基于嵌入式系統(tǒng)的地鐵火災(zāi)監(jiān)控檢測系統(tǒng)

湯銳，韓磊，顧月兒，曹景鈺，張宇慧

（江蘇師范大學(xué)江蘇圣理工學(xué)院——中俄學(xué)院，江蘇徐州，221100）

0 引言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，地鐵出行成為了越來越多市民的首要選擇，地鐵不僅污染小、噪聲小，而且可以緩解地面的交通壓力，為人們的出行創(chuàng)造方便。然而，由于人流量較大，使得地鐵存在著一定的安全隱患，比如地鐵站機(jī)電設(shè)備密集，用電負(fù)荷大，容易引起電氣火災(zāi)。在現(xiàn)今很多地鐵都采用綜合監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控對(duì)象主要是行車和行車指揮、防災(zāi)和安全系統(tǒng)、乘客服務(wù)等其他內(nèi)容，采用兩級(jí)管理三層控制的分層分布式結(jié)構(gòu)。

本文主要討論設(shè)計(jì)關(guān)于電氣火災(zāi)的監(jiān)測系統(tǒng)，通過電氣火災(zāi)檢測系統(tǒng)可以有效地預(yù)防這一危險(xiǎn)的出現(xiàn)，本文采用的獨(dú)立式探測器安全性高，節(jié)能降耗，使用安全，并且結(jié)合嵌入式中監(jiān)控的特點(diǎn)和我國地鐵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，繪制出了一套電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要通過測溫式電氣火災(zāi)探測器對(duì)溫度進(jìn)行檢測，電氣火災(zāi)探測器主要由溫度轉(zhuǎn)換電路，差分比例放大電路，單限電壓比較器，聲光報(bào)警電路構(gòu)成，流程圖如圖1所示。

圖1

其中溫度轉(zhuǎn)換電路選用電橋這一電路，將溫度這一緩慢變化的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出；因?yàn)殡姌驕y試轉(zhuǎn)換溫度電信號(hào)為壓差信號(hào)，差分比例放大電路對(duì)這個(gè)轉(zhuǎn)換的壓差進(jìn)行放大處理；單限電壓比較器就是將這個(gè)壓差值，轉(zhuǎn)換為高低電平狀態(tài)的變化，當(dāng)輸入電壓超過所設(shè)定的閾值電壓之后，輸出電壓的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從低電平跳為高電平或從高電平跳為低電平；報(bào)警電路通過高低電平的變化，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管和蜂鳴器，使之工作。

之后由探測器與監(jiān)控分機(jī)構(gòu)成通信，各個(gè)分路的監(jiān)控分機(jī)匯報(bào)給監(jiān)控主機(jī)，數(shù)據(jù)傳輸總線傳遞信息，最后傳遞給車站服務(wù)器，地鐵工作人員采取措施?？傮w結(jié)構(gòu)流程如圖2所示。

圖2

其中測溫式電氣火災(zāi)探測器通過部署在各個(gè)場景的終端設(shè)備，通過測溫式火災(zāi)報(bào)警電路設(shè)備，發(fā)送信息；主機(jī)是地鐵監(jiān)控的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)視頻信號(hào)的放大與分配，圖像信號(hào)的矯正與補(bǔ)償，網(wǎng)絡(luò)控制，圖像的切換與記錄等等，在此文章中負(fù)責(zé)傳遞火情信息并分析情況；大屏負(fù)責(zé)視頻信號(hào)的放大與分配，圖像信號(hào)的矯正與補(bǔ)償，網(wǎng)絡(luò)控制，圖像的切換與記錄等等；數(shù)據(jù)傳輸總線是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，為各部分之間的通道連接；服務(wù)器把需要的信息存儲(chǔ)到一個(gè)固定的設(shè)備上，可供以后圖像的存儲(chǔ)、回放、服務(wù)、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

■1.2 溫度轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

溫度轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)為電橋由R1、R2、R3、Rw1及Rt組成，其中Rt為熱敏電阻，在multisim用可調(diào)變阻器代替，阻值與溫度成線性變化的關(guān)系，為穩(wěn)定Rt工作電流，達(dá)到穩(wěn)定溫度系數(shù)的目的，設(shè)置了穩(wěn)壓管。設(shè)置Rw1是為了平衡電橋，multisim電路設(shè)計(jì)溫度轉(zhuǎn)換電路圖3所示。

圖3 溫度轉(zhuǎn)換電路圖

電橋四個(gè)橋臂滿足關(guān)系式：

■1.3 差分比例放大電路設(shè)計(jì)

這個(gè)電路由741集成運(yùn)放構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路傳感器電壓信號(hào)的放大，在multisim仿真時(shí)選用了電壓差為4V的兩端輸入進(jìn)行仿真，通過在輸出兩端接一個(gè)萬用表來測量輸入輸出前后壓差的變化情況，可以通過調(diào)節(jié)電路中的三個(gè)電阻R3，Rw2，R1來理論調(diào)節(jié)壓差的變化倍數(shù)，電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 差分比例放大電路圖

其中輸入和輸出的關(guān)系式為：

■1.4 單限電壓比較器設(shè)計(jì)

該電路也由741集成運(yùn)放構(gòu)成，將差分比例放大電路兩路傳感器的電壓差轉(zhuǎn)換為高低電平狀態(tài)的變化，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路。閾值電壓可以通過調(diào)節(jié)R5，Rw4來改變輸入電壓的跳變值，當(dāng)輸入電壓達(dá)到電路所設(shè)計(jì)的閾值時(shí)，電平狀態(tài)發(fā)生變化，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 單限電壓比較器電路圖

閾值電壓Ut公式為：

■1.5 聲光報(bào)警電路

發(fā)光二極管的限流保護(hù)電阻取值范圍為200~510Ω；蜂鳴器采用200Hz，加入了單個(gè)三極管，以擴(kuò)大輸出負(fù)載電流，增強(qiáng)電路的負(fù)載能力，輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。聲光報(bào)警電路如圖6所示。

圖6 聲光報(bào)警電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于嵌入式系統(tǒng)是專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有系統(tǒng)內(nèi)核小，可裁剪性，強(qiáng)穩(wěn)定性，較長的生命周期等優(yōu)點(diǎn)，用于控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備，具有通信功能。同時(shí)，ARM匯編語言是面向機(jī)器的匯編語言，其針對(duì)性強(qiáng)，占用資源少，效率高等優(yōu)點(diǎn)很適合運(yùn)用于在此情況中。在此軟件設(shè)計(jì)中，由兩個(gè)程序流程構(gòu)成。

當(dāng)?shù)罔F內(nèi)出現(xiàn)異常，溫度升高時(shí)，測溫式電氣火災(zāi)探測器熱敏電阻會(huì)阻值發(fā)生變化，一旦超過正常值，通過上述介紹的硬件電路設(shè)計(jì)及其流程，蜂鳴器和二極管會(huì)報(bào)警，從而反饋給監(jiān)控分機(jī)，監(jiān)控分機(jī)通過數(shù)據(jù)總線傳遞給監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)通過分析情況，采取接收判斷后發(fā)射信息，一部分存入顯示屏中，一部分車站工作人員接收。具體流程如圖7、圖8所示。

圖7 主程序流程圖

圖8 子程序流程圖

3 結(jié)束語

基于嵌入式系統(tǒng)的地鐵火災(zāi)監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，可以很好地監(jiān)測地鐵內(nèi)存在的火災(zāi)安全隱患，在這個(gè)地鐵盛行的時(shí)代，可以被廣泛地應(yīng)用。同時(shí)，它還具有獨(dú)立性、保密性、安全性、互不影響、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測、節(jié)能降耗等特點(diǎn)，并且采用741集成運(yùn)放，熱敏電阻等，設(shè)計(jì)成本低，具有一定的價(jià)值。