(shè)置煙霧貢獻(xiàn)率0.7,紅外貢獻(xiàn)率0.3(具體貢獻(xiàn)率可根據(jù)不同火災(zāi)環(huán)境及條件變化)的權(quán)重進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并取得了良好效果。

圖3 碳?xì)浠衔锘鹧孑椛渥V圖

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1) 將煙霧傳感器置于密閉空間(紙盒),放置燃燒的紙條物,隨時(shí)間變化,密閉空間紙盒內(nèi)煙霧濃度將根據(jù)燃燒時(shí)間呈線性增長趨勢,通過單片機(jī)串口監(jiān)視器記錄煙霧傳感器模擬量輸出。

(2) 將紅外傳感器置于陰暗條件下,以避免其他光源的干擾；將打火機(jī)由1.5 m(打火機(jī)火源較小,遠(yuǎn)距離檢測不到)外由遠(yuǎn)及近向紅外探頭移動(dòng),觀察紅外傳感器模擬量輸出。

通過查詢相關(guān)資料,并將真實(shí)火災(zāi)情況等比例縮小至實(shí)驗(yàn)環(huán)境,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:由圖4可見,煙霧傳感器根據(jù)煙霧濃度線性變化；火焰?zhèn)鞲衅鞲鶕?jù)檢測到火焰大小呈跳變。對(duì)比數(shù)據(jù)可知,單片機(jī)可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)原定計(jì)算功能,精確報(bào)警。

圖4 實(shí)驗(yàn)過程曲線

4 整體設(shè)計(jì)

該火災(zāi)報(bào)警器能夠根據(jù)環(huán)境中煙霧濃度以及溫度變化,在達(dá)到報(bào)警條件的情況下引發(fā)蜂鳴器蜂鳴,指示燈亮起,同時(shí)通過藍(lán)牙向手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。報(bào)警器共分為電源模塊、煙霧檢測模塊、紅外火焰檢測模塊、藍(lán)牙模塊、單片機(jī)模塊以及報(bào)警模塊。

以LM2940穩(wěn)壓模塊以及100 μF和0.1 μF兩種電容組成的電源模塊,因?yàn)閷?shí)際產(chǎn)品為獨(dú)立工作狀態(tài),我們要將電池9 V電壓轉(zhuǎn)為5 V單片機(jī)以及各模塊工作電壓。

中間是以Atmel Atmega328P-AU單片機(jī)為核心的信號(hào)處理部分,各傳感器模塊之間自帶AD轉(zhuǎn)換,極大地簡化了程序以及電路。傳感器模塊共享電源模塊的5 V供電電壓,并將檢測到的信息通過輸出接口傳輸至單片機(jī)輸入接口,傳感器模塊輸出采用更為精確的模擬量輸出,根據(jù)不同情況我們可以選擇不同信號(hào)進(jìn)行處理。

接下來是遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸模塊——藍(lán)牙模塊,藍(lán)牙模塊通過與單片機(jī)串口通信,將單片機(jī)處理后得出的結(jié)果傳輸至手機(jī)等通信設(shè)備,實(shí)現(xiàn)報(bào)警器的智能化,并為報(bào)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化提供了一個(gè)良好的平臺(tái)[12-13]。

單片機(jī)處理后的結(jié)果以數(shù)字量的形式送到蜂鳴器、指示燈等設(shè)備,發(fā)出警報(bào),完成報(bào)警工作。同時(shí)留出消防聯(lián)動(dòng)輸出口,以備投入使用時(shí)單點(diǎn)報(bào)警輸出觸發(fā)公共區(qū)門禁與機(jī)房門禁系統(tǒng)全部打開[14]。

整個(gè)智能報(bào)警系統(tǒng)電路簡潔,排布有序,并且基本實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的所有功能。

5 研究成果

(1) 開發(fā)了一套可測試火災(zāi)報(bào)警的新式裝置,各項(xiàng)數(shù)據(jù)基本達(dá)到預(yù)計(jì)的要求。

(2) 對(duì)火災(zāi)監(jiān)控采用兩種信號(hào)源同時(shí)檢測并比較,可增強(qiáng)火災(zāi)報(bào)警可信度,降低誤報(bào)率,減少人為損失。

(3) 新報(bào)警器增加了遠(yuǎn)程報(bào)警功能,安全負(fù)責(zé)人不在現(xiàn)場時(shí)能夠盡早得到信息。

(4) 數(shù)據(jù)采用模擬量輸出,可提高輸出信號(hào)精度與準(zhǔn)確率。

[1] 劉義祥. 火災(zāi)調(diào)查[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

[2] 杜建華, 張認(rèn)成. 火災(zāi)探測器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息, 2004(7):10-15.

[3] 北京迪安波安安全技術(shù)有限公司.國外火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警技術(shù)發(fā)展概況與發(fā)展趨勢[EB/OL].[2017-12-01]. http://www.dap.com.cn/NewsDetail.asp?id=321.

[4] 杜建華, 張認(rèn)成, 黃湘瑩,等. CO和CO2氣體紅外光譜技術(shù)在火災(zāi)早期探測中的應(yīng)用研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2007, 27(5):899-903.

[5] 李良波. 高靈敏度吸氣式煙霧和氣體復(fù)合火災(zāi)探測器的研究[D]. 南京:南京理工大學(xué), 2007.

[6] 龔雪, 張認(rèn)成, 黃湘瑩,等. 氣體火災(zāi)探測器的研究與發(fā)展[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 2005, 24(6):735-737.

[7] 王少飛, 劉桂強(qiáng), 盧輝,等. 三波長紅外火焰探測器在公路隧道中的應(yīng)用[J]. 公路, 2013(3):109-110.

[8] 韓松華, 秦明明, 唐傳林,等. 基于單片機(jī)的學(xué)生公寓火災(zāi)報(bào)警器[J]. 信息通信, 2016(8):101-103.

[9] 夏煥雄, 孫樹文, 姚益武,等. 多傳感器概率綜合的火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2011, 19(2):370-372.

[10] 郭小芳. 三波段紅外火焰探測器研究及方案設(shè)計(jì)[J]. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息, 2013(8):77-79.

[11] 張曉華, 張認(rèn)成, 龔雪,等. 火災(zāi)早期過程特征的紅外光譜探測和診斷[J]. 紅外與毫米波學(xué)報(bào), 2006, 25(5):382-385.

[12] 李宏文. 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警技術(shù)與工程實(shí)例[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2016.

[13] 徐曉虎, 鄭欣, 趙海榮,等. 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可靠性研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2012(3):149-153.

[14] 鐘茂華. 火災(zāi)過程動(dòng)力學(xué)特性分析[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2007.