火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 峰，王曉曉，曲曉光，王曉桐，王宇熙

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

?

火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 峰，王曉曉，曲曉光，王曉桐，王宇熙

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估試驗(yàn)臺(tái)用于對(duì)火災(zāi)探測(cè)器的綜合性能進(jìn)行定量評(píng)估，其中測(cè)控系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分。下位機(jī)對(duì)各種執(zhí)行器和傳感器進(jìn)行控制檢測(cè),從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試段和模擬段的溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)的測(cè)算控制，并進(jìn)行記錄處理。上位機(jī)與下位機(jī)實(shí)時(shí)通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄處理，并顯示各執(zhí)行器和傳感器的工作情況和試驗(yàn)平臺(tái)各個(gè)區(qū)段的環(huán)境數(shù)據(jù)。從實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，測(cè)控效果達(dá)到了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要求。

火災(zāi)探測(cè)器;性能評(píng)估試驗(yàn)臺(tái)；檢測(cè)控制；上位機(jī)；下位機(jī)

火災(zāi)探測(cè)器性能測(cè)試平臺(tái)是定量評(píng)估火災(zāi)探測(cè)器性能的試驗(yàn)閉環(huán)通道，是由一個(gè)環(huán)形的通道組成，由測(cè)控系統(tǒng)的上位機(jī)控制下位機(jī)協(xié)調(diào)各個(gè)執(zhí)行器和傳感器，并通過(guò)系統(tǒng)顯示器顯示實(shí)驗(yàn)通道測(cè)試段和模擬段環(huán)境狀況，并測(cè)試火災(zāi)探測(cè)器在火災(zāi)早期的模擬環(huán)境和典型干擾下的環(huán)境適應(yīng)性、抗干擾性能和火災(zāi)響應(yīng)性[1-2]。測(cè)控系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)的溫度、濕度、風(fēng)速的測(cè)量和控制，并對(duì)風(fēng)機(jī)、加熱器、加濕器等執(zhí)行器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)環(huán)境的精確模擬。其中系統(tǒng)軟件和硬件的集成和優(yōu)化測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

隨著火災(zāi)探測(cè)器的不斷升級(jí)優(yōu)化，火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)也需要進(jìn)行不斷的改進(jìn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)火災(zāi)探測(cè)器性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。然而，在已有的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)研究中都沒(méi)有考慮模擬環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)控制和檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和具體通信方式，只是大體描述試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備情況。本文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，對(duì)火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)，對(duì)上位機(jī)和下位機(jī)協(xié)調(diào)通信進(jìn)行了說(shuō)明研究，并最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)火災(zāi)探測(cè)器的定量評(píng)估。

1 火災(zāi)探測(cè)器評(píng)估試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為火災(zāi)探測(cè)器評(píng)估實(shí)驗(yàn)通道結(jié)構(gòu)示意圖，通風(fēng)管道內(nèi)部為0.4 m×0.4 m的矩形截面，管壁內(nèi)外均為不銹鋼板，鋼板之間填充硅酸鋁刺毯棉隔熱層。上、下管道側(cè)面均有可打開(kāi)的門(mén)，進(jìn)氣口和出氣口及其中間處均有可開(kāi)關(guān)的閥門(mén)。內(nèi)層尺寸為：1 m×0.5 m，外層尺寸為：1.8 m×1.3 m。測(cè)試段安裝有溫濕度傳感器和風(fēng)速傳感器，模擬段有軸流風(fēng)機(jī)、加濕器、加熱器等。軸流風(fēng)機(jī)采用風(fēng)量為360 CMH，功率為500 W的單相交流電容啟動(dòng)的風(fēng)機(jī)，滿足風(fēng)速調(diào)控范圍0.2～5 m/s；加熱器采用可提供0～100 ℃之間連續(xù)穩(wěn)定的溫度值的工業(yè)加熱棒，滿足溫度調(diào)控范圍≤90 ℃[3-4]。風(fēng)速傳感器靈敏度為0.1 m/s滿足風(fēng)速檢測(cè)精度的要求。系統(tǒng)主機(jī)為聯(lián)想計(jì)算機(jī)，上位機(jī)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)安裝后能夠采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并記錄、顯示。下位機(jī)采用Arduino Mega2560板，響應(yīng)上位機(jī)的命令，并檢測(cè)控制溫濕度等定量參數(shù)。

圖1 火災(zāi)探測(cè)器評(píng)估實(shí)驗(yàn)通道結(jié)構(gòu)示意圖

2 測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)

上位機(jī)應(yīng)用軟件需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，且記錄并顯示，并與下位機(jī)保持良好的通訊環(huán)境，保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的傳輸。其中軟件數(shù)據(jù)庫(kù)包括不同試驗(yàn)區(qū)段的試驗(yàn)日期、結(jié)果、溫濕度曲線等信息，人機(jī)界面友好，易于操作。

軟件采用Visual Basic編程，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Visual Basic程序自帶可視化數(shù)據(jù)庫(kù)管理器進(jìn)行編程。上位機(jī)通過(guò)名為Microsoft Communication Control(簡(jiǎn)稱MSComm)的通訊控件與下位機(jī)通訊，采用工業(yè)上的Modbus通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的良好通訊。數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)通過(guò)VB中的ADO控件連接訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)記錄更新。采樣實(shí)時(shí)曲線的繪制采用數(shù)據(jù)采集顯示用VB中的繪圖曲線line函數(shù)來(lái)繪制曲線。為試驗(yàn)者提供直觀，具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖2為應(yīng)用軟件的界面，圖3為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集顯示界面。

圖2 應(yīng)用軟件界面

3 測(cè)控系統(tǒng)下位機(jī)

下位機(jī)采用Arduino Mega2560板，Arduino Mega2560采用USB接口的核心電路板，它最大的特點(diǎn)就是具有多達(dá)54路數(shù)字輸入輸出，特別適合需要大量IO接口的設(shè)計(jì)。Mega2560的處理器核心是ATmega2560， 同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口(其中16路可作為PWM輸出)，16路模擬輸入，4路UART接口，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源 插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕[8]。圖4是下位機(jī)與執(zhí)行傳感器件連線圖。用兩個(gè)繼電器控制加熱器和加濕器的通斷來(lái)控制測(cè)試段的溫度和濕度，用變頻器

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集顯示窗口上半部 (a) 和 下半部(b)

控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。3個(gè)溫濕度傳感器分別檢測(cè)測(cè)試段和模擬段的溫濕度狀況。

3.1 傳感器的選型

3.1.1 溫濕度傳感器選型

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的環(huán)境要求和測(cè)控系統(tǒng)規(guī)劃，選擇SHT15溫濕度傳感器作為試驗(yàn)臺(tái)溫濕度的測(cè)量，SHT15是由多個(gè)傳感器模塊組成的單片全校準(zhǔn)數(shù)字輸出相對(duì)濕度和溫度的傳感器。采用了工業(yè)級(jí)的COMS技術(shù)，能夠正常工作在-40～123.8 ℃和0%～100%RH之間，滿足試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)溫濕度要求，有很高的可靠性和穩(wěn)定性。SHT15能夠通過(guò)I2C總線直接輸出數(shù)字量溫濕度值，引腳GND為接地端，DATA為雙向串行數(shù)據(jù)線，SCK為串行時(shí)鐘輸入，VDD為0.4～5.5 V電源端，能很方便地與Arduino Mega2560相連。

3.1.2 風(fēng)速傳感器的選型

試驗(yàn)臺(tái)對(duì)風(fēng)速測(cè)試的靈敏度要求較高，在0.2～5 m/s之間，選用JL-FS2 風(fēng)速傳感器，分辨率為0.1 m/s，工作溫度為-40～100 ℃，測(cè)量范圍為0～30 m/s，滿足試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量要求。采用防水航空插頭，能夠長(zhǎng)期適應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)火災(zāi)模擬環(huán)境。

3.2 執(zhí)行器的選型

繼電器采用SSR-40DA，為固態(tài)內(nèi)置光耦隔離的工業(yè)級(jí)固態(tài)繼電器，選擇高溫軸流風(fēng)機(jī)，性能優(yōu)良，耐高溫性能良好，效率高，能在300 ℃高溫條件下連續(xù)運(yùn)行100 min以上，100 ℃溫度條件下連續(xù)20 h不損壞；加熱器選擇工業(yè)級(jí)的防爆電加熱器，選擇2 000 W的電加熱器，滿足試驗(yàn)臺(tái)的空間溫度要求。加濕器選擇工業(yè)級(jí)JCSB超聲波加濕器，滿足試驗(yàn)臺(tái)的加濕要求；變頻器選擇AY AS01-4W 變頻器，能夠方便地通過(guò)PWM輸出來(lái)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.3 Arduino Mega2560的測(cè)控及控制箱的布線

繼電器接主板的5、6號(hào)口，通過(guò)模糊PID控制算法來(lái)控制溫濕度，繼而轉(zhuǎn)化為繼電器的通斷。3個(gè)溫濕度傳感器SHT15的數(shù)據(jù)端，分別接2、3、4口，時(shí)鐘端接21口，通過(guò)I2C總線讀取溫濕度傳感器的值，并與控制算法結(jié)合來(lái)控制試驗(yàn)臺(tái)的溫濕度精確模擬不同的火災(zāi)環(huán)境。風(fēng)速計(jì)接A4模擬端口，變頻器接端口7，通過(guò)檢測(cè)風(fēng)速，控制算法輸出精確的PWM，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)布線均使用抗干擾隔離線，以防止變頻器對(duì)傳感器信號(hào)的干擾。圖4是下位機(jī)與執(zhí)行傳感器件連線圖，圖5是Arduino Mega2560核心電路板端口圖。

圖4 下位機(jī)與執(zhí)行傳感器件連線圖

圖5 Arduino Mega2560核心電路板

4 結(jié)論

火災(zāi)報(bào)警器性能評(píng)估試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)包含了上位機(jī)以及下位機(jī)的測(cè)控設(shè)計(jì)，其中上位機(jī)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和下位機(jī)測(cè)控算法程序的編寫(xiě)是測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)選擇執(zhí)行器以及各個(gè)傳感器的型號(hào)，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)用測(cè)試，對(duì)于溫度的測(cè)控達(dá)到了≤90 ℃的應(yīng)用指標(biāo)，風(fēng)速達(dá)到0.2～5 m/s的測(cè)控要求，滿足火災(zāi)探測(cè)器性能評(píng)估試驗(yàn)的要求指標(biāo)。如圖6所示為本文試驗(yàn)臺(tái)，圖7為測(cè)控系統(tǒng)電控箱。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)

圖7 測(cè)控系統(tǒng)試驗(yàn)箱

[1]董文輝，王卓甫，梅志斌，等.火災(zāi)探測(cè)綜合評(píng)估試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)集成[J].建筑電器，2007，16(4)：36-38.

[2]蘭乾玉，陸愈實(shí)，楊瑞奇，等.復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器綜合性能評(píng)估試驗(yàn)臺(tái)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2015，34(1)：89-91.

[3]厲劍，董文輝，梅志斌，等.火災(zāi)探測(cè)器性能綜合評(píng)估算法研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，45(6)：883-887.

[4]Siebel R.A composite detection algorithm using signal rend information of TWO different sensors[J].Fire Safety Jounral,1991,17(6):519-534.

[5]Wang S,Dou Zheng.Exclusive trend detector with variable observation windows for signal detection[J].Electronics Letters,1997,33(17):1433-1435.

[6]Wang J M，Bi W T，Wei Q D.Effects of an inclined Rod on Circular Cylinder-Plate Junction Flow[J].Exp Fluids，2009，46(6)：1093-1104.

[7]Klose J.Analysis,synthesis and simulation of signals as a tool for the test of automatic fire detection systems[J].Fire Safety Journal，1991，17(6)：499-518.

[8]程晨.Arduino開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南1版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012:2.

[9]謝啟源，袁宏永，郭慧亮.感煙火災(zāi)探測(cè)器的評(píng)測(cè)與比較[C].中國(guó)消防協(xié)會(huì).2003火災(zāi)科學(xué)與消防工程國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2003:351-354.

[10]謝啟源，袁宏永， 郭慧亮.廚房油煙引起感煙火災(zāi)探測(cè)器誤報(bào)實(shí)驗(yàn)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2003,22(6):504- 506.

[11]Ulrich Muller,O liver Linden,Ingo lf Willms,et al.Test duct for multi sensor fire detectors[C].Proceeding of AUBE 04’.Duisburg,Germany,2004.

[12]Thomas C,Michelle D and William G.The fire emulator /detector evaluator:design,operation,and performance[C].Proceedings of AUBE01’.Gaithersburg U.S.A,2001

[13]Gross handler W L.Towards the development of a universal fire emulator/detector evaluator[C].Proceeding of AUBE 95’.Duisburg,Germany,1995

[14]Cleay T,Grosshandler W,Chernovsky A.Smoke detector response to nuisance aero so ls[C].Proceeding of AUBE 99’.Duisburg,Germany,1999

[15]武林，樓恩平，侯冬晴，等.基于 PID 算法的無(wú)線溫濕度控制系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006，6：619-620

(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉敬鈺)

Design of measure-control system for the performance evaluation tester of fire detectors

LIN Feng，WANG Xiao-xiao，QU Xiao-guang，WANG Xiao-tong,WANG Yu-xi

(College of Automation,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The performance evaluation tester of fire detectors is a testing platform which is used to conduct quantitative evaluation on the comprehensive performance of fire detectors.The measure-control system includes two parts,the upper computer and subordinate computer.The latter controls and checks various actuators and sensors,realizing the test and control for such parameters as temperature,humidity and wind speed of test section and simulation section of test stand,and makes data processing.The real-time communication between upper computer and subordinate computer achieves data processing and displays working situations of actuators and sensors,as well as the environmental data of the tester.The human-computer interaction is realized,and the measure-control effect meets the requirements of the experimental platform.

fire detectors;performance evaluation tester;detection and control;upper computer;subordinate computer

2015-04-20

林峰(1966-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，教授，主要研究方向:控制理論與控制工程， E-mail:lfshenyang163@163.com。

2095-1248(2015)04-0078-05

TP274

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.04.013