基于微控制器的客車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

李華洋

（南陽(yáng)師范學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473061）

基于微控制器的客車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

李華洋

（南陽(yáng)師范學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473061）

在此介紹一種以微控制器Spce061A為核心的公交車火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用靈敏度，高可靠性好的烴類氣體濃度傳感器來(lái)探測(cè)可燃?xì)怏w。采用濃煙傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯慕M合來(lái)探測(cè)火災(zāi)信號(hào)。可燃?xì)怏w濃度傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)微控制器以無(wú)線傳輸?shù)姆绞剿偷娇刂浦行挠神{駛員觀察分析，可以排除其他原因引起的虛警。當(dāng)煙霧和火焰?zhèn)鞲衅靼l(fā)現(xiàn)火災(zāi)信號(hào)以后迅速發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)破窗器打破車窗玻璃疏散乘客，啟動(dòng)滅火器撲滅火焰。該系統(tǒng)功能完善，反應(yīng)速度快，可以快速識(shí)別汽油等可燃?xì)怏w，迅速撲滅可燃油氣體引發(fā)的火災(zāi)，漏警與誤警率低。其硬件成本低，工作可靠性好，器件壽命長(zhǎng)。系統(tǒng)維護(hù)維修方便，升級(jí)擴(kuò)展簡(jiǎn)單。能夠滿足當(dāng)前我國(guó)城市公交系統(tǒng)迫切的安全要求。

Spce061A；氣體濃度傳感器；濃煙傳感器；火災(zāi)探測(cè)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)多次發(fā)生城市公交客車上人為縱火或者乘客攜帶的違禁易燃品燃燒引發(fā)的重大人員傷亡事件。由于我國(guó)城市交通中公交客車擔(dān)負(fù)著繁重的客運(yùn)任務(wù)，人員十分擁擠，加上沒(méi)有隨車配置車內(nèi)自動(dòng)化運(yùn)行的危險(xiǎn)品探測(cè)報(bào)警與滅火系統(tǒng)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)常常導(dǎo)致極其嚴(yán)重的人員傷亡。

基于車上空間與成本的原因，目前不可能在客車上安裝通常安裝在車站與機(jī)場(chǎng)的危險(xiǎn)品檢測(cè)設(shè)備，因此對(duì)于危險(xiǎn)品難以提前檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致不法分子縱火陰謀屢屢得逞。目前，我國(guó)公交車只配備了安全錘、手提式滅火器，部分車輛配備了視頻監(jiān)視器及保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的超細(xì)干粉滅火裝置，但這些安全措施并不能解決車輛車廂內(nèi)發(fā)生爆燃時(shí)火勢(shì)在短時(shí)間內(nèi)迅速蔓延、乘客難以疏散難以逃生的問(wèn)題。要從根本上解決這一問(wèn)題，必須研發(fā)適用于公交車的、對(duì)人體無(wú)害的高效探測(cè)報(bào)警與滅火系統(tǒng)。

為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)品，盡可能減小危害，需要在客車上面及時(shí)探測(cè)到犯罪分子攜帶的汽油等易燃品，并且在其剛剛打開(kāi)容器時(shí)就能夠探測(cè)到，或者剛剛點(diǎn)燃時(shí)能夠及時(shí)撲滅。本文介紹了一種基于微控制器的客車防火報(bào)警系統(tǒng)，能夠在汽油等易燃品開(kāi)始揮發(fā)和剛剛點(diǎn)燃時(shí)就探測(cè)到，并且及時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)化的滅火系統(tǒng)將其撲滅，從而大大減少無(wú)辜人員的傷亡。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

客車防火報(bào)警系統(tǒng)的要求是能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速識(shí)別易燃?xì)怏w和火源同時(shí)避免漏警和誤警，還要能夠迅速疏散乘客和啟動(dòng)滅火器。為滿足要求，本系統(tǒng)采用微控制器作為控制核心，多種新型高速高靈敏度傳感器相互配合來(lái)探測(cè)可燃油氣體，采用固定安裝在車頂?shù)亩嗖啃滦蜏缁鹌鲹錅缁鹧?，同時(shí)還采用自動(dòng)破窗器在緊急情況下疏散乘客。

本系統(tǒng)采用了凌陽(yáng)微控制器SPCE061A作為控制中心，2M010汽油傳感器，MQ?2型煙霧傳感器，IR3S?A三頻紅外火焰探測(cè)器作為傳感器，可以采用各種新型自動(dòng)化車載滅火器。

微控制器運(yùn)行期間，一旦發(fā)現(xiàn)有報(bào)警信號(hào)，馬上以語(yǔ)音提醒客車駕駛員“車廂某部位發(fā)現(xiàn)汽油”、“某部位發(fā)生火災(zāi)”等突發(fā)情況，同時(shí)啟動(dòng)車頂?shù)膽覓焓綔缁鹌鞒l(fā)現(xiàn)高濃度汽油或火焰的地方噴射滅火劑。這樣可以避免滅火劑噴到?jīng)]有汽油的地方引起混亂阻礙逃生。在噴射滅火劑的同時(shí)，為了盡快疏散車上乘客，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)打碎車窗玻璃的功能，在車窗玻璃的薄弱位置安裝自動(dòng)破窗器，如果火焰沒(méi)有被及時(shí)撲滅，即可自動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)破窗器擊破車窗玻璃，同時(shí)發(fā)出語(yǔ)音提示，告訴驚慌失措的乘客從此出口逃生。為了避免跳出窗戶的乘客被后面的車輛誤傷，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)車輛的緊急燈提醒后面車輛避開(kāi)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括總控制臺(tái)和3～4個(gè)工作單元，每個(gè)單元包括1個(gè)凌陽(yáng)微控制器，2～3個(gè)配備吸氣風(fēng)扇的汽油傳感器，4個(gè)火焰探測(cè)器，2個(gè)煙霧傳感器與2個(gè)滅火器，電動(dòng)破窗器及語(yǔ)音報(bào)警喇叭等 ，作為核心的微控制器電路板安裝在公交車頂部，硬件設(shè)計(jì)功能模塊如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)功能模塊圖

配備的多個(gè)傳感器與滅火器均勻安裝在車廂頂部的合適部位，與微控制器電路通過(guò)信號(hào)線連接，為了能夠盡可能提前發(fā)現(xiàn)汽油泄漏，每個(gè)工作單元可以在靠過(guò)道的座椅上另外布置1個(gè)汽油傳感器，力求能夠?qū)崿F(xiàn)完全覆蓋整個(gè)車廂。從而提高了探測(cè)的反應(yīng)速度，大大減少了探測(cè)盲區(qū)，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)火源和滅火爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間。不同種類的傳感器組合使用可以減少漏報(bào)和誤報(bào)情況。

系統(tǒng)有一個(gè)安裝在駕駛員儀表板上的總控制臺(tái)。每個(gè)單元的微控制器通過(guò)NRF905無(wú)線收發(fā)模塊與總控制臺(tái)進(jìn)行信號(hào)聯(lián)系。

當(dāng)某個(gè)工作單元傳感器發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，報(bào)告總控制臺(tái)，駕駛員可以立即判斷情況，開(kāi)啟車輛緊急雙閃燈，并且迅速把車輛減速?？康桨踩貛А?/p>

采用凌陽(yáng)SPCE061A微控制器的優(yōu)點(diǎn)是中斷功能強(qiáng)大，對(duì)傳感器信號(hào)的反應(yīng)速度快，語(yǔ)音處理能力比較好，數(shù)據(jù)處理能力比較強(qiáng)，容易與車載通信系統(tǒng)連接，也容易同時(shí)接收多種類型傳感器的信號(hào)，能夠同時(shí)控制各種滅火設(shè)備與破窗逃生設(shè)備，也有利于在將來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行傳感器改進(jìn)與功能擴(kuò)展[1]。2M010型汽油氣體傳感器體積小，價(jià)格比較低廉，對(duì)油氣氣體有極高的靈敏度，同時(shí)具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，能夠滿足大規(guī)模安裝與長(zhǎng)期使用的要求[2]。

MQ?2型傳感器對(duì)汽油等可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的煙霧有很高的靈敏度，尤其對(duì)烷類煙霧更為敏感[3]。A710/IR3三頻紅外火焰探測(cè)器體積小，價(jià)格低，工作穩(wěn)定，探測(cè)角度范圍廣，探測(cè)靈敏度高，信號(hào)輸出方便[3]。

2M010汽油傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性曲線如圖2所示，2M010型汽油傳感器特性曲線如圖3所示。

圖2 2M010汽油傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性曲線

3 電路的連接與工作過(guò)程

系統(tǒng)將各個(gè)傳感器連接于微控制器的I/O口,其中，汽油傳感器連接在A0口，把測(cè)得的汽油濃度數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值以后送給CPU,火焰探測(cè)器接于B2口，作為微控制器的外部中斷源1，煙霧傳感器連接于B3口作為微控制器的外部中斷源2，系統(tǒng)利用中斷方式發(fā)出警報(bào)，大大提高了對(duì)火情的反應(yīng)速度[4]。

圖3 2M010型汽油傳感器特性曲線

考慮到有些情況下可能發(fā)生虛警，例如車上有人抽煙用打火機(jī)點(diǎn)煙，或者路過(guò)加油站附近等區(qū)域，空氣中汽油濃度比較高。因此系統(tǒng)需要根據(jù)不同的汽油濃度進(jìn)入不同的報(bào)警級(jí)別，采取不同的報(bào)警措施，避免錯(cuò)誤觸發(fā)滅火器。系統(tǒng)啟動(dòng)以后，通過(guò)汽油傳感器，隨時(shí)報(bào)告汽油濃度數(shù)值并且顯示在主控臺(tái)的顯示器上面，當(dāng)汽油濃度超出100 ppm（電壓值約1.5 V）時(shí)，立即發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警信號(hào)，鎖定汽油濃度超標(biāo)的區(qū)域。駕駛員通過(guò)車載廣播提醒乘客，詢問(wèn)是大家否發(fā)現(xiàn)有人攜帶和釋放易燃液體，提醒乘客準(zhǔn)備停車疏散。濃度超出500 ppm（電壓值約2.5 V）時(shí)，立即停車并且指揮乘客下車疏散。如果汽油濃度迅速增加，特別是煙霧傳感器與火焰探測(cè)器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)煙霧與火焰，則系統(tǒng)立即鎖定發(fā)生火焰煙霧的區(qū)域啟動(dòng)滅火器撲滅火焰，并且迅速疏散乘客，如果此時(shí)火焰太大，滅火器無(wú)法迅速撲滅，人員已經(jīng)無(wú)法從車門(mén)逃生，則可以由駕駛員手動(dòng)或者由工作單元的微控制器自動(dòng)發(fā)出指令啟動(dòng)自動(dòng)破窗器，打碎車窗，通過(guò)語(yǔ)音提示，引導(dǎo)乘客從車窗逃生[5]。

4 工作單元的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)源程序分為主程序和外部中斷服務(wù)程序。主程序執(zhí)行系統(tǒng)初始化和汽油濃度檢測(cè)與傳輸，以及濃度超標(biāo)時(shí)的報(bào)警任務(wù)，當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；兩個(gè)外部中斷服務(wù)程序方便執(zhí)行發(fā)現(xiàn)煙霧與火焰時(shí)的快速報(bào)警任務(wù)。本方案所用的程序采用匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言混合編寫(xiě)，對(duì)于底層的驅(qū)動(dòng)程序，采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，對(duì)外給出C語(yǔ)言的調(diào)用接口；采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行編程，有利于各個(gè)模塊的升級(jí)、維護(hù)[6]。主程序與中斷服務(wù)程序的流程圖如圖4、圖5所示。

圖4 主程序流程圖

5 系統(tǒng)的定期維護(hù)檢測(cè)

考慮到公交車的使用非常頻繁，系統(tǒng)長(zhǎng)期使用以后，可能有些傳感器或者電路線路發(fā)生污損、氧化等故障，因此需要定期進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)的方法簡(jiǎn)單，定期在車廂的不同部位，特別是傳感器下方附近釋放少量汽油，觀察工作單元是否能夠及時(shí)檢測(cè)到并且發(fā)出報(bào)警與滅火控制信號(hào)。

圖5 中斷服務(wù)程序流程圖

6 測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)在模擬公交車車廂內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)試，打開(kāi)吸氣風(fēng)扇以后，在不同部位潑灑汽油，系統(tǒng)能夠在3 s之內(nèi)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)汽油并且1秒鐘之內(nèi)啟動(dòng)報(bào)警器，在發(fā)現(xiàn)濃煙或火焰2 s之內(nèi)啟動(dòng)火源所在位置的滅火器，在5 s內(nèi)撲滅火焰。當(dāng)汽油濃度比較低的時(shí)候，系統(tǒng)只顯示濃度數(shù)值提醒駕駛員去詢問(wèn)情況，不啟動(dòng)滅火器和破窗器。因此可以避免誤報(bào)警的情況。

7 該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)

（1）根據(jù)公交車上乘客非常擁擠的實(shí)際情況，采用多種新型傳感器一起工作，系統(tǒng)反應(yīng)速度快，并且避免了漏警、誤報(bào)和誤噴滅火劑的情況；

（2）采用無(wú)線傳輸模塊向主控臺(tái)傳輸汽油濃度數(shù)據(jù)，駕駛員可以根據(jù)數(shù)據(jù)及時(shí)排查是否有人攜帶易燃品的情況，便于排除虛警和及時(shí)停車疏散乘客。

（3）汽油傳感器與煙霧傳感器配備有一個(gè)吸氣風(fēng)扇，風(fēng)扇從車廂里抽取空氣送給傳感器，相比汽油等易燃?xì)怏w通過(guò)自然對(duì)流的方式擴(kuò)散到傳感器的位置，主動(dòng)吸氣方式提高了對(duì)氣體的反應(yīng)速度。對(duì)于每一秒鐘都意味著死亡或者逃生的滅火系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這樣的設(shè)計(jì)大大提高了發(fā)現(xiàn)火情的速度。

（4）系該統(tǒng)具有很大改進(jìn)潛力，如果采用可以自動(dòng)調(diào)整滅火器噴頭對(duì)準(zhǔn)火苗噴射的紅外線控制裝置，可以在更短時(shí)間內(nèi)撲滅火焰。

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Bus?m ounted fire alarm system based on MCU

LI Hua?yang
（Nanyang Normal University，Nanyang 473061，China）

A bus?mounted fire alarm system taking MCU Spce061A as its core is introduced in this article.The hydrocar?bon gas concentration sensor with high sensitivity and high reliability is adopted in the system to detect combustible gas.The combination of smoke sensor and flame sensor is used to detect fire signal.The data from hydrocarbon gas concentration sensor is sent to the control center in wireless transmission mode through MCU for observation and analysis of driver，which can avoid the false alarm caused by other factors.The system give out the alarm signal when the fire signal is detected by smoke sensor and flame sensor.At the same time，the window broker is started to break the window glasses and guide the passengers to get away from the bus，and the fire extinguisher is started up.The system has perfect function and fast reaction speed，can recog?nize fuel gas and put out the fire caused by gas.It has low false alarm rate and missing alarm，low hardware cost，high working reliability and long lifetime.The system’s maintenance and repair is convenient，and its expansion and upgrade are simple.The design can meet the urgent safety requirements of urban public transport system.

Spce061A；gas concentration sensor；smoke sensor；fire detection

TN919?34；TP36

A

1004?373X（2015）06?0074?04

2014?07?26

李華洋（1975—），男，河南南陽(yáng)人，講師，碩士。研究方向?yàn)榍度胧綉?yīng)用。