基于多傳感器信息融合的宿舍煙霧報警器設計

高睿謙

摘 要：火災是人類社會中經(jīng)常出現(xiàn)的災害之一，對于人們的生命及財產(chǎn)安全造成巨大的威脅。針對傳統(tǒng)煙霧報警器中的參數(shù)單一、易錯誤報警等問題。通過對多種傳感器進行選擇，并對其電源、電路進行設計，提出一種基于多傳感器信息融合的宿舍煙霧報警器。通過對比實驗證明，優(yōu)化后的煙霧報警器能夠在火災前期可快速發(fā)出報警信號警，保證人們的生命、財產(chǎn)安全。

關鍵詞：多傳感器;信息融合;宿舍;煙霧報警器

0引言

為了減少火災給人們造成的損失，對煙霧的探測和報警研究尤為重要。火災是一種化學反應，通常情況下伴隨著大量的煙霧、一氧化碳、溫度等周圍環(huán)境因素的改變[1]。利用煙霧報警器對這些周圍環(huán)境因素進行監(jiān)控，可以有效并及時的找出火災發(fā)生的隱患，及時采取應急措施，盡可能的避免火災事故的發(fā)生。

1基于多傳感器信息融合的宿舍煙霧報警器設計

1.1多種傳感器的選擇

傳感器是宿舍煙霧報警器中最重要的設備，為了達到更好的預警效果本文選用目前市面上性能最好的傳感器。在各類火災事故前期一定會產(chǎn)生大量的煙霧，煙霧中的成分包括一氧化碳、二氧化碳等，隨著火災的發(fā)生，這些煙霧中的成分濃度和溫度會出現(xiàn)異常的增加[2]。因此為了避免火災的發(fā)生基于多傳感器信息融合，在煙霧報警器當中增加對一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、溫度等多種信息進行檢測的傳感器設備。

一氧化碳在宿舍發(fā)生火災時其含量可達0.03～0.5%，目前性能最好的一氧化碳濃度測量傳感器裝置的測量范圍在1500ppm，而宿舍內(nèi)的空氣質(zhì)量標準一氧化碳濃度在7ppm之內(nèi)，因此本文選用測量范圍在5～1500ppm的一氧化碳傳感器，并保證其檢測精度在25%以上，響應時間不超過5s。

一般情況下，火災燃燒的條件為二氧化碳體積分數(shù)在0.8%。而目前性能最好的檢測二氧化碳濃度的傳感器測量的范圍在45000ppm以上，而宿舍內(nèi)的二氧化碳質(zhì)量標準為不超過0.2%，因此本文選用檢測范圍在1000～45000ppm的二氧化碳傳感器，檢測進度在20%以上，響應時間不超過10s。消防標準報警的煙霧濃度為4%以上，且目前市面上普通的煙霧濃度傳感器檢測范圍在0～6%，因此選用在檢測范圍內(nèi)的煙霧濃度傳感器即可。

1.2電源設計

電源是維持宿舍煙霧報警器穩(wěn)定運行的重要條件，也是電路設計中的重要部分。只有提供適合的電壓才能使報警器穩(wěn)定的工作。該報警器從上位機中引入電源，將電源的規(guī)格設計為直流正負24V，以此可以避免在220V高壓情況下造成報警器無法正常運行，或出現(xiàn)故障的問題發(fā)生?；诙鄠鞲衅餍畔⑷诤蠈τ陔娫吹脑O計也應根據(jù)不同類型的傳感器進行選擇，第一種傳感器電壓選用+5V的穩(wěn)定電壓，并在穩(wěn)定電壓上選取+15mA的單片機和+0.1mA的溫濕度傳感器;第二種選用+3.3V穩(wěn)定電壓，在穩(wěn)定電壓上選用+32mA的二氧化碳濃度傳感器;第三種選用+12V的非穩(wěn)定電壓，在非穩(wěn)定電壓上選用靜止狀態(tài)為+0.02mA，報警狀態(tài)為+5～+15mA的煙霧濃度傳感器。

通信板是煙霧報警器與主機通信的橋梁，也是傳輸電源電壓的橋梁。從主機中引入的電源接入到通信板當中，通過通信板將電源電壓傳輸?shù)礁鱾€監(jiān)測板中，同時產(chǎn)生一個為自身提供穩(wěn)定運行的電源，該報警器無需另外增加電源裝置。

1.3電路設計

在本文設計的宿舍煙霧報警器中，電路的設計主要是針對數(shù)據(jù)采集電路及放大電路。圖1為報警器信號采集電路及放大電路設計圖。

當各個傳感器所處的環(huán)境中存在大量的煙霧，此時各傳感器電阻率會隨著空氣中煙霧的濃度增加而增加[3]。當電導率增加到一定程度時，輸出電阻會隨之降低，以此獲取到空氣中厭惡的濃度。利用帶有敏感元件的阻值與空氣中被檢測氣體（一氧化碳、二氧化碳等）的濃度成對數(shù)關系變化的規(guī)律，做出相應的報警。

多種傳感器輸出的信號一般是比較微弱的，因此在經(jīng)過前置電路時首先要對其進行放大調(diào)整，以滿足煙霧報警器對傳感器輸入信號的要求。本文選取的煙霧濃度檢測傳感器屬于電阻性傳感器，因此在電路中需要串聯(lián)一個參考電阻，再經(jīng)過放大電路完成對信號的采集。

2對比實驗

為了驗證本文設計的宿舍煙霧報警器的可行性，將其與傳統(tǒng)的宿舍煙霧報警器做對比實驗。為了保證實驗的安全性，本文只針對發(fā)現(xiàn)早期小火進行實驗設計，同時建立早期小火實驗可以使采集參數(shù)的靈敏度得到驗證。為了使實驗的準確性更高，在保證其它外界干擾因素不變的前提下，利用兩種報警器分別完成兩次實驗，并將兩種實驗方法的結果進行記錄，如表1所示。

通過實驗結果可以看出，本文設計的基于多傳感器信息融合的煙霧報警器報警時間明顯短于傳統(tǒng)煙霧報警器。因此，可以說明，本文設計的煙霧報警器具有更加準確、快速的報警功能。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，本文設計的宿舍煙霧報警器能夠對環(huán)境中各參數(shù)細微的變化進行采集，保證報警器的精確度。

3結束語

針對傳統(tǒng)煙霧報警裝置的靈敏度低、易產(chǎn)生錯誤報警的問題，本文選用溫度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度以及煙霧濃度多種傳感器對多個信息進行融合的監(jiān)測方法對宿舍煙霧報警器進行優(yōu)化，通過實驗證明新的報警器能夠在火災發(fā)生前更加準確、及時的做出報警，具有較強的實用性。

參考文獻：

[1]付瑞玲，王寧，杜志強.基于多傳感器信息融合的火災報警器設計[J].計算機測量與控制， 2018，33（51）：025-028.

[2]王琳琳，陳瑜，陳俊.試論基于多傳感器信息融合的無線火災定位報警系統(tǒng)[J].通訊世界， 2019，386（06）：285-286.

[3]宋清亮，阮頤，鄧正敏.一種基于MCU的光電式煙霧報警器設計[J].集成電路應用， 2018， 295（04）：069-071.