博物館內(nèi)火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)

劉速

摘 要： 目前大多數(shù)火災(zāi)煙霧報(bào)警器都是由火災(zāi)煙霧傳感器和火災(zāi)煙霧探測(cè)芯片組成，煙霧探測(cè)芯片通過對(duì)接收到的傳感器信號(hào)進(jìn)行處理分析，從而判定是否有火災(zāi)發(fā)生，這種方法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但反應(yīng)慢，存在誤報(bào)和漏報(bào)等問題。為此提出一種單片機(jī)的火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)方法。首先，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)CO濃度、煙霧濃度以及溫度變化的傳感器，用A/D轉(zhuǎn)換電路將傳感器檢測(cè)信息轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可處理的數(shù)字信號(hào)，通過ZigBee無線通信技術(shù)將單片機(jī)處理過的信號(hào)傳輸?shù)交馂?zāi)煙霧報(bào)警器控制服務(wù)器模塊，完成博物館內(nèi)火災(zāi)煙霧報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)。利用連續(xù)概率模型對(duì)采集獲得的溫度、煙霧和CO濃度信息進(jìn)行分析處理，由此完成博物館內(nèi)火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)，提高火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，所提方法能夠有效提高報(bào)警器報(bào)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，能夠快速地反應(yīng)整個(gè)火災(zāi)概率過程，并給出預(yù)警、報(bào)警信號(hào)，符合博物館的使用條件，具有良好的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 檢測(cè)模塊； 火災(zāi)煙霧報(bào)警器； ZigBee； 濃度傳感器

中圖分類號(hào)： TN02?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）23?0104?05

Abstract： Most of the fire smoke alarms are composed of fire smoke sensor and fire smoke detection chip. The smoke detection chip can judge whether the fire happens by means of the processing analysis for the received sensor signals. This method has simple structure but slow response speed， and has the problems of false alarm and missing alarm. Therefore， a design method of the fire smoke alarm based on SCM is proposed. With the method， the sensor is designed to monitor the CO concentration， smoke concentration and temperature variation； the A/D conversion circuit is used to convert the information detected by the sensor into the digital signal which can be processed by SCM； the processed signal is transmitted to the control service module of the fire smoke alarm by means of the ZigBee wireless communication technology to accomplish the hardware design of the fire smoke alarm for museum. The continuous probability model is adopted to analyze the acquired temperature， smoke and CO concentration information to realize the design of the fire smoke alarm for museum. The fire smoke alarm can improve the accuracy and timeliness of fire alarm. The simulation results show that the method can improve the accuracy and timeliness of the alarm effectively， respond to the whole fire probability process quickly， give the early warning and warning signal， conform to the service condition of the museum， and has high use value.

Keywords： detection module； fire smoke alarm； ZigBee； concentration sensor

0 引 言

隨著博物館用電量的增加，博物館火災(zāi)發(fā)生的頻率越來越高[1]。博物館火災(zāi)一旦發(fā)生，很容易出現(xiàn)火速蔓延快，撲救不及時(shí)，在場(chǎng)人驚慌失措、逃生遲緩等情況，最終造成大量的損失[2?3]?；馂?zāi)煙霧報(bào)警器對(duì)博物館預(yù)防火災(zāi)、減少火災(zāi)損失具有現(xiàn)實(shí)意義。本文提出一種基于光電感應(yīng)的火災(zāi)煙霧報(bào)警器，它通過前端的檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)信號(hào)，用濾波電路去除雜波，并通過放大電路得到真實(shí)的電信號(hào)，然后由模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析、過濾，最后確定是否應(yīng)該報(bào)警，然后再進(jìn)行相應(yīng)的處理。這種方法抗環(huán)境干擾的能力強(qiáng)，而且運(yùn)行穩(wěn)定，誤報(bào)率低，是解決該問題的有效途徑，也成為業(yè)內(nèi)人士研究的焦點(diǎn)問題，研究取得了豐碩的成果[4?5]。

文獻(xiàn)[6]提出基于CAN的博物館無線火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)方法，通過使用ARM S3C2440作為該火災(zāi)煙霧報(bào)警器的主控芯片。利用CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成煙霧報(bào)警功能。通過ZigBee將火災(zāi)煙霧報(bào)警器的煙霧報(bào)警模塊與CAN進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，從而完成報(bào)警器設(shè)計(jì)，但利用這種方法設(shè)計(jì)出來的報(bào)警器，檢測(cè)范圍較小，其使用范圍受到限制。endprint

文獻(xiàn)[7]提出基于單片機(jī)的火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)方法，采用STM32F103單片機(jī)作為火災(zāi)煙霧報(bào)警器主機(jī)，并利用煙霧傳感器和溫度傳感器作為火災(zāi)煙霧報(bào)警器的探測(cè)節(jié)點(diǎn)，并選用MSP430G2553系列單片機(jī)對(duì)火災(zāi)煙霧報(bào)警器進(jìn)行控制。利用CC1101無線射頻雙工通信將主機(jī)和各節(jié)點(diǎn)連接起來組成網(wǎng)絡(luò)。采用軟件Altium Designer作為火災(zāi)煙霧報(bào)警器的硬件電路設(shè)計(jì)工具，同時(shí)采用軟件Keil ARM進(jìn)行報(bào)警器測(cè)試完善，從而完成火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)，但通過這種方法設(shè)計(jì)的報(bào)警器，由于系統(tǒng)復(fù)雜在維護(hù)方面存在難度。

文獻(xiàn)[8]提出基于WiFi技術(shù)的博物館內(nèi)火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)方法，利用傳感技術(shù)將煙霧濃度的部分?jǐn)?shù)據(jù)通過WiFi進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，并且在終端設(shè)備上使用單片機(jī)、煙霧傳感器等元器件來完成聲光報(bào)警、消防滅火等功能，通過對(duì)火災(zāi)煙霧報(bào)警器的單片機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行編程，將火災(zāi)煙霧報(bào)警器中煙霧報(bào)警數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，并在上位機(jī)中對(duì)煙霧數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。但這種方法對(duì)環(huán)境要求高，無法被廣泛使用。

針對(duì)上述問題，本文提出一種單片機(jī)的火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)方法。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，所提方法能夠有效提高報(bào)警器報(bào)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，符合博物館的使用條件，具有良好的使用價(jià)值。

1 博物館內(nèi)火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)

博物館中火災(zāi)煙霧報(bào)警器主要由用于火災(zāi)檢測(cè)的傳感器對(duì)CO濃度、溫度、煙霧濃度等火災(zāi)特征信號(hào)進(jìn)行匯集檢測(cè)，然后將傳感器檢測(cè)的結(jié)果利用數(shù)模轉(zhuǎn)換傳輸?shù)交馂?zāi)煙霧報(bào)警器的單片機(jī)上，通過火災(zāi)煙霧報(bào)警器的單片機(jī)對(duì)傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，利用無線通信芯片經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)把經(jīng)過單片機(jī)預(yù)處理的檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給火災(zāi)煙霧報(bào)警器的控制服務(wù)器模塊，在控制服務(wù)器模塊完成后續(xù)的分析與報(bào)警處理。通過將火災(zāi)特征檢測(cè)設(shè)備安放在博物館中的各個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)檢測(cè)火災(zāi)特征，提高檢測(cè)的及時(shí)性。

1.1 博物館內(nèi)火災(zāi)煙霧報(bào)警器硬件設(shè)計(jì)

博物館內(nèi)火災(zāi)煙霧報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容包括對(duì)博物館檢測(cè)火災(zāi)特征信號(hào)的傳感器的設(shè)計(jì)、對(duì)博物館內(nèi)火災(zāi)煙霧報(bào)警器中的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及對(duì)博物館火災(zāi)煙霧報(bào)警器中連接檢測(cè)模塊與控制服務(wù)器的通信接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

火災(zāi)特征信號(hào)檢測(cè)傳感器是火災(zāi)煙霧報(bào)警器的底層傳感器，主要包括CO濃度、煙霧濃度以及溫度變化傳感器，通過將火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙霧、溫度、氣體等變化產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，做好對(duì)火災(zāi)特征信號(hào)的檢測(cè)是提高火災(zāi)煙霧報(bào)警器檢測(cè)正確率的重要手段。

其中CO濃度傳感器通過在CO變化時(shí)將濃度變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)的強(qiáng)弱隨著濃度變化而變化，從而根據(jù)電信號(hào)的強(qiáng)弱判斷CO濃度。目前CO濃度傳感器主要可以分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩種類型，本文選用具有靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)的半導(dǎo)體類型的CO傳感器。

由于DS18B20溫度傳感器的芯片不需要轉(zhuǎn)換電路直接可以將檢測(cè)的溫度結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，有利于提高火災(zāi)煙霧報(bào)警器的數(shù)據(jù)解析與處理能力，所以本文使用DS18B20溫度傳感器。其主要元件如圖1所示，可以很容易地與火災(zāi)煙霧報(bào)警器其他部分連接起來，充分滿足博物館內(nèi)火災(zāi)煙霧報(bào)警器的使用要求。

煙霧濃度傳感器通過對(duì)空氣中的電壓電流變化進(jìn)行煙霧檢測(cè)，由于煙霧變化會(huì)引起空氣中的電壓電流變化，根據(jù)其變化強(qiáng)弱可以有效地對(duì)博物館內(nèi)煙霧變化進(jìn)行檢測(cè)。由于粒子式煙霧傳感器檢測(cè)精度較光電式煙霧傳感器檢測(cè)精度更高，所以本文選用粒子式煙霧傳感器。

本文在進(jìn)行火災(zāi)特征信號(hào)檢測(cè)時(shí)，以51單片機(jī)作為核心處理器，利用A/D轉(zhuǎn)換電流，將傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，利用時(shí)鐘電路對(duì)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間進(jìn)行記錄，通過RAM將采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，利用ZigBee無線通信技術(shù)連接火災(zāi)特征信號(hào)檢測(cè)的傳感器和控制服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)其之間的聯(lián)通，從而完成火災(zāi)煙霧報(bào)警器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，得到如圖2所示的火災(zāi)煙霧報(bào)警器的火災(zāi)特征信號(hào)檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖。

由于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信具有通信功耗和成本較低，能夠適應(yīng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。適合應(yīng)用在本文博物館應(yīng)用環(huán)境，所以選用ZigBee無線通信技術(shù)對(duì)火災(zāi)煙霧報(bào)警器的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，其具體性能參數(shù)如表1所示。

通過上述論證，完成火災(zāi)煙霧傳感器硬件模塊設(shè)計(jì)，為火災(zāi)煙霧傳感器性能提高打下物資基礎(chǔ)。

1.2 火災(zāi)煙霧報(bào)警器軟件設(shè)計(jì)

火災(zāi)煙霧報(bào)警器的軟件設(shè)計(jì)如圖3所示，其中最重要的是CO濃度、煙霧濃度、溫度的采集，博物館內(nèi)火災(zāi)煙霧報(bào)警器火災(zāi)主要依據(jù)CO濃度、煙霧濃度、溫度聯(lián)合判斷，其具體火災(zāi)發(fā)生概率判決規(guī)則及其推理詳細(xì)模型如下所示：

由于博物館CO的標(biāo)準(zhǔn)差和均值共同作用影響博物館火災(zāi)發(fā)生概率。針對(duì)這一因素，對(duì)博物館內(nèi)火災(zāi)煙霧報(bào)警器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定[T0]表示火災(zāi)煙霧報(bào)警器的統(tǒng)計(jì)分析時(shí)間；[fs]表示進(jìn)行CO信息進(jìn)行收集的頻率；[s]表示博物館CO濃度的標(biāo)準(zhǔn)差；[E]表示CO濃度的均值；[P]表示博物館火災(zāi)發(fā)生的概率。式（1）表示博物館火災(zāi)發(fā)生的概率[P]與博物館CO濃度的標(biāo)準(zhǔn)差[s]的關(guān)系，式（2）表示博物館火災(zāi)發(fā)生的概率[P]與博物館CO濃度的均值[E]的關(guān)系。

通過式（3）可以看出，博物館CO濃度隨著CO濃度標(biāo)準(zhǔn)差[s]值的變化而變化，當(dāng)CO濃度標(biāo)準(zhǔn)差[s]的值由小變大時(shí)，CO濃度變化逐漸明顯，當(dāng)博物館CO濃度標(biāo)準(zhǔn)差[s]逐漸到達(dá)博物館CO濃度標(biāo)準(zhǔn)差閾值[sF]后就會(huì)存在發(fā)生火災(zāi)的概率[P]，且[P]與[s]之間成正比例關(guān)系，隨著博物館CO標(biāo)準(zhǔn)差[s]的增大，博物館火災(zāi)發(fā)生概率[P]也隨之增大，到達(dá)博物館CO標(biāo)準(zhǔn)差飽和值[sM]后，通過博物館CO信號(hào)能確定火災(zāi)已發(fā)生。

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生概率未達(dá)到火災(zāi)預(yù)警概率閾值[Pτ]時(shí)，則判定博物館環(huán)境是安全的，不報(bào)警；如果火災(zāi)發(fā)生概率超過火災(zāi)預(yù)警概率閾值[Pτ，]則認(rèn)為此時(shí)博物館存在火災(zāi)的危險(xiǎn)，進(jìn)行預(yù)警，火災(zāi)發(fā)生的危險(xiǎn)系數(shù)[φ（P）]與火災(zāi)發(fā)生概率[P]之間存在正比例關(guān)系，危險(xiǎn)系數(shù)[φ（P）]越大，火災(zāi)發(fā)生概率[P]越高，博物館內(nèi)火災(zāi)煙霧報(bào)警器的警笛響音就越急促，報(bào)警器報(bào)警燈閃爍也越快速；當(dāng)超過報(bào)警器火災(zāi)報(bào)警概率飽和值[Pm]之后，則認(rèn)定發(fā)生火災(zāi)的概率超出了容忍度，基本確定火災(zāi)已發(fā)生，報(bào)警器通過必要措施關(guān)閉電源，開啟消防系統(tǒng)，從而完成報(bào)警器軟件設(shè)計(jì)。endprint

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了證明本文提出的基于單片機(jī)的火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)方法的有效性，以Intel P4 2G處理器為硬件環(huán)境，Matlab 2008a為平臺(tái)，通過模擬火災(zāi)發(fā)生情況，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用對(duì)比法將本文所提方法與文獻(xiàn)[6]提出的無線火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)方法相比較，從而完成實(shí)驗(yàn)。

分別利用本文所提火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)方法和文獻(xiàn)[6]提出的無線火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)方法的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如表2表示。

從表2可以看出，本文所提設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的火災(zāi)煙霧報(bào)警器系統(tǒng)能夠大幅度提高反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)時(shí)間較文獻(xiàn)[6]方法火災(zāi)報(bào)警器反應(yīng)時(shí)間降低了接近一倍。

分別利用本文所提火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)方法和文獻(xiàn)[6]提出的無線火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行報(bào)警情況分析，對(duì)比結(jié)果如表3表示。設(shè)定報(bào)警準(zhǔn)確為對(duì)火災(zāi)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，即在火災(zāi)發(fā)生前進(jìn)行報(bào)警的次數(shù)；報(bào)警失誤為沒有在火災(zāi)發(fā)生前進(jìn)行報(bào)警的次數(shù)。

設(shè)定火災(zāi)報(bào)警器報(bào)警的準(zhǔn)確率是正確報(bào)警次數(shù)與總實(shí)驗(yàn)次數(shù)的比值，火災(zāi)報(bào)警器報(bào)警的失誤率為失誤報(bào)警次數(shù)與實(shí)驗(yàn)總次數(shù)的比值。

分別利用本文所提火災(zāi)煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)方法和文獻(xiàn)[6]提出的無線火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行報(bào)警準(zhǔn)確率和失誤率對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4，圖5所示。

通過圖4，圖5可以看出，本文所提設(shè)計(jì)方法報(bào)警準(zhǔn)確率在90%～95%之間，失誤率不超過10%；而文獻(xiàn)[6]提出的無線火災(zāi)報(bào)警器設(shè)計(jì)方法報(bào)警準(zhǔn)確率在80%～85%之間，失誤率在15%以上。綜合上述實(shí)驗(yàn)可以看出，本文所提報(bào)警器設(shè)計(jì)方法能夠有效減少報(bào)警延遲，提高了報(bào)警及時(shí)性，具有較強(qiáng)的使用價(jià)值。

3 結(jié) 語

博物館內(nèi)儲(chǔ)藏著自然和人類文化遺產(chǎn)的實(shí)物，一旦發(fā)生火災(zāi)將造成不可預(yù)估的損失，所以火災(zāi)煙霧報(bào)警器在博物館內(nèi)起著重要作用。本文提出基于單片機(jī)的火災(zāi)煙霧報(bào)警器適用于博物館環(huán)境，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)火災(zāi)發(fā)生進(jìn)行預(yù)估報(bào)警，具有較強(qiáng)的使用價(jià)值。

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