| 标题 | 博物馆内火灾烟雾报警器设计 |
| 范文 | 刘速 摘 要： 目前大多数火灾烟雾报警器都是由火灾烟雾传感器和火灾烟雾探测芯片组成，烟雾探测芯片通过对接收到的传感器信号进行处理分析，从而判定是否有火灾发生，这种方法虽然结构简单但反应慢，存在误报和漏报等问题。为此提出一种单片机的火灾烟雾报警器设计方法。首先，设计监测CO浓度、烟雾浓度以及温度变化的传感器，用A/D转换电路将传感器检测信息转换成单片机可处理的数字信号，通过ZigBee无线通信技术将单片机处理过的信号传输到火灾烟雾报警器控制服务器模块，完成博物馆内火灾烟雾报警器硬件设计。利用连续概率模型对采集获得的温度、烟雾和CO浓度信息进行分析处理，由此完成博物馆内火灾烟雾报警器设计，提高火灾报警的准确性和及时性。通过仿真实验证明，所提方法能够有效提高报警器报警的准确性和及时性，能够快速地反应整个火灾概率过程，并给出预警、报警信号，符合博物馆的使用条件，具有良好的使用价值。 关键词： 检测模块； 火灾烟雾报警器； ZigBee； 浓度传感器 中图分类号： TN02?34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 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 隨着博物馆用电量的增加，博物馆火灾发生的频率越来越高[1]。博物馆火灾一旦发生，很容易出现火速蔓延快，扑救不及时，在场人惊慌失措、逃生迟缓等情况，最终造成大量的损失[2?3]。火灾烟雾报警器对博物馆预防火灾、减少火灾损失具有现实意义。本文提出一种基于光电感应的火灾烟雾报警器，它通过前端的检测模块实时采集数据信号，用滤波电路去除杂波，并通过放大电路得到真实的电信号，然后由模/数转换模块将电信号转化为单片机能识别的数字信号。单片机接收到数据后进行分析、过滤，最后确定是否应该报警，然后再进行相应的处理。这种方法抗环境干扰的能力强，而且运行稳定，误报率低，是解决该问题的有效途径，也成为业内人士研究的焦点问题，研究取得了丰硕的成果[4?5]。 文献[6]提出基于CAN的博物馆无线火灾烟雾报警器设计方法，通过使用ARM S3C2440作为该火灾烟雾报警器的主控芯片。利用CAN节点进行数据交换，完成烟雾报警功能。通过ZigBee将火灾烟雾报警器的烟雾报警模块与CAN进行无线数据传输，从而完成报警器设计，但利用这种方法设计出来的报警器，检测范围较小，其使用范围受到限制。 文献[7]提出基于单片机的火灾烟雾报警器设计方法，采用STM32F103单片机作为火灾烟雾报警器主机，并利用烟雾传感器和温度传感器作为火灾烟雾报警器的探测节点，并选用MSP430G2553系列单片机对火灾烟雾报警器进行控制。利用CC1101无线射频双工通信将主机和各节点连接起来组成网络。采用软件Altium Designer作为火灾烟雾报警器的硬件电路设计工具，同时采用软件Keil ARM进行报警器测试完善，从而完成火灾烟雾报警器设计，但通过这种方法设计的报警器，由于系统复杂在维护方面存在难度。 文献[8]提出基于WiFi技术的博物馆内火灾烟雾报警器设计方法，利用传感技术将烟雾浓度的部分数据通过WiFi进行远程传输，并且在终端设备上使用单片机、烟雾传感器等元器件来完成声光报警、消防灭火等功能，通过对火灾烟雾报警器的单片机和上位机进行编程，将火灾烟雾报警器中烟雾报警数据传输至上位机，并在上位机中对烟雾数据进行显示和存储。但这种方法对环境要求高，无法被广泛使用。 针对上述问题，本文提出一种单片机的火灾烟雾报警器设计方法。通过仿真实验证明，所提方法能够有效提高报警器报警的准确性和及时性，符合博物馆的使用条件，具有良好的使用价值。 1 博物馆内火灾烟雾报警器设计 博物馆中火灾烟雾报警器主要由用于火灾检测的传感器对CO浓度、温度、烟雾浓度等火灾特征信号进行汇集检测，然后将传感器检测的结果利用数模转换传输到火灾烟雾报警器的单片机上，通过火灾烟雾报警器的单片机对传感器检测数据进行预处理，利用无线通信芯片经ZigBee无线网络把经过单片机预处理的检测数据发送给火灾烟雾报警器的控制服务器模块，在控制服务器模块完成后续的分析与报警处理。通过将火灾特征检测设备安放在博物馆中的各个区域，实现随时检测火灾特征，提高检测的及时性。 1.1 博物馆内火灾烟雾报警器硬件设计 博物馆内火灾烟雾报警器的硬件设计内容包括对博物馆检测火灾特征信号的传感器的设计、对博物馆内火灾烟雾报警器中的单片机系统进行设计，以及对博物馆火灾烟雾报警器中连接检测模块与控制服务器的通信接口电路进行设计。 火灾特征信号检测传感器是火灾烟雾报警器的底层传感器，主要包括CO浓度、烟雾浓度以及温度变化传感器，通过将火灾发生时烟雾、温度、气体等变化产生的信号转换为电信号，做好对火灾特征信号的检测是提高火灾烟雾报警器检测正确率的重要手段。 其中CO浓度传感器通过在CO变化时将浓度变化信号转换成电信号，电信号的强弱随着浓度变化而变化，从而根据电信号的强弱判断CO浓度。目前CO浓度传感器主要可以分为半导体和非半导体两种类型，本文选用具有灵敏度高等优点的半导体类型的CO传感器。 由于DS18B20温度传感器的芯片不需要转换电路直接可以将检测的温度结果转化为数字信号，有利于提高火灾烟雾报警器的数据解析与处理能力，所以本文使用DS18B20温度传感器。其主要元件如图1所示，可以很容易地与火灾烟雾报警器其他部分连接起来，充分满足博物馆内火灾烟雾报警器的使用要求。 烟雾浓度传感器通过对空气中的电压电流变化进行烟雾检测，由于烟雾变化会引起空气中的电压电流变化，根据其变化强弱可以有效地对博物馆内烟雾变化进行检测。由于粒子式烟雾传感器检测精度较光电式烟雾传感器检测精度更高，所以本文选用粒子式烟雾传感器。 本文在进行火灾特征信号检测时，以51单片机作为核心处理器，利用A/D转换电流，将传感器检测数据转化为数字信号，利用时钟电路对采集数据的时间进行记录，通过RAM将采集的数据信息进行存储，利用ZigBee无线通信技术连接火灾特征信号检测的传感器和控制服务器，实现其之间的联通，从而完成火灾烟雾报警器的硬件系统设计，得到如图2所示的火灾烟雾报警器的火灾特征信号检测模块结构图。 由于ZigBee无线网络通信具有通信功耗和成本较低，能够适应复杂网络环境的优点。适合应用在本文博物馆应用环境，所以选用ZigBee无线通信技术对火灾烟雾报警器的数据进行传输，其具体性能参数如表1所示。 通过上述论证，完成火灾烟雾传感器硬件模块设计，为火灾烟雾传感器性能提高打下物资基础。 1.2 火灾烟雾报警器软件设计 火灾烟雾报警器的软件设计如图3所示，其中最重要的是CO浓度、烟雾浓度、温度的采集，博物馆内火灾烟雾报警器火灾主要依据CO浓度、烟雾浓度、温度联合判断，其具体火灾发生概率判决规则及其推理详细模型如下所示： 由于博物馆CO的标准差和均值共同作用影响博物馆火灾发生概率。针对这一因素，对博物馆内火灾烟雾报警器参数进行调整，设定[T0]表示火灾烟雾报警器的统计分析时间；[fs]表示进行CO信息进行收集的频率；[s]表示博物馆CO浓度的标准差；[E]表示CO浓度的均值；[P]表示博物馆火灾发生的概率。式（1）表示博物馆火灾发生的概率[P]与博物馆CO浓度的标准差[s]的關系，式（2）表示博物馆火灾发生的概率[P]与博物馆CO浓度的均值[E]的关系。 通过式（3）可以看出，博物馆CO浓度随着CO浓度标准差[s]值的变化而变化，当CO浓度标准差[s]的值由小变大时，CO浓度变化逐渐明显，当博物馆CO浓度标准差[s]逐渐到达博物馆CO浓度标准差阈值[sF]后就会存在发生火灾的概率[P]，且[P]与[s]之间成正比例关系，随着博物馆CO标准差[s]的增大，博物馆火灾发生概率[P]也随之增大，到达博物馆CO标准差饱和值[sM]后，通过博物馆CO信号能确定火灾已发生。 当火灾发生概率未达到火灾预警概率阈值[Pτ]时，则判定博物馆环境是安全的，不报警；如果火灾发生概率超过火灾预警概率阈值[Pτ，]则认为此时博物馆存在火灾的危险，进行预警，火灾发生的危险系数[φ（P）]与火灾发生概率[P]之间存在正比例关系，危险系数[φ（P）]越大，火灾发生概率[P]越高，博物馆内火灾烟雾报警器的警笛响音就越急促，报警器报警灯闪烁也越快速；当超过报警器火灾报警概率饱和值[Pm]之后，则认定发生火灾的概率超出了容忍度，基本确定火灾已发生，报警器通过必要措施关闭电源，开启消防系统，从而完成报警器软件设计。 2 实验结果与分析 为了证明本文提出的基于单片机的火灾烟雾报警器设计方法的有效性，以Intel P4 2G处理器为硬件环境，Matlab 2008a为平台，通过模拟火灾发生情况，进行仿真实验。运用对比法将本文所提方法与文献[6]提出的无线火灾报警器设计方法相比较，从而完成实验。 分别利用本文所提火灾烟雾报警器设计方法和文献[6]提出的无线火灾报警器设计方法的反应时间进行对比分析，对比结果如表2表示。 从表2可以看出，本文所提设计方法设计的火灾烟雾报警器系统能够大幅度提高反应时间，反应时间较文献[6]方法火灾报警器反应时间降低了接近一倍。 分别利用本文所提火灾烟雾报警器设计方法和文献[6]提出的无线火灾报警器设计方法进行报警情况分析，对比结果如表3表示。设定报警准确为对火灾预测的准确性，即在火灾发生前进行报警的次数；报警失误为没有在火灾发生前进行报警的次数。 设定火灾报警器报警的准确率是正确报警次数与总实验次数的比值，火灾报警器报警的失误率为失误报警次数与实验总次数的比值。 分别利用本文所提火灾烟雾报警器设计方法和文献[6]提出的无线火灾报警器设计方法进行报警准确率和失误率对比，对比结果如图4，图5所示。 通过图4，图5可以看出，本文所提设计方法报警准确率在90%～95%之间，失误率不超过10%；而文献[6]提出的无线火灾报警器设计方法报警准确率在80%～85%之间，失误率在15%以上。综合上述实验可以看出，本文所提报警器设计方法能够有效减少报警延迟，提高了报警及时性，具有较强的使用价值。 3 结 语 博物馆内储藏着自然和人类文化遗产的实物，一旦发生火灾将造成不可预估的损失，所以火灾烟雾报警器在博物馆内起着重要作用。本文提出基于单片机的火灾烟雾报警器适用于博物馆环境，能够及时准确地对火灾发生进行预估报警，具有较强的使用价值。 参考文献 [1] 高燕，刘瑾，张菁，等.基于PLC的多数据采集监测报警系统研究[J].仪表技术与传感器，2016（5）：40?43. [2] 李强，周玉国.35 kV高压配电柜柜内温度异常报警系统的设计[J].电测与仪表，2015，52（1）：86?90. [3] 金晨，蔡光强，陈果，等.基于无线传感网和数据融合技术的火灾报警系统设计[J].仪表技术与传感器，2016（6）：66?68. [4] 谯自强，刘晋，周东平.基于无线通信技术的燃气报警系统设计[J].电子技术应用，2016，42（3）：78?80. [5] 刘捷.基于STC單片机的轮胎气压自动控制与报警系统设计[J].现代电子技术，2016，39（17）：109?111. [6] 张涛，周晨蕾，李海龙，等.声表面波煤矿瓦斯传感器声光报警系统的设计与制备[J].微电子学与计算机，2015，32（12）：122?125. [7] 陈菁，王志华.基于Android平台的家用无线防盗报警系统研究[J].现代电子技术，2015，38（8）：117?119. [8] 卓从彬，杨龙频，周林，等.基于MPU6050加速度传感器的跌倒检测与报警系统设计[J].电子器件，2015（4）：821?825. |
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