家庭消防報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

徐誠樸，王 龍，梅英杰

（1.中科芯集成電路有限公司，無錫214072；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001）

由于近些年住宅區(qū)火災(zāi)頻發(fā)，現(xiàn)代家庭式消防監(jiān)控越來越得到人們的重視。住宅區(qū)具有人口密集、易燃物較多等特點(diǎn)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員疏散比較困難，并且由于住戶教育水平、健康狀況不同，面對(duì)火災(zāi)的反應(yīng)能力也各不相同，因此現(xiàn)代家庭式消防報(bào)警系統(tǒng)的技術(shù)要求、人性化水平都需要得到相應(yīng)的提高[1]。

傳統(tǒng)的家庭消防報(bào)警系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)性，報(bào)警裝置單一，應(yīng)急措施較少，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代家庭的需求。本文利用STM32F103C8T6 單片機(jī)，結(jié)合煙霧傳感器、紅外火焰探頭、CCD 攝像頭、溫度傳感器、CO 傳感器等，實(shí)時(shí)獲取家庭消防環(huán)境數(shù)據(jù)。紅外火焰探頭和CCD 視頻火焰監(jiān)測(cè)共同作用，可以保證火焰的精確探測(cè)。并采用RS485 通訊，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C 機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控；采用GPRS 技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警[2-3]。

1 測(cè)量原理

1.1 煙霧傳感器測(cè)量原理

本文采用氣敏型煙霧傳感器MQ-2 來實(shí)現(xiàn)煙霧探測(cè)，該傳感器屬于表面離子式N 型半導(dǎo)體，由SnO2半導(dǎo)體氣敏材料構(gòu)成[4-5]。其原理為高溫下氧離子會(huì)受到SnO2的吸附作用，導(dǎo)致半導(dǎo)體中的電子密度降低，其電阻值會(huì)迅速增加。同時(shí)傳感器接觸到煙霧時(shí)，晶粒間勢(shì)壘會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致表面電導(dǎo)率值的變化，煙霧濃度越高，電導(dǎo)率越大。利用該原理，傳感器可以準(zhǔn)確得知周圍環(huán)境煙霧濃度的變化。MQ-2 煙霧傳感器的計(jì)算公式為

式中：R 表示電阻；C 表示煙霧濃度；m，n 均為常數(shù)，m 表示氣體分離率，一般在1/2 至1/3 之間，n 與氣體檢測(cè)的靈敏度有關(guān)。

1.2 紅外火焰探頭測(cè)量原理

本文采用A715UV/IR2 火焰探測(cè)器對(duì)火焰進(jìn)行探測(cè)。該傳感器使用3 個(gè)熱釋電傳感元來進(jìn)行三波段探測(cè)，可以對(duì)火焰的熱光信號(hào)和背景光信號(hào)同時(shí)作出響應(yīng)。當(dāng)有火焰產(chǎn)生時(shí)，微處理器會(huì)迅速對(duì)3種信號(hào)進(jìn)行處理分析，從而判斷火焰是否存在[6]。

1.3 CCD 視頻火焰探測(cè)原理

本文采用?？低旵CD 攝像頭。CCD 成像具有抗強(qiáng)光、靈敏度高等特點(diǎn)。利用CCD 成像結(jié)合圖像處理技術(shù)，對(duì)火焰圖像進(jìn)行分割、特征提取，再根據(jù)閾值識(shí)別火焰[6]。

1.4 溫度傳感器測(cè)量原理

測(cè)溫探頭采用Pt100（Pt1000）自適應(yīng)探頭。其測(cè)量原理為金屬鉑（Pt）的電阻值會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，具有很好的重現(xiàn)性以及穩(wěn)定性[7]。

1.5 CO 傳感器測(cè)量原理

采用ME2-CO 型電化學(xué)傳感器對(duì)環(huán)境CO 進(jìn)行探測(cè)[8]。CO 在電解池中會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生電流，根據(jù)法拉第定律，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流和CO 濃度成正比，故根據(jù)電流大小可知CO 濃度[9]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量原理框架

如圖1所示，系統(tǒng)以STM32F103C8T6 單片機(jī)為控制核心，MQ-2 煙霧傳感器測(cè)量煙霧濃度，利用穩(wěn)壓芯片LM1117 構(gòu)成電壓轉(zhuǎn)換電路，將煙霧傳感器的0～5 V 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～3.3 V，并將模擬信號(hào)通過AD 轉(zhuǎn)換得到數(shù)值信號(hào)，然后在單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)值處理。測(cè)溫探頭采用Pt100（Pt1000）自適應(yīng)探頭，電子模擬開關(guān)控制測(cè)溫探頭Pt100 和Pt1000 之間的切換，測(cè)量電路采用三線制接法消除導(dǎo)線電阻，數(shù)據(jù)通過測(cè)溫電路[10]進(jìn)行放大和濾波后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。CO 測(cè)量電路需要對(duì)CO 傳感器的輸出電流（0～5 μA）進(jìn)行放大和濾波，并且對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。紅外火焰探頭通過ISO 協(xié)議連接單片機(jī)，其輸出電流需要進(jìn)行I/V 轉(zhuǎn)換。對(duì)CCD 攝像頭的圖像數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，利用圖像識(shí)別的方式，監(jiān)測(cè)火焰存在，若紅外火焰探頭與CCD 同時(shí)探測(cè)到火焰存在，則進(jìn)行火焰報(bào)警。

圖1 測(cè)量框架Fig.1 Measurement frame

將各參數(shù)值在液晶屏上顯示，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警。通過RS485 接口，采用MODBUS 協(xié)議，在上位機(jī)界面中對(duì)各參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，利用GPRS 模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 硬件介紹

ST 公司的STM32F103 系列具有32 位的ARM核心，包括7 個(gè)定時(shí)器，3 個(gè)USART 接口，2 個(gè)SPI接口（18 M/s），2 個(gè)I2C 接口，CAN 接口，USB2.0 接口，7 個(gè)DMA 接口，2 個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換器。所用消防傳感器為MQ-2 煙霧傳感器、A715UV/IR2 火焰探測(cè)器、Pt100（Pt1000）自適應(yīng)測(cè)溫探頭、ME2-CO 型電化學(xué)傳感器。防火門聯(lián)動(dòng)閉門器選取六瑞公司的SABM65 型號(hào)，單片機(jī)外接RS485 通訊模塊和華為的MG323 模塊，分別實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通訊以及移動(dòng)終端的通訊。

2.3 煙霧測(cè)量電路

MQ-2 的供電電壓為5 V，P1 的3 號(hào)腳輸出0～5 V 電壓信號(hào)（煙霧濃度越高，電壓越高），輸入到比較器的2 號(hào)腳上，Rp通過調(diào)節(jié)電阻來改變比較器的門檻電壓，以此控制傳感器的靈敏度[11]。當(dāng)3 號(hào)腳電壓高于比較器門檻電壓，LED 燈亮報(bào)警。R1電阻用于保護(hù)加熱絲。測(cè)量電路如圖2所示。

圖2 煙霧測(cè)量電路Fig.2 Smoke measurement circuit

2.4 I/V 轉(zhuǎn)換電路

由于溫度信號(hào)、CO 信號(hào)和紅外火焰探頭信號(hào)都是4～20 mA 電流信號(hào)，所以需要I/V 轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成0～3.3 V 的電壓信號(hào)才能傳輸給單片機(jī)[12]。設(shè)計(jì)一種I/V 轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。

圖3 I/V 轉(zhuǎn)換電路Fig.3 I/V conversion circuit

I/V 轉(zhuǎn)換電路數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：V 為電路的輸出電壓；I 為電路的輸入電流；利用可調(diào)電阻Rw將Vf設(shè)定為2.63 V。根據(jù)式（2）、式（3）即可將4～20 mA 電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～3.3 V 電壓信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

消防報(bào)警系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：液晶顯示參數(shù)，主要有煙霧濃度、環(huán)境溫度、CO 濃度等；液晶顯示環(huán)境溫度變化曲線圖和數(shù)據(jù)；能對(duì)消防門、防排煙系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)進(jìn)行控制；能和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，數(shù)據(jù)和曲線由計(jì)算機(jī)打??；能和移動(dòng)終端遠(yuǎn)程通訊；具有多種報(bào)警顯示。

單片機(jī)采用C 語言進(jìn)行程序模塊化編寫，包括初始化子程序、煙霧濃度采樣程序、溫度采樣程序、CO 濃度采樣程序、紅外火焰信號(hào)采樣程序、數(shù)據(jù)處理程序、鍵值處理程序、LCD 屏顯程序、通訊驅(qū)動(dòng)程序等。系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 System program flow chart

在上位機(jī)監(jiān)控方面，利用VB 的mscomm 串口控件，實(shí)現(xiàn)和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互，并用VB 編寫監(jiān)控界面，以實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度、環(huán)境溫度、CO 濃度。界面記錄各參數(shù)歷史曲線和實(shí)時(shí)曲線，連接打印機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)打印數(shù)據(jù)。

在無線通訊方面，采用華為的MG323 模塊進(jìn)行無線通訊。該模塊支持4 種頻段，工作電壓為3.3～4.8 V，正常工作溫度為-20 ℃～70 ℃?？梢允褂? 種AT 命令進(jìn)行初始化以及獲取動(dòng)態(tài)IP 地址，支持短信、語音和GPRS，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，具有很高的實(shí)用性。一旦系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警，數(shù)據(jù)以及報(bào)警會(huì)迅速通過模塊向用戶手機(jī)發(fā)送短信，實(shí)時(shí)顯示家庭消防情況，除了系統(tǒng)自動(dòng)消防外，用戶也可手動(dòng)發(fā)送信號(hào)，進(jìn)行消防操作。

4 卡爾曼濾波和卡爾曼平滑

生活噪聲特別是火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)對(duì)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生比較大的干擾，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)各測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去干擾。利用卡爾曼濾波的預(yù)測(cè)能力，對(duì)含有大量干擾信息的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以保證復(fù)雜環(huán)境下系統(tǒng)數(shù)值的穩(wěn)定性。

4.1 卡爾曼濾波理論

卡爾曼濾波的思想就是預(yù)測(cè)和反饋[13]。首先確定系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程如下：

式中：Xk、Uk、Zk分別表示k 時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)、輸入量以及測(cè)量值；A、B 和H 是系統(tǒng)參數(shù)；qk和rk分別表示過程噪聲和測(cè)量噪聲，設(shè)定qk、rk的協(xié)方差矩陣為Qk、Rk。

Predict：

Update：

式中：Pk|k-1表示對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣；Pk|k表示對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣；Gk表示k 時(shí)刻的卡爾曼增益。

4.2 卡爾曼平滑理論

與卡爾曼濾波向前遞歸相反，卡爾曼平滑[14]是結(jié)合卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行向后遞歸[15]。

4.3 卡爾曼濾波以及濾波后平滑效果

圖5是對(duì)室內(nèi)溫度值的變化跟蹤以及突發(fā)火災(zāi)情況下對(duì)室內(nèi)溫度的變化的追隨情況，可以發(fā)現(xiàn)，相比于卡爾曼濾波，卡爾曼濾波后平滑不僅誤差控制的很小，更貼近理想值，產(chǎn)生的曲線也更加平滑。

圖5 溫度變化曲線（理想值、測(cè)量值、濾波值、平滑值）Fig.5 Temperature change curve（ideal value，measurement value，filter value，smooth value）

圖6為卡爾曼濾波后平滑的數(shù)據(jù)和理想值之間的誤差變化曲線。

圖6 平滑后誤差變化曲線Fig.6 Error curve after smoothing

表1中顯示的是所測(cè)數(shù)據(jù)與卡爾曼濾波以及卡爾曼平滑濾波后的數(shù)據(jù)和理想值之間的誤差均值和均方差，顯然卡爾曼濾波后平滑的數(shù)據(jù)更好。

表1 三組數(shù)據(jù)的均值和均方差Tab.1 Mean and mean square deviation of three groups of data

5 圖像識(shí)別火焰

5.1 mean-shift 聚類算法

mean-shift 聚類算法是一種基于核密度估計(jì)的爬山算法，它利用范圍內(nèi)的點(diǎn)位置的偏移值確定迭代方向[16]。其主要步驟如下：

確定其多元核密度估計(jì)函數(shù)為

式中：h 表示高維區(qū)域的半徑即窗口半徑；n 表示落在該區(qū)域的點(diǎn)數(shù)；核函數(shù)K（x）=ck，d·k （‖ x‖2）。

對(duì)多元核密度函數(shù)求導(dǎo)，即可得到其梯度估計(jì)函數(shù)：

令：

因?yàn)槎嘣嗣芏群瘮?shù)的極值點(diǎn)為類的最集中值，所以當(dāng)即時(shí)可求得極值點(diǎn)。

5.2 結(jié)合mean-shift 聚類算法對(duì)火焰進(jìn)行特征提取

利用CCD 攝像頭對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用關(guān)鍵幀提取的方法，捕捉視頻的動(dòng)態(tài)信息，當(dāng)出現(xiàn)疑似火焰時(shí)，截取單幀圖。CCD 捕捉的圖像是彩色圖像，所以需要對(duì)其圖片進(jìn)行預(yù)處理。整個(gè)火焰圖像識(shí)別步驟如下所述。

首先將彩色圖片進(jìn)行灰度處理。利用mean-shift聚類法將圖像的特征進(jìn)行提取，然后人工設(shè)定閾值，實(shí)現(xiàn)圖像的閾值分割，將火焰主體從圖像中標(biāo)識(shí)出來[17-18]，流程如圖7所示。

圖7 火焰識(shí)別流程Fig.7 Flame identification flow chart

本文對(duì)照實(shí)現(xiàn)了圖像灰度化后直接進(jìn)行閾值分割處理與圖像灰度化后先進(jìn)行mean-shift 聚類再進(jìn)行閾值分割兩種分割方式，圖8是mean-shift 聚類后圖像的直方圖。圖9是圖像處理后的效果，可以發(fā)現(xiàn)圖像先進(jìn)行mean-shift 聚類再進(jìn)行閾值分割，可以對(duì)火焰的主體有更清晰的保留，為精準(zhǔn)滅火提供有效位置數(shù)據(jù)。

圖8 mean-shift 聚類后的圖像直方圖Fig.8 Image histogram after mean-shift clustering

圖9 圖像處理效果對(duì)比Fig.9 Comparison of image processing effect

6 結(jié)語

利用單片機(jī)對(duì)整個(gè)消防系統(tǒng)進(jìn)行控制，大大提高了家庭消防應(yīng)急水平，為用戶的人身安全提高了有效的保障。用戶不僅可以通過電腦監(jiān)控界面，對(duì)整個(gè)家庭環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還可以利用無線通訊對(duì)緊急情況進(jìn)行及時(shí)了解。整個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)了家庭消防報(bào)警的系統(tǒng)性，實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性，并且設(shè)備便宜，具有很好的實(shí)際應(yīng)用意義。