氣體傳感器在消防網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

岳浩

【摘要】文章首先闡釋了氣體傳感器在消防網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)計(jì)方式，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)層次的劃分進(jìn)行論述。其次重點(diǎn)介紹傳感器的模塊組成與功能實(shí)現(xiàn)原理，以框圖的形式進(jìn)行解釋。最后檢驗(yàn)介紹系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法，可做出消防網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作的參考依據(jù)，為建筑物使用階段提供安全保障。

【關(guān)鍵詞】氣體傳感器；消防網(wǎng)絡(luò)；傳感技術(shù)

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)圖1可知，消防網(wǎng)絡(luò)由三部分組成，首先是總控制機(jī)房，對(duì)管轄區(qū)域內(nèi)的消防設(shè)施以及隱患情況進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)隱情會(huì)向網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備發(fā)出滅火指令?？偪貦C(jī)房后線路會(huì)進(jìn)入到各商場(chǎng)或居民建筑的中層主機(jī)中。最后便是傳感器設(shè)備，當(dāng)火災(zāi)險(xiǎn)情發(fā)生后，傳感器最先感受到煙霧信息，并將這一情況反饋中層主機(jī)。是以信號(hào)的形式進(jìn)行傳播的，傳感器中包含編碼模塊，將感應(yīng)到的信息以電磁變化傳入編碼器中，編寫(xiě)后的信號(hào)會(huì)快速傳播到總控制中心。對(duì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)將總網(wǎng)絡(luò)劃分為A、B、C三個(gè)層次，C是最先接觸到煙霧氣體的，但并不具備管理功能，A與B對(duì)險(xiǎn)情進(jìn)行控制，并發(fā)出管理指令。C層為氣體傳感器，有若干個(gè)傳感器掛在同一根數(shù)據(jù)總線上，每個(gè)傳感器有1個(gè)編碼，當(dāng)有危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，傳感器會(huì)立即通知B層管理監(jiān)控主機(jī)，主站人員能在幾秒鐘內(nèi)完成防護(hù)措施。同樣A層消防單位主機(jī)也得到報(bào)警，隨時(shí)做出相應(yīng)的消防準(zhǔn)備。A層的主要工作是對(duì)B層網(wǎng)絡(luò)的集中管理，并提供有關(guān)消防的數(shù)據(jù)。

二、傳感器電路組成與工作原理

圖2是對(duì)氣體傳感器功能的概述。分析組成模塊，可以發(fā)現(xiàn)傳感器工作需要電源，基礎(chǔ)部分由氣體敏感元件組成，感知到煙霧氣體后會(huì)流經(jīng)電流會(huì)發(fā)生變化，傳感器中的編碼模塊捕捉這一現(xiàn)象后將有用功放大，并轉(zhuǎn)化成控制系統(tǒng)可以接受的信號(hào)形式。在單片機(jī)中事先設(shè)定好傳感功能的程序，信號(hào)進(jìn)入后可自動(dòng)分析運(yùn)算，并快速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，為救援工作爭(zhēng)取更多時(shí)間。單片機(jī)模塊會(huì)與存儲(chǔ)器相連接，以保障信息安全。最后是通訊模塊，將捕捉到的煙霧信息以電磁信號(hào)的形式傳輸?shù)娇刂浦行?，傳感任?wù)可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，全過(guò)程由自動(dòng)化系統(tǒng)控制，并不需要人員參與。當(dāng)確定有火災(zāi)隱患存在時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，方便消防人員對(duì)火勢(shì)進(jìn)行控制。電源向各功能模塊供電，并向傳感器前置電路和A/D轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)電壓源。氣體敏感元件將監(jiān)測(cè)到的氣體濃度信號(hào)傳送給前置電路進(jìn)行調(diào)整放大，放大后的信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由MCU單片機(jī)計(jì)算、判斷、處理，其結(jié)果由通訊模塊送到串行數(shù)據(jù)總線上。存儲(chǔ)器除用來(lái)存儲(chǔ)程序外，還存儲(chǔ)傳感器的地址信息。傳感器中的氣體敏感元件需要穩(wěn)壓電源提供216V/80mA的電流，這是由運(yùn)放LM358的一部分驅(qū)動(dòng)三極管9013提供的。另一個(gè)運(yùn)放LM358用在后面的電壓放大中，穩(wěn)壓電源的參考電壓由LM285基準(zhǔn)穩(wěn)壓二極管提供，調(diào)整P1可以得到所需電壓，氣體敏感元件的輸出電壓通過(guò)運(yùn)放LM358放大調(diào)整，送到TLC1549的10位串行數(shù)據(jù)輸出A/D轉(zhuǎn)換器，它的工作電流<1mA。X2045監(jiān)控串行E2PROM，除了內(nèi)含512@8位的EPROM外，還包含一個(gè)可編程的WATCHDOG和電源電壓監(jiān)視器，用來(lái)監(jiān)視微控制器AT89C2051的工作狀態(tài)。AT89C2051內(nèi)部含有2K的FLASHROM作為程序存儲(chǔ)器，在6MHz時(shí)鐘頻率下，其工作電流<10mA。通信電路是RS485，它的靜態(tài)工作電流<20mA，LM285提供穩(wěn)定度極高的215V基準(zhǔn)電壓，同時(shí)提供給LM358預(yù)穩(wěn)壓值，以使LM358和TLC1549A/D轉(zhuǎn)換器作為電壓基準(zhǔn)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

氣體傳感器是由程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的，軟件設(shè)計(jì)自然成為消防網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的重點(diǎn)內(nèi)容?？晒┏绦蚓帉?xiě)設(shè)計(jì)的模塊由單片機(jī)組成，但感知延誤氣體的存在并不是傳感器的全部功能，還能夠?qū)⒃O(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)變化記錄在其中，一旦出現(xiàn)異常系統(tǒng)會(huì)迅速捕捉到，并顯示在液晶屏幕中。技術(shù)人員在對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)時(shí)，會(huì)察覺(jué)到這一異常，對(duì)設(shè)備零件進(jìn)行維修或者更換。該裝置無(wú)任何可調(diào)元件，全部裝在體積很小的殼體內(nèi)。RS485是傳感器與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的惟一途徑，通過(guò)RS485氣體傳感器可以完成3種功能：1）測(cè)量上、下限校驗(yàn)；2）網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)定；3）測(cè)量數(shù)據(jù)傳送。根據(jù)以上要求，可定義用于傳感器的通信協(xié)議，其組成結(jié)構(gòu)如下：

對(duì)建筑物消防安全進(jìn)行檢查時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)沿著控制流程的反方向傳輸至總控中心，到達(dá)任何一部分系統(tǒng)時(shí)，控制功能會(huì)展現(xiàn)出來(lái)，第一時(shí)間對(duì)火情做出控制，減少火災(zāi)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡。在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器始終處于從處理器的位置，其通信協(xié)議中開(kāi)始位表示每一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，傳感器的工作方式由它定義。通信協(xié)議第3位是測(cè)量數(shù)據(jù)的單位，它表示環(huán)境中被測(cè)氣體濃度。0X00表示主機(jī)請(qǐng)求測(cè)量數(shù)據(jù)，0XFF表示傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)，0XC5表示設(shè)定地址，0XA3表示下限設(shè)定，0X3A表示上限設(shè)定。通信協(xié)議位分別表示傳感器的地址、測(cè)量或校準(zhǔn)、校驗(yàn)的結(jié)束位，其中用校驗(yàn)的一幀數(shù)據(jù)前5位的累計(jì)和來(lái)判斷通訊數(shù)據(jù)是否正確，檢測(cè)結(jié)果任何時(shí)候都是0XFF。當(dāng)需要對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)定時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)氣體環(huán)境配合下，用上位機(jī)運(yùn)行專用設(shè)定校驗(yàn)程序，當(dāng)傳感器接到上位機(jī)請(qǐng)求測(cè)量命令后，向上位機(jī)發(fā)出一幀包含傳感器地址、測(cè)量數(shù)據(jù)單位校驗(yàn)和結(jié)束位的信息。傳感器數(shù)據(jù)交互過(guò)程軟件流程如圖3所示。為方便傳感器和不同類(lèi)型的上位機(jī)連接，AT89C2051串行口無(wú)奇偶校驗(yàn)位的串行通訊波特率設(shè)置為2400bit。

四、測(cè)試結(jié)果

傳感器的氣體敏感元件采用（QM）N5半導(dǎo)體元件，測(cè)試電路如圖4所示。氣體敏感元件需由穩(wěn)壓電源提供1個(gè)5V/80mA的電流，在正?？諝猸h(huán)境下，A，B兩極間導(dǎo)電率很低，阻抗值為兆歐級(jí)，B點(diǎn)輸出電壓接近0。在測(cè)試環(huán)境中，一旦氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定程度，氣體敏感元件A，B兩極間電阻會(huì)迅速下降到數(shù)百歐。根據(jù)氣敏元件以上特點(diǎn)，把（QM）N5半導(dǎo)體氣敏元件分別放在不同體積分?jǐn)?shù)的氣體中（氣體體積分?jǐn)?shù)誤差值忽略不計(jì)），氣敏元件處于正常工作狀態(tài)，可以得到氣體體積分?jǐn)?shù)與氣敏元件電阻變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即氣體敏感元件對(duì)氣體靈敏度特性，如圖5所示。

從圖5可以看出，正?？諝庵袣饷粼姌O間處于高阻狀態(tài)，當(dāng)氣體敏感元件工作于達(dá)一定體積分?jǐn)?shù)的有害氣體中時(shí)，氣體敏感元件電極間阻值迅速下降，穩(wěn)定在100～80歐左右，輸出電壓為500mV。氣體傳感器的氣體敏感元件電極間輸出電壓通過(guò)運(yùn)放LM358放大調(diào)整，送到TLC1549的10位串行數(shù)據(jù)輸出A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)傳感器接到上位機(jī)請(qǐng)求測(cè)試命令后，向上位機(jī)發(fā)出一幀包含傳感器地址、測(cè)量數(shù)據(jù)、單位校驗(yàn)和結(jié)束位的信息。

小結(jié)：通過(guò)文章對(duì)消防網(wǎng)絡(luò)中傳感器技術(shù)的解釋，我們可以明確在氣體傳感器消防網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，上位機(jī)運(yùn)行專用的校驗(yàn)程序，主機(jī)節(jié)拍式發(fā)出測(cè)試命令，氣體傳感器運(yùn)行于環(huán)境空氣中。當(dāng)空氣中的有害氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定程度時(shí)，傳感器能及時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使網(wǎng)絡(luò)A，B層能及時(shí)收到相關(guān)信息，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生。如換用瓦斯敏感元件，可運(yùn)行于煤礦中，進(jìn)行井下瓦斯的監(jiān)測(cè)與報(bào)警，有很好的推廣價(jià)值。

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