多傳感器信息融合的汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)設(shè)計研究

吳海潮

摘要：隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，人們對汽車的需求逐年增加，在汽車數(shù)量增多的同時，汽車火災(zāi)事故的發(fā)生幾率也呈現(xiàn)上升趨勢。汽車火災(zāi)事故不僅會給人們造成巨大的財產(chǎn)損失，更重要的是嚴(yán)重威脅著人們的生命安全。傳統(tǒng)的汽車火災(zāi)探測系統(tǒng)使用單個傳感器，探測效率低下，因此，采用多傳感器信息融合的方式，可實現(xiàn)對汽車火災(zāi)及時、準(zhǔn)確的探測與報警。首先簡析汽車火災(zāi)的發(fā)生原因，確定了汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)研究思路，設(shè)計了多傳感器信息融合的車輛火災(zāi)探測報警系統(tǒng)。

Abstract： With the development of science and technology and the improvement of living standards， people's demand for cars is increasing year by year. With the increase of the number of cars， the incidence of car fire accidents is also on the rise. Car fire accident will not only cause huge property loss to people， but also seriously threaten people's life safety. The traditional automobile fire detection system uses a single sensor， which has low detection efficiency. Therefore， the way of multi-sensor information fusion can realize the timely and accurate detection and alarm of automobile fire. Firstly， the cause of automobile fire is analyzed， the research idea of automobile fire detection and alarm system is determined， and the vehicle fire detection and alarm system based on multi-sensor information fusion is designed.

關(guān)鍵詞：多傳感器信息融合;汽車火災(zāi);探測報警;系統(tǒng)設(shè)計

Key words： multi-sensor information fusion;car fire;detection and alarm;the system design

中圖分類號：U463.1????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0212-02

0? 引言

如今，汽車是人們使用最多的出行交通工具，這些年來汽車火災(zāi)事故數(shù)量在不斷增加，由于汽車設(shè)備和系統(tǒng)的復(fù)雜，使得汽車火災(zāi)的探測與報警系統(tǒng)難度較大。多傳感器信息融合技術(shù)，可從多方收集傳感器數(shù)據(jù)和信息，進(jìn)行綜合處理與分析，獲得準(zhǔn)確、全面、可靠的信息，以提高汽車火災(zāi)系統(tǒng)探測準(zhǔn)確性。汽車火災(zāi)探測與報警系統(tǒng)主要依據(jù)多個傳感器來推斷是否有火災(zāi)的發(fā)生，依靠蜂鳴器實現(xiàn)火災(zāi)報警。多傳感器信息融合的汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)也有助于火災(zāi)撲救和預(yù)防工作的進(jìn)行[1]。

1? 汽車火災(zāi)發(fā)生原因

1.1 電氣電路故障

是汽車火災(zāi)中最常見的一種起火原因，很多時候是因為汽車啟動和發(fā)動的時候，電氣電路發(fā)生短路接觸不良，之后出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。另外電氣電路故障中最常見的就是電瓶故障，當(dāng)汽車電瓶存在故障后，無法正常充電和正常啟動，導(dǎo)致電池內(nèi)的熱量不斷增加，通電的瞬間，會導(dǎo)致電氣線路溫度上身，很容易燒毀線路，引起汽車火災(zāi)事故，另外在發(fā)動機(jī)啟動的一瞬間會因為較高的電壓導(dǎo)致了電氣電路的故障，最后引發(fā)火災(zāi)的發(fā)生。

1.2 油路故障

汽車的運(yùn)行離不開燃油，但是燃油屬于可燃物品。在汽車的運(yùn)行過程中，燃油在相對封閉的油箱和油管中運(yùn)動。汽車啟動之后，汽車的發(fā)動艙排氣系統(tǒng)和車輪等各個系統(tǒng)的溫度都會很高，會引發(fā)汽油的揮發(fā)。這些高溫度的系統(tǒng)部件會使油氣相遇，從而引發(fā)火災(zāi)。另外油路堵塞、卸油等問題也會引發(fā)不同程度的火災(zāi)，但是比較嚴(yán)重火災(zāi)的發(fā)生位置一般是集中在汽車的油管周邊的。

1.3 機(jī)械故障

也是汽車發(fā)生火災(zāi)的主要原因之一。汽車在運(yùn)行的過程中最容易出現(xiàn)的問題就是發(fā)動機(jī)故障。汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)是汽車行駛中非常重要的系統(tǒng)，冷卻液的溫度偏低或者偏高以及冷卻液滲漏等都很容易對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生不利影響，無法及時、科學(xué)調(diào)整溫度，造成發(fā)動機(jī)溫度過高，很多汽車運(yùn)行的時候發(fā)動機(jī)可能會出現(xiàn)發(fā)熱起火，再加上一直處于長時間高速高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，就會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)高溫起火[2]。

1.4 人為與環(huán)境影響

也不排除人為因素造成汽車火災(zāi)，如果吸煙者沒有及時將煙頭處理，當(dāng)煙頭接觸到汽車上易燃物品時將很有可能引起汽車火災(zāi)。另外，周圍環(huán)境也有可能引起汽車火災(zāi)事故的發(fā)生，空氣指數(shù)、外界氣溫、嚴(yán)重氣候等環(huán)境因素有可能會引發(fā)微小的電氣故障，加上汽車內(nèi)部各設(shè)備和線路之間接觸較為緊密，當(dāng)某個設(shè)備出現(xiàn)故障以后也可能會引起其他設(shè)備的故障，從而對汽車的正常狀態(tài)產(chǎn)生影響，容易引起火災(zāi)。

2? 多傳感器融合的汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)設(shè)計思路

2.1 汽車火災(zāi)探測特征量的確定

汽車發(fā)生火災(zāi)的時候會有很多明顯的特征，對這些特征信息的全面測量可實現(xiàn)對火災(zāi)情況的準(zhǔn)確、可靠判斷，為控制探測成本和降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，無法做到對眾多信息的探測，因此，對汽車火災(zāi)探測特征量的選擇，要適用于不同種類汽車的探測，且探測數(shù)量不應(yīng)過多。雖然不同物品燃燒產(chǎn)生的氣體不同，但不充分燃燒情況下都會有一氧化碳?xì)怏w和煙霧的產(chǎn)生，同時燃燒會導(dǎo)致溫度升高，因此，進(jìn)行汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)的設(shè)計時可選擇一氧化碳?xì)怏w、煙霧以及溫度這三個特征量。

2.2 多傳感器信息融合過程

汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)采用了多傳感器信息融合技術(shù)，通過對數(shù)據(jù)信息的獲取、預(yù)處理，進(jìn)行特征的提取，之后對多傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計算，得出融合結(jié)果。對環(huán)境中一氧化碳、煙霧以及溫度特征量進(jìn)行采集，將模擬信號轉(zhuǎn)化為電子設(shè)備可識別的電信號，然后再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，供微處理器識別、計算。數(shù)據(jù)傳輸過程中會有干擾信號和噪聲對信號處理造成影響，因此需要添加信息的預(yù)處理過程，對數(shù)字信號進(jìn)行除噪和濾波以后再提取特征，這樣處理得到的融合結(jié)果較為準(zhǔn)確[3]。

2.3 多傳感器報警過程

采用多傳感器分別對汽車火災(zāi)特征信息進(jìn)行收集，獲得現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，然后經(jīng)系統(tǒng)核心板對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，數(shù)據(jù)分析模塊通過采集現(xiàn)場環(huán)境相關(guān)數(shù)值，和設(shè)定的正常數(shù)值進(jìn)行實時對比，得出兩種數(shù)據(jù)的差值，若判定發(fā)生火災(zāi)，則觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報警，也可將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過顯示屏顯示，并且同時將系統(tǒng)檢測到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到用戶智能設(shè)備中，起到預(yù)報提醒和火災(zāi)報警的作用。

3? 多傳感器信息融合的汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

根據(jù)對汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)思路分析和多傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計了汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)，系統(tǒng)核心控制器選用的是MC9S12XS128型號的主控板，按照汽車火災(zāi)特征信息，在傳感器模塊的設(shè)定上選擇了一氧化碳傳感器、溫度傳感器以及煙霧傳感器，最后的現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)信息可通過液晶屏顯示出來，此模塊選擇了LCD12864點陣液晶顯示模塊，還通過與主控板的接口相連，設(shè)計了蜂鳴器進(jìn)行報警。首先汽車火災(zāi)探測模塊與主控板內(nèi)置的ATD模塊相連，可將各個傳感器收集的溫度、CO和煙霧等數(shù)據(jù)信息傳遞到核心控制板中，通過直流電源為主控板提供5V的工作電壓，單片機(jī)也可為傳感器模塊供電，蜂鳴器、LCD液晶顯示模塊均與單片機(jī)I/O口連接，當(dāng)探測數(shù)值達(dá)到一定高度時蜂鳴器進(jìn)行報警，其實時探測數(shù)據(jù)也可通過液晶顯示模塊顯示出來。

3.2 主要硬件模塊的選型與設(shè)計

3.2.1 MC9S12XS128主控板

單片機(jī)是整個汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)的核心控制板，其上邊可以集成各種設(shè)備，以實現(xiàn)相關(guān)探測與報警功能，因此，主控板的質(zhì)量關(guān)乎著系統(tǒng)的運(yùn)行效果，系統(tǒng)選擇飛思卡爾公司的S12XS系列MC9S12XS128單片機(jī)，是一款增強(qiáng)型的16位單片機(jī)，此主控板擁有豐富的外部I/O接口和內(nèi)部存儲器，在存儲器的容量上具有8KB數(shù)據(jù)Flash和128KB程序Flash。此型號單片機(jī)因其優(yōu)越性能已被廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。

在MC9S12XS128主控板的電源電路設(shè)計上，因主控板的工作電壓在5V，因此需要利用適配器將外部220V的交流電壓轉(zhuǎn)化為12VDC的直流電壓，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部LM2940芯片將12V轉(zhuǎn)化為5VDC后才能為單片機(jī)供電。

在蜂鳴器電路的設(shè)計上：蜂鳴器采用NPN型三級管進(jìn)行驅(qū)動控制，三極管在此起到開關(guān)的作用，當(dāng)蜂鳴器輸入為高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器蜂鳴報警;當(dāng)輸入端為低電平時，三極管截止，蜂鳴器則就會停止蜂鳴[4]。

3.2.2 傳感器模塊

當(dāng)汽車發(fā)生火災(zāi)時，由于不充分燃燒會造成一氧化碳濃度增加，同時伴隨大量的煙霧，燃燒以及煙霧導(dǎo)致環(huán)境溫度升高，因此，汽車火災(zāi)的探測功能模塊由煙霧傳感器、一氧化碳傳感器以及溫度傳感器組成。

①煙霧傳感器。MQ-2傳感器對煙霧較為敏感，其與主控板相同，采用直流5V的工作電壓，使用前需要加熱等待一段時間，其檢測煙霧的范圍在100ppm到10000ppm之間，具有響應(yīng)快、靈敏度高、壽命長等優(yōu)勢?；馂?zāi)產(chǎn)生的煙霧會影響MQ-2煙霧傳感器的導(dǎo)電率，煙霧越大，導(dǎo)電率越小，輸出模擬信號就越大，將其門限電壓與輸出電壓相比，就可完成汽車火災(zāi)探測模塊的檢測功能。

②一氧化碳傳感器。此系統(tǒng)選擇MQ-7型號的傳感器，此傳感器的工作電壓也是直流5V，工作原理為：將電熱絲加熱，通過氣體電離獲得不同等效電阻，由此計算出一氧化碳?xì)怏w的濃度。適用于家庭、工業(yè)上的一氧化碳?xì)怏w檢測與報警，可檢測濃度在10ppm到1000ppm之間的CO氣體，測量精確度為差值5ppm加減百分之六的范圍，在使用前也需要預(yù)熱，且在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，電壓的范圍在4.9到5.1伏特之間。

③溫度傳感器。采用DS18B20型號溫度傳感器，其擁有獨特的單線模式，即通過一條總線即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，與上述兩個傳感器都有著體型小的優(yōu)點，可應(yīng)用于機(jī)房、汽車甚至空間狹小的場地。其對溫度的檢測范圍在零下55度和125度之間，固有檢測范圍精度大概在0.5度，測量結(jié)果是以9到12位的數(shù)字量方式串行傳送[5]。

3.2.3 液晶顯示模塊

此模塊采用LCD12864點陣液晶顯示屏，工作電壓在3.3V到5V之間，有串口和并口兩種控制時序，在此系統(tǒng)中采用并口通訊，在液晶顯示屏上，英文字符占一個字節(jié)，中文占兩個字節(jié)，通過忙檢查、寫數(shù)據(jù)、寫指令、初始化這四個控制函數(shù)，就可以完成LCD12864顯示屏將對汽車火災(zāi)探測與報警系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的呈現(xiàn)。

4? 結(jié)語

綜上所述，人們對于汽車的使用已經(jīng)較為普遍，但汽車火災(zāi)事故原因復(fù)雜，發(fā)生幾率也在逐年上升。多傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用，可有效減少傳統(tǒng)單一傳感器系統(tǒng)存在的汽車火災(zāi)險情的誤報、漏報等情況，通過對核心單片機(jī)、傳感器等模塊的選型與研究，設(shè)計了多傳感器信息融合的汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)，提高了汽車火災(zāi)探測報警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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