基于多傳感器信息融合的無線火災(zāi)定位報(bào)警系統(tǒng)

侯向鋒,毛　涌,陳禮源,周　路,周兆豐

(湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石　435002)

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基于多傳感器信息融合的無線火災(zāi)定位報(bào)警系統(tǒng)

侯向鋒,毛涌,陳禮源,周路,周兆豐

(湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石435002)

摘要：利用短距離無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)分布式火災(zāi)定位和報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由控制模塊、探測模塊、無線通訊模塊和報(bào)警模塊組成。分布在不同區(qū)域的探測模塊采用多傳感器對火災(zāi)信息進(jìn)行探測，根據(jù)Neyman-Pearon準(zhǔn)則對多傳感器的信息進(jìn)行融合。當(dāng)判斷有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，探測模塊通過nRF24L01+把火災(zāi)信息發(fā)送給控制模塊，以蜂鳴器鳴叫和液晶屏顯示兩種方式提醒人們火災(zāi)發(fā)生。同時(shí)該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)利用GSM模塊向控制中心或消防部門報(bào)警并告知火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)性能可靠，無需布線，適用于各種公共場所的火災(zāi)監(jiān)測和定位。

關(guān)鍵詞：定位；火災(zāi)報(bào)警；無線傳輸；多傳感器信息融合；單片機(jī)；GSM

隨著我國現(xiàn)代建筑的增多，人口密集程度大大增加，火災(zāi)隱患及其帶來的災(zāi)害也越來越嚴(yán)重。因此，社會對火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的需求也越來越高[1～2]。傳統(tǒng)的有線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，探測器多采用兩條或多條銅芯絕緣導(dǎo)線與控制器相連，系統(tǒng)耗材多，布線復(fù)雜，線路易老化，維護(hù)困難，已不能滿足現(xiàn)代消防要求[3～4]。于是，無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，廣泛應(yīng)用于賓館、酒店、商鋪、倉儲、圖書館、人才交流市場、零批市場等公共場所。傳統(tǒng)的無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)有的采用單一的傳感器來采集環(huán)境火災(zāi)信息，導(dǎo)致報(bào)警系統(tǒng)有較高的漏報(bào)和誤報(bào)情況，只能根據(jù)場所可能發(fā)生火災(zāi)的類型來選用傳感器[5～6]。有的無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)雖然采用了多種傳感器來采集環(huán)境火災(zāi)信息，但是最終的決策由每種傳感器判決結(jié)果的“與”或者“或”來得到，通常較難同時(shí)滿足低漏警率和低誤報(bào)率[6～7]。有些無線火災(zāi)報(bào)警器，僅有火災(zāi)報(bào)警功能，沒有火災(zāi)定位功能，不能對火災(zāi)蔓延情況進(jìn)行監(jiān)控[8]。

本文提出了一種基于無線模塊nRF24L01+的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、溫度傳感器三類傳感器檢測環(huán)境的火災(zāi)信息，根據(jù)Neyman-Pearon準(zhǔn)則[9]對三類傳感器的信息進(jìn)行融合，有效提高火災(zāi)報(bào)警器的可靠性和準(zhǔn)確率。該系統(tǒng)還利用GSM模塊將火災(zāi)發(fā)生位置在發(fā)送給控制中心或消防部門，使其及時(shí)地獲得火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，有效地指導(dǎo)火災(zāi)搶救工作。

1系統(tǒng)總體方案

根據(jù)公共場合的實(shí)際情況，本文設(shè)計(jì)的無線火災(zāi)定位報(bào)警系統(tǒng)主要由四大模塊組成，分別為由多傳感器組成的探測模塊、抗干擾能力強(qiáng)的nRF24L01+無線通訊模塊、以單片機(jī)STC89C52RC為核心的控制模塊和報(bào)警模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

n個(gè)探測模塊分別分布在n個(gè)不同的監(jiān)測區(qū)域[10]。每個(gè)探測模塊對多個(gè)傳感器探測到信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合[11～13]。當(dāng)某探測模塊判斷所處區(qū)域有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，就通過無線通訊模塊將火災(zāi)信息發(fā)送到控制模塊。控制模塊將發(fā)送過來的信息處理后，通過報(bào)警模塊提醒人們該區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，同時(shí)報(bào)警模塊以短信的形式將火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)發(fā)送給控制中心或消防部門，讓他們盡快地得到火災(zāi)信息以便及時(shí)地采取措施。

圖1　系統(tǒng)框圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1探測模塊

探測模塊主要由傳感器、單片機(jī)和蜂鳴器組成，其框圖如圖2所示。探測模塊中的傳感器由火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器MQ_9和溫度傳感器DS18B20組成。這三類傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測所處環(huán)境的火焰、煙霧和溫度的情況。探測模塊中的單片機(jī)以Neyman-Pearon準(zhǔn)則對三類傳感器檢測的火災(zāi)信息進(jìn)行融合，進(jìn)而判斷探測模塊所處區(qū)域是否有火災(zāi)發(fā)生。如果判斷該區(qū)域有火災(zāi)發(fā)生，則探測模塊中的蜂鳴器鳴叫，提醒人們有火災(zāi)發(fā)生，并通過無線通訊模塊將火災(zāi)信息傳遞給控制模塊。

圖2　探測模塊框圖

2.1.1火焰?zhèn)鞲衅?火焰?zhèn)鞲衅骺梢詸z測波長在760nm至1100nm范圍內(nèi)的光源。當(dāng)特制的紅外線接收管接收到火焰信號時(shí)，就把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為電壓信號。火焰的亮度越大，其輸出的電壓值越大。電壓比較器將紅外線接收管輸出的電壓與閾值電壓進(jìn)行比較。當(dāng)該電壓高于閾值電壓時(shí)，比較器輸出為低電平，紅色的LED燈閃爍，提醒該探測模塊所處區(qū)域有火焰產(chǎn)生。當(dāng)該電壓低于閾值電壓時(shí)，比較器保持高電平。單片機(jī)處理比較器的輸出電平，再結(jié)合煙霧傳感器和溫度傳感器的檢測結(jié)果，通過多信息融合技術(shù)進(jìn)行處理，判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。

2.1.2煙霧傳感器MQ_9 煙霧傳感器MQ_9對CO氣體、煤氣、液化石油氣體、天然氣具有很高的靈敏度和良好的選擇性?？諝庵袩熿F的濃度越高，MQ_9輸出的電壓值也越高。MQ_9、可調(diào)變阻器R6和運(yùn)算放大器等組成電壓比較電路，電路圖如圖3所示。通過調(diào)整R6的電阻比值來設(shè)定比較器的閾值電壓，MQ_9的輸出電壓與R6處設(shè)定的閾值電壓進(jìn)行比較。若MQ_9的輸出電壓高于設(shè)定的閾值電壓，運(yùn)算放大器就輸出低電平，同時(shí)綠色LED燈亮閃爍，提示探測模塊所處區(qū)域的煙霧濃度高于設(shè)定值，否則運(yùn)算放大器輸出高電平，LED燈不亮。

圖3　煙霧傳感器-MQ_9的測量電路

2.1.3溫度傳感器DS18B20溫度傳感器DS18B20[14]具有高精度、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，并且感測的溫度以單線數(shù)字方式輸出，體積小，抗干擾能力強(qiáng)，適用于火災(zāi)探測系統(tǒng)。DS18B20檢測探測模塊所處區(qū)域的環(huán)境溫度，然后由探測模塊的單片機(jī)對該信號進(jìn)行處理。當(dāng)探測端單片機(jī)接收到的溫度高于設(shè)定的閾值溫度時(shí)，藍(lán)色LED燈閃爍提醒該地區(qū)的人們該地區(qū)溫度過高，讓人們采取相應(yīng)的措施。

2.2無線通訊模塊

無線火災(zāi)定位報(bào)警系統(tǒng)的核心就是nRF24L01+[15]，其無線芯片采用挪威NORDIC公司的nRF24L01+芯片。nRF24L01+是一款高速低功耗集收發(fā)于一體的半雙工芯片，支持250kbps、1Mbps和2Mbps的空中數(shù)據(jù)傳輸速率，工作在2.4GHz至2.5GHz全球通用的ISM頻段，最大0dBm發(fā)射功率。由于其低功耗的設(shè)計(jì)，使得發(fā)射距離受到限制，在發(fā)射端利用PA(功率放大器)電路將nRF24L01+最大0dBm 的輸出功率放大到+22dBm左右，同時(shí)在接收端利用LNA(低噪聲放大器)電路增加nRF24L01+ 無線模塊的通訊距離，在空曠環(huán)境下最高可增加到2km.

nRF24L01+設(shè)置為接收模式時(shí)可以接收n路不同地址的數(shù)據(jù)，但其共用相同的頻道。每一個(gè)數(shù)據(jù)通道擁有單獨(dú)的地址，并且數(shù)據(jù)通道通過寄存器EN_RXADDR來分別配置，其地址通過寄存器RX_ADDR_Px來配置，通常情況下不允許不同數(shù)據(jù)通道設(shè)置相同的地址。無線通訊模塊框圖如圖4所示，當(dāng)n個(gè)不同的nRF24L01+設(shè)置為發(fā)送模式后可以與同一個(gè)設(shè)置為接收模式的nRF24L01+進(jìn)行通訊，而設(shè)置為接收模式的nRF24L01+可以對這n個(gè)發(fā)送端進(jìn)行地址識別。接收端的nRF24L01+通過對地址的識別來判斷該信息是哪個(gè)被監(jiān)控區(qū)域的探測模塊發(fā)送的，從而可以確定火災(zāi)發(fā)生的位置。

圖4　無線通訊模塊

2.3控制模塊

控制模塊主要由單片機(jī)組成。當(dāng)接收端的nRF24L01+接收到發(fā)送端發(fā)送的信息時(shí)，控制模塊的單片機(jī)將該信息進(jìn)行處理，判斷是否發(fā)生火災(zāi)。若判定火災(zāi)發(fā)生了，就進(jìn)一步確定火災(zāi)發(fā)生的位置，最后將火災(zāi)信息傳送給報(bào)警模塊。

2.4報(bào)警模塊

2.4.1蜂鳴器、液晶屏報(bào)警電路蜂鳴器、液晶屏報(bào)警電路如圖5所示。當(dāng)接收端的nRF24L01+接收到發(fā)送端發(fā)送的火災(zāi)信息時(shí)，控制模塊的單片機(jī)將nRF24L01+發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為探測模塊所處區(qū)域的地址并傳送給液晶屏顯示，同時(shí)蜂鳴器鳴叫，提醒人們該區(qū)域發(fā)生火災(zāi)。當(dāng)沒有火災(zāi)發(fā)生時(shí)液晶屏顯示"all is ok"，蜂鳴器不鳴叫。

2.4.2GSM通信電路GSM網(wǎng)絡(luò)無死角和盲區(qū)，并且GSM性能穩(wěn)定、頻點(diǎn)高、抗干擾能力強(qiáng)，即便遇到惡劣天氣，也幾乎沒有影響。其打電話、發(fā)短信費(fèi)用便宜，網(wǎng)絡(luò)有專人管理、維護(hù)，是性價(jià)比較高的遠(yuǎn)程信息傳輸方式。GSM通信電路框圖[16]如圖6所示。該電路以西門子的TC35模塊為核心。TC35模塊是一款雙頻的GSM通信模塊，易于集成，廣泛地應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)控、無線公話以及無線POS終端等領(lǐng)域。

當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，控制端單片機(jī)將火災(zāi)信息傳送給GSM通信電路，然后該電路以短信的方式將火災(zāi)信息傳送給管理中心或消防部門。

圖5　蜂鳴器、液晶屏報(bào)警電路

圖6　GSM通信電路框圖

3軟件設(shè)計(jì)

3.1多傳感器信息融合

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)采用的三類傳感器對不同的火災(zāi)現(xiàn)象有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。如煙霧傳感器MQ_9靈敏度高，但是容易產(chǎn)生誤報(bào)；火焰?zhèn)鞲衅黜憫?yīng)快，但對萌燃無反應(yīng)，漏報(bào)率較高；溫度傳感器DS18B20可靠性高，但反應(yīng)慢。根據(jù)三類傳感器的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用多傳感器信息融合技術(shù)進(jìn)行智能處理，較好地利用各類傳感器的優(yōu)點(diǎn)，減少火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的誤報(bào)率，提高系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)典推理技術(shù)中的Neyman-Pearson準(zhǔn)則融合三類傳感器檢測到的信息[11]。用ui(i表示不同傳感器，i=1,2,3)表示局部決策，即各類傳感器檢測到的信號，ui=+1(發(fā)生火災(zāi))，ui= -1(不發(fā)生火災(zāi))。u為整體決策，即最后火災(zāi)是否發(fā)生，其中u=a1×u1+a2×u2+a3×u3，當(dāng)ui=1時(shí)，ai=log(PDi/PFi), 當(dāng)ui= -1時(shí)，ai=log[(1-PFi)/(1-PDi)]，PDi，PFi由不同傳感器的特點(diǎn)而定。最終判斷整體決策u與logt(t為閾值)的關(guān)系，若u>logt則認(rèn)為發(fā)生火災(zāi)，否則就判斷為沒有發(fā)生火災(zāi)。

3.2探測模塊軟件設(shè)計(jì)

探測模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。探測模塊的單片機(jī)對nRF24L01+以及串口進(jìn)行初始化之后，將火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器和溫度傳感器傳送的火災(zāi)信息進(jìn)行融合，以減少誤報(bào)和漏報(bào)的情況。如果火災(zāi)發(fā)生，探測模塊的單片機(jī)將該信息傳送給發(fā)送端的nRF24L01+，發(fā)送端的nRF24L01+再將該信息發(fā)送給接收端的nRF24L01+；如果沒發(fā)生火災(zāi)則探測模塊繼續(xù)監(jiān)測環(huán)境信息。

圖7　探測模塊流程圖

3.3報(bào)警模塊軟件設(shè)計(jì)

報(bào)警模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。控制模塊的單片機(jī)對接收端的nRF24L01+以及串口進(jìn)行初始化之后，接收端的nRF24L01+分時(shí)段接收n個(gè)收發(fā)送端的nRF24L01+發(fā)送的被監(jiān)測區(qū)域的火災(zāi)信息，然后判斷被監(jiān)測區(qū)域是否有火災(zāi)發(fā)生。如果判斷某個(gè)區(qū)域有火災(zāi)發(fā)生，報(bào)警模塊的蜂鳴器鳴叫提醒人們。同時(shí)控制模塊的單片機(jī)將進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，判斷是哪個(gè)區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，并通過液晶屏顯示火災(zāi)發(fā)生位置。最后，報(bào)警模塊利用GSM模塊將火災(zāi)位置等信息發(fā)送到管理中心或消防部門；如果n個(gè)被監(jiān)測區(qū)域均無火災(zāi)發(fā)生則等待接收下次數(shù)據(jù)。

4測試結(jié)果

當(dāng)探測模塊探測到火災(zāi)信號并判斷發(fā)生火災(zāi)時(shí)，探測模塊中的蜂鳴器鳴叫，控制中心的液晶屏顯示火災(zāi)發(fā)生的位置。與此同時(shí)，GSM模塊發(fā)送火災(zāi)信息給指定的控制中心或消防部門的手機(jī)。圖9為測試時(shí)某次發(fā)生火災(zāi)時(shí)的報(bào)警效果。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)誤報(bào)率低，監(jiān)測區(qū)域廣，無需架設(shè)線路，使用方便可靠。

5結(jié)論

基于nRF24L01+的分布式火災(zāi)定位報(bào)警系統(tǒng)采用多傳感器探測火災(zāi)信息，利用多傳感器信息融合技術(shù)判斷是否發(fā)生火災(zāi)。該系統(tǒng)解決了有線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)布線復(fù)雜、靈活性差的問題，克服了依靠單個(gè)傳感器的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)靈敏度低、可靠性差的難題，增添了火災(zāi)定位的功能。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，該系統(tǒng)不僅通過蜂鳴器提醒人們，而且借助于液晶屏顯示火災(zāi)發(fā)生的位置，還利用GSM通信模塊將火災(zāi)位置等信息傳送給控制中心或消防部門?？傊撓到y(tǒng)靈敏度高，誤報(bào)率低，安裝方便，工作穩(wěn)定可靠，適用于各種公共場所的火災(zāi)監(jiān)控。

圖8　報(bào)警模塊流程圖

圖9　測試結(jié)果

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The wireless fire alarm and positioning system based on multi-sensor information fusion

HOU Xiang-feng, MAO Yong, CHEN Li-yuan, ZHOU Lu,ZHOU Zhao-feng

(College of Physics and Electronic Science,Hubei Normal University,Huangshi435002,China)

Abstract:A distributed fire positioning and alarm system was designed using the short-range wireless communication technology. The system mainly consisted of control module, detection module, wireless communication module and alarm module. The detection module distributed in different regions detected fire information making use of multi-sensor, and fused the multi-sensor information according to the Neyman-Pearon criterion. When the detection module judged that a fire had occurred, it sent the fire information to the control module through the nRF24L01+。And people were reminded of the fire by the buzzer beep and the LCD displaying. At the same time, the fire alarm system carried out the alarm and informed the control center or the fire department of the fire location using the GSM module. The experiment confirmed that the system was reliable and needed no wiring. The system designed was suitable for the fire monitoring and positioning of various public places.

Key words:positioning; fire alarm; wireless communication; multi-sensor information fusion; MCU; GSM

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2016.01.007

中圖分類號：TN98

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-2714(2016)01- 0034- 07

作者簡介:侯向鋒(1980—),女,河南濮陽人，講師，主要從事智能信息與模式識別、傳感技術(shù)及應(yīng)用等方面的研究.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(61302046)湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(B2015136);湖北省高等學(xué)校2014年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201413256004);湖北師范學(xué)院校級教研項(xiàng)目(XJYB201446)

收稿日期：2015—09—21