基于四信息融合技術(shù)的動(dòng)車無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

胡海濤 ，馬英楠 ，高 星 ，靳宗振 ，趙國(guó)如

（1.中國(guó)科學(xué)院 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，深圳 518055；2.北京城市系統(tǒng)工程研究中心，北京 100035；3.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025）

隨著國(guó)內(nèi)高速列車的大幅度普及，人們?cè)谙硎芷浔憷缘耐瑫r(shí)，安全防范問(wèn)題也普遍受到關(guān)注。動(dòng)車組客運(yùn)專線一般地處偏僻、運(yùn)行速度高、車廂密封、載客量大，一旦出現(xiàn)火災(zāi)險(xiǎn)情，救援將十分困難[1]。在此種現(xiàn)實(shí)情況下，為列車提供一套靈敏度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、誤報(bào)率低、可在火災(zāi)險(xiǎn)情初始能夠及時(shí)預(yù)警的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)顯得尤為重要。

傳統(tǒng)動(dòng)車火災(zāi)探測(cè)器一般以客廂為單位，表現(xiàn)為主從式分布于車廂頂部的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，采用1到2種傳感器作為環(huán)境信息采集裝置，此種方式的不足是因環(huán)境參數(shù)單一而導(dǎo)致預(yù)警靈敏度不強(qiáng)，致使火災(zāi)預(yù)警存在一定滯后性。針對(duì)此種現(xiàn)象，本文提出一種多傳感器信息融合技術(shù)，選取4種動(dòng)車環(huán)境參數(shù)作為火災(zāi)信息源，既避免了因信息過(guò)少導(dǎo)致的靈敏度不高，又降低了因參數(shù)過(guò)多復(fù)雜所導(dǎo)致的誤報(bào)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

每節(jié)車廂可視為一個(gè)區(qū)域系統(tǒng)，主要由區(qū)域基站與新型探測(cè)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，二者通過(guò)2.4 G組成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，區(qū)域基站與監(jiān)控室通過(guò)以太網(wǎng)組成局域監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是整套監(jiān)控系統(tǒng)的核心。所述2種網(wǎng)絡(luò)，因基站控制器的高性能，既不會(huì)出現(xiàn)因探測(cè)節(jié)點(diǎn)的增加而導(dǎo)致布線安裝的復(fù)雜；也不會(huì)出現(xiàn)因區(qū)域基站的增加而導(dǎo)致系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性受到列車監(jiān)控主機(jī)數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信速率的限制。如圖1所示為系統(tǒng)架構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖Fig.1 System architecture diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選取

燃燒物燃燒的過(guò)程，一般傳感器即可滿足檢測(cè)要求，而動(dòng)車組環(huán)境有其特殊之處，牽引變流器在工作時(shí)會(huì)對(duì)周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，因此，其傳感器要求也比一般火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)更為苛刻。為確保采集信號(hào)的正確性，特選取集成化傳感器器件，具有接口簡(jiǎn)單、布線方便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

CO氣體檢測(cè)采用日本根本NEMONO高靈敏度電化學(xué)式CO傳感器NAP-505，可精確檢測(cè)0～1000 ppm的CO，分辨率達(dá)到1 ppm；煙霧濃度檢測(cè)選用半導(dǎo)體煙霧傳感器MS5100，可準(zhǔn)確探測(cè)0～2000 ppm范圍的煙霧。負(fù)載輸出與煙霧濃度滿足濃度—阻值比轉(zhuǎn)換關(guān)系，只需通過(guò)測(cè)量負(fù)載輸出電壓即可精確得出煙霧濃度值；火焰強(qiáng)度測(cè)量選用韓國(guó)原裝UVM-30A紫外探測(cè)器，抗干擾性強(qiáng)，自帶濾光功能，能夠精確檢測(cè)200～370 nm光譜范圍的紫外線強(qiáng)度，按電壓值0～1V大小來(lái)劃分紫外線的等級(jí)指數(shù)；溫度檢測(cè)選取美國(guó)FAIRCHILD半導(dǎo)體公司的數(shù)字溫度計(jì)FM75，90 ms內(nèi)可完成一次溫度轉(zhuǎn)換。

2.2 新型探測(cè)器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

探測(cè)器電路主要依據(jù)以上4種傳感器選型及其特性要求而做出設(shè)計(jì)，四路信息源方式為三路（NAP-505、MS5100、UVM-30A）為 A/D 信號(hào)采集，一路（FM75）為低壓雙線數(shù)字信號(hào)采集。為降低電路復(fù)雜性，特選取自帶多通道A/D接口和I2C接口的STC12C 5A60作為核心控制器。其中，主控與NRF通過(guò)SPI接口通信，多色信號(hào)指示建立信息反饋機(jī)制，為節(jié)點(diǎn)提供故障診斷依據(jù)。電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 新型探測(cè)器節(jié)點(diǎn)原理圖Fig.2 New detector node principle diagram

2.3 區(qū)域基站總體設(shè)計(jì)

如圖3所示為區(qū)域基站總體電路設(shè)計(jì)，核心控制器為ARM Context M4內(nèi)核STM32F407，主頻可達(dá)168 MHz，自身集成10 M/100 M以太網(wǎng)控制器，支持MII/RMII通信，可進(jìn)行全雙工和半雙工操作及靈活的地址過(guò)濾模式，為應(yīng)用程序提供單獨(dú)的發(fā)送、接收和控制接口，與其配套的PHY收發(fā)器DP83848I為10 Base-T/100 Base-TX物理層收發(fā)器，可提MII/RMII接口來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)?？偟膩?lái)說(shuō)，本以太網(wǎng)設(shè)計(jì)以STM32F407、DP83848I為硬件，配合較為成熟的LwIP協(xié)議棧，成為μC/OS-II平臺(tái)任務(wù)之一，使得區(qū)域基站以太網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)得以大大簡(jiǎn)化。

圖3 區(qū)域控制器電路原理圖Fig.3 Regional controller circuit principle diagram

車廂內(nèi)部采用無(wú)線技術(shù)方案，其優(yōu)點(diǎn)有布線簡(jiǎn)單、成本低、擴(kuò)展性強(qiáng)等，而具有GFSK功能的單收發(fā)集成芯片NRF，頻段范圍介于2.4～2.55 GHz，憑借其強(qiáng)大的跳頻和多通道技術(shù)，完全能夠適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)車環(huán)境，其收發(fā)速度極快，能在200 μs內(nèi)一次性完成高達(dá)32字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，能夠解決數(shù)據(jù)丟包和信道阻塞問(wèn)題。

區(qū)域基站通過(guò)無(wú)線接收到各無(wú)線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，在STM32F407與μC/OS-II平臺(tái)上進(jìn)行火災(zāi)核心算法運(yùn)算，得出火災(zāi)等級(jí)指數(shù)，并按等級(jí)大小進(jìn)行預(yù)警控制，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳各個(gè)探測(cè)點(diǎn)信息至列車監(jiān)控主機(jī)，并有短消息報(bào)警，小型LCD數(shù)字顯示與參數(shù)閾值鍵入等功能，以適應(yīng)不同環(huán)境與場(chǎng)合。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文軟件設(shè)計(jì)主要包含2大塊，一為探測(cè)器節(jié)點(diǎn)部分，二為區(qū)域基站部分。根據(jù)前文所確定的火災(zāi)探測(cè)技術(shù)路線和火災(zāi)判定方法，需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有新型節(jié)點(diǎn)火災(zāi)探測(cè)器濾波算法、區(qū)域控制器火災(zāi)判定算法、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II在STM32F407上的移植、LwIP協(xié)議棧的移植等。

3.1 探測(cè)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在火災(zāi)探測(cè)過(guò)程中，有時(shí)既要消除大幅度的脈沖干擾，又要做數(shù)據(jù)平滑。因此常把濾波方法結(jié)合起來(lái)使用，形成復(fù)合濾波，本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)綜合考慮，選用去極值平均濾波算法。如圖4所示為火災(zāi)探測(cè)器軟件流程。

圖4 火災(zāi)探測(cè)器軟件流程圖Fig.4 Flow chart of fire detector software

3.2 區(qū)域基站算法

區(qū)域基站采用偏值濾波算法[3]，也是本設(shè)計(jì)的核心算法，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多傳感器信息融合與等級(jí)預(yù)警算法。二輸入偏值濾波算法是對(duì)單輸入偏值濾波算法的擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)采用二輸入偏值濾波與單輸入偏值濾波相結(jié)合的方式進(jìn)行火災(zāi)信息融合與檢測(cè)，具體所述如下。

設(shè) 2 個(gè)傳感器輸入信號(hào)分別為 x1（n）和 x2（n），輸入信號(hào)的復(fù)合方式為乘積，權(quán)函數(shù)為w（n，i）則其乘積型復(fù)合偏值濾波為

式中：s1為信號(hào) x1（n）的預(yù)警門(mén)限；s2為信號(hào) x2（n）的預(yù)警門(mén)限；C為修正常數(shù)，u（.）是單位階躍函數(shù)，如果權(quán)函數(shù)w（n，i）取1，復(fù)合偏值濾波遞歸形式為

該算法要求2個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)超過(guò)各自的預(yù)警門(mén)限時(shí)，才對(duì)2個(gè)信號(hào)超過(guò)門(mén)限部分的乘積進(jìn)行累加運(yùn)算，否則輸出為0，該算法實(shí)際上計(jì)算了信號(hào)超過(guò)門(mén)限部分的面積。

如果式（2）輸出為0，既二次偏值濾波無(wú)累加，說(shuō)明二輸入變量至少有一個(gè)沒(méi)有達(dá)到設(shè)定閾值，此時(shí)需要再分別對(duì)單變量進(jìn)行單輸入偏值濾波計(jì)算，以提高火災(zāi)探測(cè)的靈敏度，其遞歸形式為

式中：s為單輸入變量x（n）門(mén)限。利用偏值濾波算法得到處理過(guò)的輸出信號(hào)y（n）后，經(jīng)過(guò)比較得出火災(zāi)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)火災(zāi)判斷算法輸出火災(zāi)信號(hào)火災(zāi)等級(jí)。式（4）表示火災(zāi)信號(hào)輸出，式（5）為對(duì)應(yīng)火災(zāi)等級(jí)輸出：

式中：i=0表示單輸入偏值運(yùn)算，對(duì)應(yīng)k取值為1

3.3 μC/OS-II在STM32F407的移植

μC/OS-II可以移植到不同的處理器上，本移植為官方下載μC/OS-II V2.92版本，將其移植到STM32F407處理器上，需要修改3個(gè)與STM32F407體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件[4]，即OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM。以下將會(huì)分別介紹這3個(gè)文件的移植工作。

1）OS_CPU.H中需要修改的內(nèi)容有數(shù)據(jù)類型重定義部分和與處理器相關(guān)的代碼。數(shù)據(jù)類型的定義與編譯器的類型有關(guān)，本移植過(guò)程中使用的是MDK，因此根據(jù)其所支持的數(shù)據(jù)類型，主要是將INT32U、OS_STK、OS_CPU_SR定義為無(wú)符號(hào)整型，INT32S定義為有符號(hào)整型，F(xiàn)P32定義為浮點(diǎn)型，F(xiàn)P64定義為雙精度型即可。

頭文件中與處理器相關(guān)部分代碼包括臨界區(qū)訪問(wèn)處理、處理器堆棧增長(zhǎng)方向及任務(wù)切換宏定義。首次確定臨界代碼的處理方法，這里選第3種，進(jìn)入和退出臨界段只需調(diào)用關(guān)中斷函數(shù)OS_CPU_SR_Save（）和恢復(fù)中斷函數(shù)OS_CPU_SR_Restore（）來(lái)實(shí)現(xiàn)，同樣，本處理器的堆棧增長(zhǎng)方向?yàn)閺纳舷蛳拢恍杵涠x符號(hào)OS_STK_GROW TH定義為1。其中OS_CPU_SR_Save（）、OS_CPU_SR_Restore（）和任務(wù)切換宏OSCtxSw（）3個(gè)函數(shù)可以通過(guò)匯編函數(shù)OS_CPU_A.ASM編寫(xiě)。

2）C語(yǔ)言文件OS_CPU_C.C需要編寫(xiě)的C函數(shù)一共有10個(gè)，其中9個(gè)hook函數(shù)幾乎不用修改，在移植過(guò)程中常常另外存放在單獨(dú)的文件中獨(dú)立出來(lái)，第10個(gè)函數(shù)OSTaskStk Init是用來(lái)初始化各個(gè)任務(wù)堆棧，也是移植過(guò)程中最為重要的一部分，部分核心代碼為

3）匯編文件OS_CPU_A.ASM需要編寫(xiě)的函數(shù)有3個(gè)，分別為被OSStart（）調(diào)用來(lái)運(yùn)行最高優(yōu)先級(jí)的函數(shù)OSStartHighRdy，任務(wù)級(jí)的上下級(jí)切換函數(shù)OSCtxSw，中斷級(jí)的任務(wù)切換函數(shù)OSIntCtxSw.其中較為重要的為OSCtxSw和OSIntCtxSw兩部分的移植，使用匯編編譯時(shí)兩部分可公用一種函數(shù)體。

3.4 LwIP協(xié)議棧的移植

LwIP是輕微的TCP/IP協(xié)議棧，在有無(wú)操作系統(tǒng)的情況下都可以運(yùn)行[5]。其將所有與硬件、OS、編譯器相關(guān)的部分獨(dú)立出來(lái)，目的是方便移植到不同操作系統(tǒng)平臺(tái)上。那么，在μC/OS-II平臺(tái)下，將LwIP移植到STM32F407上，主要做的工作是對(duì)其操作系統(tǒng)模擬層和網(wǎng)卡接口層代碼進(jìn)行編寫(xiě)，以下為詳細(xì)說(shuō)明。

1）操作系統(tǒng)模擬層在底層操作系統(tǒng)和LwIP之間提供了一個(gè)接口，在移植過(guò)程中，只需要編寫(xiě)這個(gè)接口即可，由于在μC/OS-II平臺(tái)下無(wú)需另外編寫(xiě)多線程函數(shù)，并且μC/OS-II已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)量OS_EVENT和消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)OSQ的各種操作，因此，所需要做的是另外創(chuàng)建結(jié)構(gòu)對(duì)消息進(jìn)行管理，如下所示：

2）網(wǎng)卡接口層是LwIP移植成功的重要部分，需在作者設(shè)計(jì)好的框架內(nèi)完成與底層硬件相關(guān)的部分，主要有向LwIP注冊(cè)鏈路層的發(fā)送函數(shù)low_level_output（）和網(wǎng)卡初始化函數(shù)low_level_init（），核心子函數(shù)OSAPIBlockNew（）函數(shù)負(fù)責(zé)建立并返回一個(gè)新的互斥型信號(hào)量，EMACInit（）為網(wǎng)卡初始化工作的實(shí)際完成者。

4 系統(tǒng)整體測(cè)試

在完成基本通信測(cè)試之后，需要對(duì)系統(tǒng)整體性能繼續(xù)測(cè)試。所有功能在keil uvision 4開(kāi)發(fā)環(huán)境中調(diào)試完畢后，按GB 50116—1998《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，對(duì)多傳感器信息融合技術(shù)的可靠性與有效性進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。選取國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)火SH3（聚氨酯塑料火）作為模擬火災(zāi)源，并模擬動(dòng)車CHR5車廂環(huán)境。如圖5所示為火災(zāi)源附近一探測(cè)器所探測(cè)的4種信號(hào)量，圖中橫坐標(biāo)表示實(shí)際時(shí)間，由于4種信息單位不同，縱坐標(biāo)只表示信號(hào)幅值對(duì)比度，圖中數(shù)據(jù)標(biāo)記為595 s時(shí)的對(duì)比值。表1為本次測(cè)試過(guò)程中所確定環(huán)境參量報(bào)警閾值。

圖5 SH3火災(zāi)探測(cè)信號(hào)對(duì)比圖Fig.5 Fire detection signal contrast figure

表1 模擬測(cè)試中環(huán)境參量閾值Tab.1 Environment parameter thresholds in simulation test

圖5曲線圖為在表1所示的閾值條件下測(cè)得數(shù)據(jù)，得出結(jié)果第1次報(bào)警時(shí)間為第326 s，輸出等級(jí)為1級(jí)，是由于單值CO濃度超出門(mén)限所致；第2次報(bào)警為第371 s，輸出等級(jí)為2級(jí)，是由于CO濃度和煙霧濃度超出閾值并達(dá)到偏值所致；第3次為447 s，輸出等級(jí)為6級(jí)，是由于4種信號(hào)全部超出閾值并達(dá)到偏值所致。作為對(duì)比，簡(jiǎn)單閾值報(bào)警情況下煙霧火災(zāi)報(bào)警器、溫度火災(zāi)報(bào)警器的第一次報(bào)警時(shí)間分別為 374 s、467 s，分別多耗時(shí) 48 s、141 s。

5 結(jié)語(yǔ)

本動(dòng)車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，以4種火災(zāi)信號(hào)源為判定依據(jù)，以二輸入偏值算法為核心，融合4種環(huán)境信息，選取4值中的2種進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，建立預(yù)警等級(jí)管理制度，解決了因環(huán)境參數(shù)不多而導(dǎo)致預(yù)警靈敏度不強(qiáng)的問(wèn)題。

[1]董巍.動(dòng)車組火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[2]孫少婧，苑豐彪，張凱榮，等.高速動(dòng)車組智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)鐵路，2013（4）：60-61.

[3]厲劍.火災(zāi)探測(cè)信號(hào)處理算法及其性能評(píng)估方法研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2005.

[4]Jean J.Labrosse.嵌入式操作系統(tǒng) μC/OS-II[M].邵貝貝，等譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[5]王祖云，楊思國(guó)，王建偉，等.嵌入式LwIP協(xié)議棧的移植與測(cè)試研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2014，42（2）：274-275.