石家莊城市職業(yè)學(xué)院電子信息技術(shù)系 楊志云 寇雪梅 江春然 林海霞

北京瀚源消防設(shè)備有限公司 劉志欣

紅外主動(dòng)循跡定位滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

石家莊城市職業(yè)學(xué)院電子信息技術(shù)系 楊志云 寇雪梅 江春然 林海霞

北京瀚源消防設(shè)備有限公司 劉志欣

針對(duì)傳統(tǒng)的滅火系統(tǒng)很難對(duì)展覽館、運(yùn)動(dòng)館等大空間場(chǎng)合的火源進(jìn)行及時(shí)定位、報(bào)警和滅火這一難題，本文提出了一種基于紅外、紫外傳感器主動(dòng)探測(cè)火源并能自動(dòng)定位火源的大空間滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并介紹了大空間滅火系統(tǒng)自動(dòng)探測(cè)定位火源并實(shí)施定點(diǎn)噴水滅火的主要技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

水炮；主動(dòng)循跡；紅紫外復(fù)合火焰探測(cè)；狹縫探測(cè)技術(shù)

1.引言

大空間建筑早期火災(zāi)的探測(cè)與滅火在國(guó)內(nèi)一直是個(gè)難題，大空間建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于燃燒物在空間傳播時(shí)受到大面積、高空間和氣流等因素的影響，使得只有火災(zāi)發(fā)展產(chǎn)生很高的溫度和很高濃度的煙霧時(shí)，才會(huì)被常規(guī)感煙感溫消防系統(tǒng)所感應(yīng)，這時(shí)往往已失去了火災(zāi)撲救的最佳時(shí)期。同時(shí)雨噴淋系統(tǒng)一般也只適合用于低空范圍，如果安裝高度較高，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，噴射出的水滴會(huì)被上升的熱空氣迅速霧化，而無法達(dá)到有效滅火目的。所以現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)自動(dòng)噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)凈空高度8米的場(chǎng)所，因不能實(shí)施有效的探測(cè)與撲救，規(guī)定了可裝可不裝。大空間主動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的開發(fā)，可以為我國(guó)大空間場(chǎng)所的消防撲救提供一個(gè)全新而有效的手段，促進(jìn)消防技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

國(guó)內(nèi)近些年建筑業(yè)飛速發(fā)展，高大建筑越來越多，迫切需要解決消防安全問題。目前國(guó)內(nèi)消防水炮產(chǎn)品的研制，大多不能自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)著火點(diǎn)，也不能同報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。我們?cè)O(shè)計(jì)利用先進(jìn)的紅、紫外探測(cè)技術(shù)，自動(dòng)探測(cè)火源，并對(duì)火源的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行定位，然后利用單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)，啟動(dòng)水系統(tǒng)中的消防泵、電磁閥實(shí)施定點(diǎn)噴水滅火，從而解決高大空間的火災(zāi)探測(cè)、滅火這一難題。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為大空間建筑的消防安全提供了一種全新、有效的手段，具有非常好的發(fā)展前景。

2.紅外主動(dòng)循跡定位滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

紅外主動(dòng)循跡定位滅火系統(tǒng)集中了紅外和紫外探測(cè)技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)精確傳動(dòng)技術(shù)、定點(diǎn)射水技術(shù)等，形成具有智能性和主動(dòng)性，而成本十分低廉的高大空間滅火系統(tǒng)。

2.1 紫外、紅外綜合探測(cè)技術(shù)

紅、紫外火焰探測(cè)是紅外主動(dòng)循跡定位滅火系統(tǒng)的核心技術(shù)。如果想對(duì)火災(zāi)的發(fā)生進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)，需要對(duì)火焰的熱量、煙、光等特征元素進(jìn)行分析、并盡量排除影響探測(cè)的一些因素，如太陽光、電焊電弧光、鹵素?zé)艄獾龋瑥亩档突馂?zāi)的誤報(bào)。該技術(shù)原理主要是感光探測(cè)，因?yàn)槲镔|(zhì)在燃燒時(shí)會(huì)釋放大量紅外、紫外線和可見光，并通過分析發(fā)現(xiàn)所有物質(zhì)在燃燒時(shí)，其火焰都會(huì)釋放波長(zhǎng)在0.185~0.245μm的紫外線。雖然太陽光中也有此波長(zhǎng)的紫外線，但臭氧層吸收了這部分光線，所以選擇使用紫外傳感器來探測(cè)火源是一個(gè)很好的選擇。[7]為避免陽光干擾，我們還選擇只對(duì)火焰紅外特征光譜反應(yīng)的紅外傳感器（常在軍用導(dǎo)彈使用），利用火焰閃爍特性，[2]對(duì)火焰進(jìn)行探測(cè)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，我們采用紫外探測(cè)技術(shù)進(jìn)行全方位探測(cè)，初步確定火災(zāi)是否發(fā)生；再采用獨(dú)特的狹縫多級(jí)紅外探測(cè)方式，對(duì)火災(zāi)位置進(jìn)行坐標(biāo)定位，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)滅火。這兩種技術(shù)的結(jié)合，使得火焰探測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性有了很高的保證。[6]

2.2 步進(jìn)電機(jī)精確傳動(dòng)技術(shù)

設(shè)計(jì)紅外主動(dòng)循跡定位滅火系統(tǒng)的主體是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)電一體化裝置。在確定著火點(diǎn)后，需要噴水滅火裝置能在水平和垂直方向旋轉(zhuǎn)。為此我們?cè)O(shè)計(jì)采用單片機(jī)對(duì)兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角度（步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角為1.8度，通過齒輪變換后可達(dá)到0.1296度，精度很高，對(duì)定點(diǎn)位置的控制是非常有利的）進(jìn)行控制和微調(diào)，使其通過一個(gè)雙聯(lián)過渡齒輪和一個(gè)減速齒輪實(shí)現(xiàn)水平和垂直的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能。[4]

2.3 準(zhǔn)確定點(diǎn)射水技術(shù)

由于水是以拋物線下落的，所以在噴水、射水裝置設(shè)計(jì)時(shí)，必須解決如何讓噴射出的水準(zhǔn)確落在著火點(diǎn)上的問題。為此我們綜合考慮了水流速度、射水裝置安裝高度、傾斜角以及風(fēng)的阻力等多方因素。通過多次試驗(yàn)，初步設(shè)計(jì)一套數(shù)學(xué)模型，編制了自動(dòng)仰角補(bǔ)償算法，只需要將現(xiàn)場(chǎng)的一些參數(shù)輸入設(shè)備，即可準(zhǔn)確定點(diǎn)滅火。[1]

3.紅外主動(dòng)循跡定位滅火系統(tǒng)的具體技術(shù)方案

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電路控制部分分為主從CPU控制電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路、紅外探測(cè)及模擬放大電路、紫外探測(cè)及控制電路、隔離通訊電路等五個(gè)主要部分。

主從CPU分別采用Microchip公司的PIC16F877和PIC16F630芯片，分別獨(dú)立處理紅外、紫外的探測(cè)信號(hào)，經(jīng)軟件濾波處理后與火災(zāi)模式數(shù)據(jù)比較、運(yùn)算和處理，完成火災(zāi)發(fā)生的判斷；并共同控制關(guān)鍵設(shè)備水路電磁閥的啟動(dòng)和停止，有效防止因電磁干擾、單片機(jī)失效，等問題引起的設(shè)備誤動(dòng)作現(xiàn)象發(fā)生。確保滅火系統(tǒng)的安全性和可靠性，避免出現(xiàn)誤噴現(xiàn)象。

由于紅外探測(cè)有效距離需要達(dá)到40米以上，探測(cè)的信號(hào)非常微弱，要求對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)在數(shù)千倍到上萬倍左右?；鹧嫒紵龝r(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，一般頻率在4～20Hz，所以設(shè)計(jì)放大電路時(shí)要選用帶通濾波放大電路，直流及較高頻率信號(hào)得到有效抑制。放大器要選用低噪聲運(yùn)放，經(jīng)三級(jí)放大得到一個(gè)變化幅度較大的信號(hào)，再經(jīng)比較器整形為脈沖信號(hào)。為增加測(cè)量可靠性，采用測(cè)量火焰光譜中的紅外波段（2～4μm波長(zhǎng)）和紫外波段（0.185～0.245μm）使誤動(dòng)作的概率大大降低。

為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，消除共地對(duì)系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性的影響，各滅火設(shè)備、控制器設(shè)備之間均采用完全電氣隔離和分布式電源供電方式；即AC220V電源線分別供給各臺(tái)滅火設(shè)備的電源接口箱，再由電源接口箱經(jīng)電氣隔離轉(zhuǎn)換為直流24V提供給滅火設(shè)備，各電源間完全電氣隔離；通訊聯(lián)系也采用隔離串行通訊。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于滅火裝置采用雙CPU控制，大的方面分為主機(jī)軟件和從機(jī)軟件；從功能上可劃分紅外和紫外信號(hào)處理、步進(jìn)電機(jī)定時(shí)控制軟件、火災(zāi)判斷處理、啟動(dòng)水泵控制程序等。

火焰信號(hào)的探測(cè)與處理是非常關(guān)鍵的，兩個(gè)CPU分別對(duì)紅外信號(hào)和紫外信號(hào)進(jìn)行處理，由于探測(cè)火焰的紅外信號(hào)時(shí)很容易受到背景光、陽光以及無線電磁波的影響，[2]根據(jù)火焰的特征光譜和其通常的閃動(dòng)頻率，有效甄別接收信號(hào)脈沖寬度、變化頻率，采用數(shù)字信號(hào)累積運(yùn)算法和火災(zāi)特征趨勢(shì)判斷法等多種智能算法，并增加數(shù)字濾波和極值去除的方法處理接收信號(hào)；為進(jìn)一步減小環(huán)境因素影響，信號(hào)處理程序增加了定期檢測(cè)環(huán)境背景光并自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償其變化，排除由各種復(fù)雜的環(huán)境因素引起的干擾，如環(huán)境中各種燈光、電干擾脈沖、發(fā)熱黑體等，確保了探測(cè)準(zhǔn)確可靠。

軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通過火焰信號(hào)的有無及變化特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)水平和垂直兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。采用中斷定時(shí)控制模式，以串行SPI通訊方式控制電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)動(dòng)速率，可以變速運(yùn)動(dòng)。[4]通過兩級(jí)紅外信號(hào)作為觸發(fā)源，進(jìn)行水平掃描和垂直掃描，直至準(zhǔn)確定位，停止電機(jī)動(dòng)作，確認(rèn)火警后，開啟外部輸出設(shè)備，噴水滅火。

為保證設(shè)備可靠運(yùn)行，軟件中采用系統(tǒng)重恢復(fù)技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾或進(jìn)入軟件死循環(huán)后，利用程序運(yùn)行監(jiān)視器WTD的自動(dòng)復(fù)位功能，重新從整個(gè)程序的入口處開始執(zhí)行程序，以保證程序可靠有效地運(yùn)行。[5]

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滅火裝置是一種機(jī)電一體化設(shè)備，其機(jī)械構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低廉、易于拆裝、實(shí)用性強(qiáng)以及使用壽命較長(zhǎng)。其結(jié)構(gòu)部件主要包括：進(jìn)水管、水平支撐板、水平傳動(dòng)換向機(jī)構(gòu)、垂直支撐板、垂直傳動(dòng)換向機(jī)構(gòu)、射水管、三級(jí)探測(cè)傳感器、射水轉(zhuǎn)動(dòng)體，還包括水流換向體、分別固定于裝置上端和下端的頂聯(lián)接板和底聯(lián)接板以及水平傳動(dòng)換向機(jī)構(gòu)。

水流換向體為一體結(jié)構(gòu)件；進(jìn)水管穿過頂聯(lián)接板及水平支撐板與水流換向體的進(jìn)水端密封連接，射水轉(zhuǎn)動(dòng)體穿過垂直支撐板與水流換向體的出水端密封連接，射水管與射水轉(zhuǎn)動(dòng)體的下端密封螺紋連接；它既能實(shí)現(xiàn)滅火裝置的功能，又可以減少與其相配合的相關(guān)零部件，易于加工制造，節(jié)省產(chǎn)品制造成本。

設(shè)置的底聯(lián)接板結(jié)構(gòu)，可以將一些零部件組裝在其上，易于拆卸，便于維修。步進(jìn)電機(jī)，過渡齒輪，水平傳動(dòng)齒輪、過渡套，水平換向齒輪套，水平換向組件及水平換向開關(guān)，水平限位銷；步進(jìn)電機(jī)、過渡齒輪、水平換向開關(guān)及水平限位銷分別固定于所述水平支撐板，

進(jìn)水管與水流換向體的進(jìn)水端密封連接是通過在進(jìn)水端設(shè)置二軸承和一密封圈，進(jìn)水管的下端依次穿過軸承的內(nèi)環(huán)和密封圈而實(shí)現(xiàn)。

4.紅外主動(dòng)循跡定位滅火系統(tǒng)的構(gòu)成

紅外主動(dòng)循跡定位滅火系統(tǒng)是由滅火裝置、電源接口、電磁法、現(xiàn)場(chǎng)控制箱、集中控制器、水泵控制器、水路管網(wǎng)、加壓泵、控制線構(gòu)成大空間滅火系統(tǒng)。通常使用時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)面積和水炮保護(hù)面積選取一定數(shù)量的設(shè)備，同時(shí)水路管網(wǎng)干管和支管按照滅火裝置設(shè)計(jì)要求的口徑設(shè)計(jì)。為保證滅火時(shí)有足夠的水流量，系統(tǒng)水壓一般在0.6～1MPa，具體設(shè)計(jì)可參考相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和產(chǎn)品設(shè)計(jì)手冊(cè)。[3]

5.結(jié)束語

大空間場(chǎng)所的消防安全越來越受到消防行業(yè)的關(guān)注，由于傳統(tǒng)消防產(chǎn)品的局限性，使得更多消防企業(yè)開始研制用于大空間的消防滅火裝置。紅外主動(dòng)循跡定位滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究為大空間的消防滅火裝置的研制提供了一整套的設(shè)計(jì)方案，它是一種全新的大空間自動(dòng)滅火設(shè)備，具有很好的市場(chǎng)推廣價(jià)值，也必將有廣闊的發(fā)展前景。

[1]GB25204-201,自動(dòng)跟蹤射流滅火系統(tǒng)[S].中國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)頒布,2010.

[2]GB15631-2008特種火災(zāi)探測(cè)器[S].中國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)頒布,2008.

[3]DBJ15-34-2004,大空間智能型主動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].廣東省建設(shè)廳發(fā)布,2004.

[4]何希才,姜余祥.電動(dòng)機(jī)控制電路應(yīng)用實(shí)例[M].中國(guó)電力出版社,2005.

[5]王幸之,王雷.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,1999.

[6]LIE302 pyroelectric IR-detectors for measurement applications技術(shù)文檔[EB/OL].德國(guó)Infra Tec公司.

[7]FLAME SENSOR UV TRON R2868技術(shù)文檔[EB/OL].HAMAMATSU公司.

課題：河北省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)項(xiàng)目（Z2012119）。

楊志云（1972—），女，河北石家莊人，1995年畢業(yè)于中南工學(xué)院，高級(jí)工程師，主要從事計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用研究以及教學(xué)工作。