姚樹香

（廈門軟件職業(yè)技術學院，福建 廈門 361000）

目前國內火災預警系統(tǒng)大部分仍然使用傳統(tǒng)火災預警系統(tǒng)，智能化程度不高并且有的還存在缺陷，這存在很大的隱患?；诖?，本文提出一種基于多傳感器融合的火情預警系統(tǒng)的方案。

1 系統(tǒng)總體架構

本研究的基于多傳感器信息融合的火情預警系統(tǒng)利用多個傳感器的采集信息，融合環(huán)境中采集的各個狀態(tài)值，征詢火災早期發(fā)生規(guī)律，能夠在火災早期小火時準確判斷，產生有效報警。整體工作架構如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體架構圖

2 系統(tǒng)硬件結構

2.1 系統(tǒng)硬件總體架構

本系統(tǒng)硬件包括通信板模塊和監(jiān)測模塊兩個部分。其中以單片機為處理器的監(jiān)測模塊為系統(tǒng)核心，在其上運行主要的嵌入式軟件，對各個模塊進行控制。監(jiān)測模塊包括一氧化碳采集、二氧化碳采集、煙霧采集、溫度濕度采集、地址模塊等，完成各項數據的采集、初步整理；通信板是監(jiān)測模塊與綜合管理平臺溝通的橋梁。

系統(tǒng)的總體流程是：系統(tǒng)在上電后進行自檢，查看有沒有故障，然后進行自身地址確認，系統(tǒng)開始運行，各個傳感器的數據經過調理電路和AD轉換后進入單片機，單片機進行數據初步處理，并根據要求發(fā)送給綜合管理平臺，由管理平臺進行后續(xù)處理，硬件在故障后自身進行報警提醒。由此可以看出監(jiān)測模塊的重要性，尤其是其中的傳感器采集模塊。

2.2 單片機選擇

系統(tǒng)選擇STC12C5A60S2系列單片機，該系列單片機處理能力可以滿足所需要求，而且有應用廣泛，體積小，功能強大，面向控制、開發(fā)應用方便，功耗低，成本低等優(yōu)點。

2.3 傳感器的選擇

（1）一氧化碳濃度傳感器：各項權威試驗表明，CO在火場中的大致含量為：地下室 0.04%～0.85%；悶頂閣樓內0.01%～0.1%；樓內或室內0.01%～0.4%；可燃物爆炸5%～7%。目前較好的傳感器 CO濃度測量范圍最高為 2000ppm（0.2%），而國家室內外空氣質量標準CO濃度均不超過 8ppm。因此本系統(tǒng)應該選擇 4～2000ppm范圍的CO傳感器。故本系統(tǒng)采用英國CITY公司的4CM一氧化碳電化學傳感器。

（2）二氧化碳濃度傳感器：典型材料在火災燃燒條件下 CO2的體積分數約為 0.7%。目前較好的傳感器CO2濃度測量范圍可達為50000 ppm（5%）以上，而國家室內空氣質量標準CO2濃度不超過0.1%(1000ppm)。因此選擇100～50000 ppm范圍的CO2傳感器是合適的。本系統(tǒng)結合各項因素所選二氧化碳傳感器參數如下：型號 COZIR Ultra Low Power Carbon Dioxide Sensor。

（3）煙霧濃度傳感器：國家消防標準報警的煙霧濃度標準是 3%。目前一般的煙霧濃度傳感器測量范圍為0～5%，故此選擇型號HIS-07 離子型煙霧傳感器。

（4）溫濕度傳感模塊：溫度（迅速超過常溫）、濕度（超過常濕）的范圍很容易滿足火災現場的要求，從人們日常生活環(huán)境可以確定，測上限在溫度80℃、濕度90%即可。此外，該傳感器的精度（含恢復誤差）要求不是很高，結合實際傳感器保證的精度能力，在25%以內即可。但是，因為本系統(tǒng)要達到提前預警的作用，其響應時間要求必須快，現在業(yè)界一般傳感器響應時間在30～60秒，但本系統(tǒng)目標設計應該要10秒以內的，所以選擇性能更優(yōu)的法國進口溫濕度模塊HTF3226LF。

3 硬件電路設計

在火災發(fā)生的早期，會伴隨大量的煙霧產生，對煙霧濃度的測量也是火災判斷的重要依據之一，所以煙霧的設計與采集也是非常重要的。因本設計電路較多，本文重點給出煙霧濃度傳感器的設計以及電路圖。

3.1 煙霧濃度采集電路設計

根據煙霧濃度傳感器HIS-07的資料可得知，它的工作原理是當流經內外電離室的電離電子流不平衡時，收集極充電直到電離電流達到平衡。在無煙或無燃燒物時，收集極除受電離電流統(tǒng)計漲落影響外，保持平衡電位。當煙進入電離室時對電離電流產生影響，易于進煙的外電離室受影響大于內電離室，電離電流下降，收集極重新充電直到新的平衡電位，這種電位變化可用于采集煙霧濃度的變化。在 9V時 HIS-07的輸出為5.6V±0.4，再加上電源的變化0.25V，所以6.25V為其滿幅值，分辨率為 6.25V/1023≈6.25mV，而在煙霧濃度發(fā)生變化時（0%/英尺～5%/英尺），其電壓的變化值約為0.3V，所以為了滿足精度的要求，運放的Vsmax必須≤0.3mV=0.3V/1024，而AD820滿足此要求，所以這里選擇AD820，電路設計如圖2。

圖2 煙霧濃度采集電路圖

AD820運放的工作電流為800uA，電阻采用1K的，其上面的壓降為 0.8V，所以加在運放正向輸入端Vs處的電壓為9-0.8=8.2V，大于煙霧傳感器輸出處輸出的最大值6+0.2V。

3.2 煙霧報警電路設計

本系統(tǒng)所選擇的煙霧報警模塊適合安裝在少煙、禁煙場所探測煙霧離子，通過其里面自帶的煙霧傳感器測量煙霧，當煙霧濃度超過限量時，報警器發(fā)出聲音和指示燈閃爍的警告，并會在數字輸出端輸出報警信號。煙霧報警在正常狀態(tài)下輸出高電平信號，在報警狀態(tài)下輸出低電平信號，所以在設計上只需把煙霧報警器的輸出端接上單片機IO口，讀出信號狀態(tài)即可。

4 總結

該方案采用 STC單片機進行氣體采集電路的設計，通過通信板與主機進行通信，在顯示器上顯示各項濃度指標，預警發(fā)生及火災蔓延趨勢，具有應用和推廣價值。

[1]張坤.基于單片機的倉庫防火預警系統(tǒng)研究[D].保定：河北農業(yè)大學, 2011.

[2]王釗.智能型火災報警系統(tǒng)的設計與研究[D].西安：西安理工大學, 2009.