一種基于VOCs+CO 檢測的微型數(shù)字式火災(zāi)探測器設(shè)計

邱志剛

摘要：本設(shè)計旨在開發(fā)一款體積小、成本低、適用于小空間檢測的微型數(shù)字式火災(zāi)探測器。文中采用了單片機(jī)、運(yùn)放電路、VOCs傳感器、CO傳感器、微型風(fēng)扇以及緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并結(jié)合多特征量參數(shù)的算法，實現(xiàn)了對探測區(qū)域內(nèi)的VOCs濃度、CO濃度、溫度和濕度的數(shù)據(jù)采集和報警處理。本設(shè)計能夠周期性地進(jìn)行設(shè)備自檢和環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并通過接口總線上傳。一旦設(shè)備出現(xiàn)故障或檢測到火情，將觸發(fā)光電故障報警，提醒用戶及時采取相應(yīng)措施。

關(guān)鍵詞： 陰燃階段；VOCs傳感器；CO傳感器；多特征參量

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）13-0103-04 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID） ：

0 前言

火災(zāi)是當(dāng)前社會中突發(fā)頻率較高且危害重大的災(zāi)害。每年全世界火災(zāi)造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此火災(zāi)的探測和預(yù)防成為全社會關(guān)注的話題。燃燒會產(chǎn)生煙霧和火焰，通常以煙霧、熱、光、熱輻射、聲音等特征呈現(xiàn)，因此火災(zāi)的探測技術(shù)也主要基于伴隨火災(zāi)發(fā)生過程中一系列現(xiàn)象的研究[1-2]。早期的火災(zāi)識別和探測方法包括感光探測、感煙探測、感溫探測、氣體探測和復(fù)合探測等方式，其中煙感和溫感技術(shù)較為成熟。近年來，視頻火災(zāi)探測技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用。然而，隨著現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，類型也越來越多，上述各種探測器采集的數(shù)據(jù)容易受到空間大小、空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)、氣流速度、粉塵等多種因素的影響，難以實現(xiàn)準(zhǔn)確及時的早期預(yù)警。而火災(zāi)的有效防止和撲救時間一般都在早期。一旦火災(zāi)規(guī)模擴(kuò)大，目前的手段很難有效降低危害，尤其是在狹小密閉空間。

在封閉或半封閉的小空間，如重要設(shè)備箱、電控箱、走線槽，市場上的傳統(tǒng)氣體探測器無法及時有效地探測到泄漏的氣體或火災(zāi)產(chǎn)生的不可見煙。針對這種環(huán)境，微型數(shù)字式火災(zāi)探測器應(yīng)運(yùn)而生。電氣設(shè)備可燃物（如電纜）在陰燃階段會釋放大量的特征氣體，其中電纜燃燒時產(chǎn)生包含PVC、氯碳化聚乙烯等VOCs以及CO、CO2、HCL等氣體。環(huán)境中的溫度和濕度會發(fā)生明顯變化，可采用對不可見煙的產(chǎn)物（即氣體）進(jìn)行檢測，作為判定早期火災(zāi)的策略。對高溫環(huán)境中釋放的特征氣體和陰燃階段的CO通用特征氣體進(jìn)行檢測，同時結(jié)合環(huán)境溫度和濕度參數(shù)輔助判定火災(zāi)的發(fā)生或特定環(huán)境下的氣體泄漏，可以提高檢測的準(zhǔn)確性，降低虛警和漏警，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性[3-5]。

本設(shè)計采用VOCs+CO的復(fù)合式氣體探測，結(jié)合溫度、濕度傳感器，來獲取被測環(huán)境中火災(zāi)早期階段的多種環(huán)境特征參數(shù)，并基于火災(zāi)探測預(yù)警算法，實現(xiàn)火災(zāi)的早期探測功能。其中，選擇專用的VOCs傳感器實現(xiàn)對電纜高溫陰燃的特征氣體靈敏度測試，作為檢測電纜火災(zāi)的早期特征。同時，基于CO氣體檢測作為火災(zāi)發(fā)生的確定性特征，再根據(jù)溫度和濕度參數(shù)變化情況，進(jìn)一步判斷火災(zāi)情況。

考慮應(yīng)用場合的特殊性，在硬件選型上選擇小體積封裝器，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用卡扣式安裝，殼體材料選擇耐高溫阻燃尼龍材料。同時，考慮應(yīng)用于氣體流動性較差的空間，為保證可靠的檢測效果，引入微型鼓風(fēng)機(jī)（可根據(jù)使用環(huán)境選用），以確保氣體的流通。

1 探測器的組成及工作原理

設(shè)計根據(jù)復(fù)合探測功能、低功耗、小型化、實時檢測等要求，充分利用接口資源豐富的MM32F0020B1T 單片機(jī)及其外圍信號處理電路完成對溫度傳感器、濕度傳感器、CO氣體傳感器和VCO氣體傳感器的數(shù)據(jù)采集及火災(zāi)報警處理。探測器主要由控制器、電源模塊、運(yùn)放模塊、傳感器模塊、微型風(fēng)機(jī)和殼體組成，如圖1所示。

探測器電路中，VOCs 傳感器采用HGS1001，CO 傳感器采用HGS1006。由于傳感器內(nèi)部加熱絲采用PT材質(zhì)，為保證傳感器內(nèi)部加熱器溫度不隨著外界環(huán)境變化而產(chǎn)生輸出波動，我們需要采用恒電阻加熱，以確保傳感器內(nèi)部加熱溫度的一致性，并排除生產(chǎn)工藝的干擾。因此，這里采用運(yùn)放直接對傳感器進(jìn)行加熱供電，單片機(jī)通過PWM輸出DAC，用來動態(tài)控制加熱電壓，并采用PID進(jìn)行加熱功率控制。

工作原理如下：上電后，探測器首先進(jìn)行環(huán)境檢測前的初始化處理，包括風(fēng)機(jī)的上電啟動、傳感器的預(yù)熱和自身工作狀態(tài)的檢測。首先，控制器對CO傳感器和VCO傳感器進(jìn)行3分鐘的預(yù)熱處理。預(yù)熱結(jié)束后，探測器進(jìn)行狀態(tài)自檢，如果出現(xiàn)故障，則會進(jìn)行上報處理；如果工作狀態(tài)正常，系統(tǒng)進(jìn)入正常檢測狀態(tài)。探測器通過對環(huán)境溫度、濕度、VOCs濃度以及CO濃度進(jìn)行循環(huán)檢測和數(shù)據(jù)處理，通過內(nèi)置火災(zāi)預(yù)警算法進(jìn)行火情判斷，每2秒鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，通過RS485/422總線上報一次。經(jīng)過算法判斷如有火情出現(xiàn)，火情打包數(shù)據(jù)每秒上報1次，同時啟動紅色LED 燈進(jìn)行閃亮報警。

2 關(guān)鍵電路設(shè)計

2.1 氣體濃度采集電路

氣體濃度采集電路包括VOCs 濃度采集的HGS1001氣體傳感器、CO濃度采集的HGS1006-B氣體傳感器以及信號處理電路。

氣體傳感器的工作原理如下：當(dāng)傳感器穩(wěn)定工作于潔凈空氣環(huán)境時，將傳感器的敏感電阻設(shè)定為傳感器基準(zhǔn)電阻（R0） 。一旦空氣中存在被測氣體，半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率會發(fā)生變化，傳感器的敏感電阻（Rs） 也會相應(yīng)改變。根據(jù)傳感器敏感電阻（Rs） 和傳感器基準(zhǔn)電阻（R0） 的比值來計算被測氣體的濃度。

傳感器基本檢測電路主要由加熱器電壓（Vh） 、回路測量電壓（Vc） 和負(fù)載匹配電阻（Rm） 組成。加熱器電壓（Vh） 用于激活和保持納米材料的靈敏度，回路測量電壓（Vc） 結(jié)合負(fù)載匹配電阻（Rm） 用于測定負(fù)載匹配電壓（Vm） 。傳感器敏感電阻（Rs） 可根據(jù)負(fù)載匹配電壓（Vm） 的測定值進(jìn)行計算，即：

HGS1006-B 氣體傳感器與HGS1001 氣體傳感器的工作原理和使用類似，傳感器內(nèi)部包含一個加熱電路和一個測量電路，其中H+和H-為加熱電路的正負(fù)極，C+和C-為測量電路的正負(fù)極。傳感器的加熱電源可通過運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓跟隨供電，同時單片機(jī)可通過輸出DAC動態(tài)控制電壓，實現(xiàn)傳感器內(nèi)部的恒電阻加熱。

氣體傳感器信號處理電路采用了2片低成本MSOP8 封裝的ADA4505-2 運(yùn)放。該運(yùn)放可采用1.8～5V單電源供電，具有出色的電源抑制比和共模抑制比。每個放大器的工作電源電流小于10uA，可實現(xiàn)軌到軌輸入輸出、零輸入交叉失真和極低的偏置電流。信號處理電路對氣體傳感器測量電流進(jìn)行調(diào)理放大，并將輸出相應(yīng)的電壓信號到單片機(jī)AD端口。

氣體濃度采集模塊電路圖如圖2所示。

2.2 風(fēng)路設(shè)計

在密閉或半密閉小空間內(nèi)，氣體流動性不佳的情況下，需要考慮進(jìn)風(fēng)吸氣設(shè)計。本設(shè)計選配了MX2508微型風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)配有液壓軸承、壽命長、尺寸小（25mm×20mm×8mm） ，使用電壓為2.8～5v，低電壓保持低速運(yùn)行狀態(tài)下功耗功耗在10mA以內(nèi)。風(fēng)機(jī)安裝在L型底上，風(fēng)機(jī)口正對著L型底座的矩形開口，形成風(fēng)道。通過單片機(jī)端口出PWM波，串接330歐姆電阻接入微型風(fēng)機(jī)，可精準(zhǔn)的控制風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)電流，使風(fēng)機(jī)保持在2～4r/s。同時，為了指示風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，將一個LED燈并聯(lián)連接到風(fēng)扇上。

2.3 溫度采集設(shè)計

溫度采集電路設(shè)計如圖3，為了更好地降低功耗，對溫度測量電路的供電電源進(jìn)行即時控制，即在測量時接通電源。這里采用了零柵壓漏電為uA 級的SI2301 MOS管。溫度傳感器采用MF52-10k，該傳感器測溫范圍為-55～125度。

2.4 濕度采集設(shè)計

GXHT3 是中科銀河芯最新推出的一款小尺寸2mm×2mm數(shù)字式溫濕度傳感器，其測量精度優(yōu)異，具有小尺寸、低功耗和性價比高的特點。該傳感器包含一套完整的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，包括電容式濕度傳感器、帶隙溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲器和IIC數(shù)字通信接口，能夠直接對外輸出已校準(zhǔn)的數(shù)字信號。傳感器的濕度測量范圍為0%～100%RH，精度為±2%RH，其精度能夠滿足我們的測量要求。

GXHTC3溫濕度傳感器采用3.3V供電，供電電壓（VDD） 需要使用100nF的電容進(jìn)行去耦，該電容應(yīng)盡可能靠近傳感器放置。該傳感器可以直接對外輸出已校準(zhǔn)的數(shù)字信號，與單片機(jī)之間采用IIC同步通信方式進(jìn)行通信。

2.5 控制單元電路設(shè)計

該裝置主控模塊采用國產(chǎn)MM32F0020B1T，使用高性能的ARM32位單片機(jī)。該款單片機(jī)搭載了靈動微電子推出的MCU，其搭載48MHz Arm Cortex-M0內(nèi)核，提供32KB Flash和2KB SRAM的高速存儲器，具有豐富的增強(qiáng)型I/O端口和多種外設(shè)，包括1個12位ADC、1個16位通用定時器、1個16位基本定時器、1 個16位高級定時器、2個UART接口、1個SPI接口和1 個I2C接口。其功能和性能滿足本探測器的設(shè)計需求，其控制單元電路設(shè)計如圖4所示。

2.6 電源電路設(shè)計

設(shè)計采用SL1588M電源轉(zhuǎn)換模塊，該器件是一種具有內(nèi)部功率MOSFET的高頻、同步、整流、降壓開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器。它提供了一個非常緊湊的解決方案，能夠在廣泛的輸入電壓范圍內(nèi)提供2A連續(xù)輸出電流，并具有優(yōu)良的負(fù)載和線路調(diào)節(jié)。ECOT PSM控制操作提供了非常快速的瞬態(tài)響應(yīng)和簡單的回路設(shè)計，以及非常嚴(yán)格的輸出調(diào)節(jié)。此外，它需要較少數(shù)量的外部元件，采用了較小的SOT23-6封裝。該模塊的輸出具有可調(diào)節(jié)的輸出電路，內(nèi)置了電流限制、電壓保護(hù)、打嗝模式下的短路保護(hù)和熱關(guān)機(jī)功能。另外，它還內(nèi)置了軟啟動功能，在輕負(fù)載下可以實現(xiàn)高效率的PFM 模式。

2.7 接口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

探測器對外通信接口采用低成的RS422接口轉(zhuǎn)換芯片WS3080，封裝為MSOP-8，該芯片接口電路如圖5所示。

3 算法程序設(shè)計

一般的火災(zāi)發(fā)展過程經(jīng)歷初始階段、可見煙階段、火焰階段和極大蔓延階段?；谳^早期監(jiān)測火災(zāi)的需求，在火災(zāi)發(fā)展的初始階段對環(huán)境的氣體及溫度進(jìn)行測量，并基于溫度和氣體變化趨勢進(jìn)行算法設(shè)計，以具備較強(qiáng)的抗環(huán)境干擾能力，從而達(dá)到監(jiān)測準(zhǔn)確率高、虛警漏警率低的目的。

本設(shè)計基于火災(zāi)特征參量研究，針對火災(zāi)特征參量的變化，構(gòu)建了高準(zhǔn)確率的識別模型。

設(shè)計采用了復(fù)合式多特征參量的火災(zāi)檢測方法，對環(huán)境的溫度、濕度、電纜線高溫產(chǎn)生的VOCs氣體以及火災(zāi)產(chǎn)生的CO氣體進(jìn)行監(jiān)測。同時，基于多特征耦合判斷方法，通過閾值實現(xiàn)不同階段的火災(zāi)預(yù)警設(shè)計。

同時，針對氣體受到環(huán)境干擾較大的問題，采用氣體變化趨勢的方法進(jìn)行火災(zāi)報警設(shè)計，如圖6所示。

實際火災(zāi)產(chǎn)生過程中，火災(zāi)的特征產(chǎn)物，如特征VOCs氣體和CO氣體，在短時間內(nèi)會呈現(xiàn)明顯的指數(shù)曲線變化趨勢。為了獲取對待測環(huán)境使用的線纜進(jìn)行模擬實驗的結(jié)果，我們研究了該線纜材料火災(zāi)燃燒產(chǎn)物的氣體產(chǎn)生規(guī)律及參數(shù)，并將其植入到火災(zāi)判斷的算法中。這樣做可以獲得高準(zhǔn)確率、低虛警和低漏警的火災(zāi)判斷方法。

4 驗證

該復(fù)合探測器的性能驗證主要針對VOCs和CO 的檢測性能進(jìn)行檢驗，尤其是穩(wěn)定的一致性是該產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵。這里就重點介紹一下該探測器對不同試驗煙火下進(jìn)行的報警響應(yīng)一致性性能驗證。我們使用了2臺樣機(jī)，分別進(jìn)行了SH2標(biāo)準(zhǔn)和SH4標(biāo)準(zhǔn)煙的測試，并進(jìn)行了比較。

根據(jù)探測器使用場合，選擇了尺寸高1m、寬0.6m、深1.2m的密閉燃燒實驗箱?；鹪丛O(shè)置在地面中心處，而探測器則安裝在側(cè)壁上。分別采用SH2棉繩陰燃火和SH4正庚烷火作為試驗火，獲得A、B樣機(jī)在兩種試驗火種下的試驗數(shù)據(jù)的一致性，如圖7所示。

5 結(jié)束語

本設(shè)計是一種應(yīng)用在密閉小空間（重要電氣箱、數(shù)字機(jī)柜等設(shè)備）內(nèi)部的火災(zāi)消防電子產(chǎn)品設(shè)計。該設(shè)計不僅滿足于監(jiān)測密閉區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)探測，還可實時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的健康環(huán)境的多特征參數(shù)的變化。同時，它具備高集成度的電路設(shè)計以及緊湊的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計（45mm×45mm×56mm） ，安裝方便且性能穩(wěn)定可靠。

經(jīng)過一系列測試驗證，本探測器已達(dá)到產(chǎn)品級設(shè)計的要求：體積小、低功耗、穩(wěn)定可靠，在密閉的箱體內(nèi)有火災(zāi)發(fā)生條件下具有正確動作和一致性的數(shù)據(jù)上報。該設(shè)計已在苛刻環(huán)境要求的軍工項目中得到了充分的應(yīng)用驗證，對于應(yīng)用在綠化能源、軍事裝備、化工、煤礦等領(lǐng)域的特殊火災(zāi)探測器產(chǎn)品開發(fā)具有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳穎. 火災(zāi)增長速率對感溫火災(zāi)探測器響應(yīng)時間影響的研究[J]. 熱科學(xué)與技術(shù)，2010，9（2）：171-176.

[2] 杜志偉. 基于紅外圖像動態(tài)特征的早期火焰探測方法研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2019.

[3] 馬寶珠，鄒方勇. 國外關(guān)于火災(zāi)初期煙氣在空間內(nèi)擴(kuò)散的研究[J]. 消防科學(xué)與技術(shù)，2006，25（1）：43-46. .

[4] 王宇楠，葉代啟，林俊敏，等. 漆包線行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放特征研究[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2012，32（6）：980-987. .

[5] 姜朋宇，聶堯聲. 以火焰之藍(lán)贊青春之美[J]. 中國消防，2023（6）：23-25.

【通聯(lián)編輯：梁書】