基于信息融合技術的無線火災探測報警系統(tǒng)

摘要 為了解決傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)只對火災的某一種物理或化學信號進行探測而容易出現(xiàn)誤報和漏報的問題，將多傳感器復合探測技術和無線通信技術應用到火災探測報警系統(tǒng)中，設計了一種基于STM32為主控制芯片的智能分布式無線火災探測報警系統(tǒng)，系統(tǒng)能同時采集CO濃度、煙霧濃度和溫度3個火災參數(shù)，利用無線通信技術進行數(shù)據(jù)傳輸，采用智能算法對火災信息進行處理和判斷。經(jīng)調(diào)試，誼系統(tǒng)能夠及時、準確地預警火情。
關鍵詞 火災探測；STM32；ZigBee技術；信息融合

    火的應用對人類的文明發(fā)展起了重要的作用，而火災也一直威脅著人類的生活，造成了重大的生命財產(chǎn)損失。尤其近年來，隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化程度的進一步提高，人員密集場所數(shù)量不斷增加，火災的發(fā)生頻率越來越大，需要社會各界引起高度重視，及時消除隱患，確保消防安全。
    目前，火災自動探測報警系統(tǒng)的應用廣泛，在很多地方已成為必備裝置，起到了安全保障作用。但在火災探測報警系統(tǒng)的實際應用中，也出現(xiàn)了許多問題，市場現(xiàn)有產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，存在產(chǎn)品功能單一、可靠性穩(wěn)定性不高；只對某一種火災參數(shù)進行探測，出現(xiàn)誤報漏報等諸多問題。隨著微處理器技術、傳感技術、通訊技術、控制技術和人工智能技術等的不斷發(fā)展，火災探測報警系統(tǒng)的主要發(fā)展方向向著高可靠、低誤報漏報率及網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展。
    文中的研究目的在于提出一種基于多傳感器信息融合技術的火災探測系統(tǒng)方案，采集多個不同的火災特征參數(shù)，通過無線傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的傳輸，利用智能算法進行處理和判斷，對火災的發(fā)生進行及時準確的探測和報警。

1 結構設計
1．1 設計思想
    (1)多傳感器復合探測技術。一般將火災過程分為早期、陰燃、火焰放熱和衰減4個階段。火災早期釋放的多是燃燒氣體，主要包括CO、CO2、H2等，煙霧、火焰、熱量都較少；陰燃階段則產(chǎn)生大量的可見或不可見煙霧，火焰、熱量也不多；而火焰放熱階段則向外輻射熱量，環(huán)境溫度迅速上升。火災信號包括許多特征參數(shù)，每個參量都或多或少地表示了火災發(fā)生的概率。從理論上講，系統(tǒng)采用的火災參量越多，系統(tǒng)智能化水平越高，誤報率、漏報率將會越低。因此，文中選擇煙霧濃度、溫度、CO濃度作為火災參量進行復合探測。
    (2)分布式火災報警系統(tǒng)?；馂膱缶到y(tǒng)一般分為火災探測器和火災報警控制器兩個部分。早期的系統(tǒng)多采用集中控制方式，探測器只是一個純粹的傳感器，它隨時將采集到的信號傳遞給控制器，由控制器對這些信號進行處理、判斷得出結果。這樣系統(tǒng)成本低、信號處理算法簡單，但是當系統(tǒng)規(guī)模過大時，會產(chǎn)生控制器負擔過大、響應速度慢、系統(tǒng)可靠性降低等不利因素。為了克服這些缺點，逐漸采用分布式控制方式代替集中式控制方式。于是本文的火災探測報警系統(tǒng)采用分布智能式控制方式。
    (3)無線數(shù)據(jù)傳輸方式。傳統(tǒng)的火災探測器的能量供給和信息傳輸通常是通過電纜線連接，在安裝過程中電纜線的鋪設，不僅費用高、工作量大，而且有時對建筑結構造成一定的破壞性。在一些特殊場合，如古建筑消防安全、危險化學品泄漏應急檢測及其他人力難以達到的場所，有線式的探測器難以適用。無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)，采用無線通訊技術和小體積、低功耗的微傳感器，它是由部署在監(jiān)測區(qū)內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通訊方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)。因此，將火災探測技術與無線通信技術相結合，實現(xiàn)火災探測的無線化、網(wǎng)絡化、智能化，是火災探測研究的新方向。
    (4)火災信號的智能算法?；馂氖且粋€復雜的非平穩(wěn)隨機過程。對于不同燃燒物質(zhì)和探測環(huán)境，傳感器所采集到的動態(tài)特征參數(shù)值差異很大。在火災的探測中，傳統(tǒng)的閥值法對于火災復雜的狀態(tài)中信號探測來說過于簡單，尤其是在報警延遲時間和報警閾值的設定過于單一。因此，將智能化算法應用于火災探測系統(tǒng)研究，將對提高火災探測的可靠性以及降低火災報警系統(tǒng)的誤報、漏報率具有重要的積極作用。
1．2 無線復合火災探測報警系統(tǒng)
    文中研究的火災探測報警系統(tǒng)，由STM32作為處理器，分別設計了火災報警控制器和復合火災探測器，形成分布式控制的火災報警系統(tǒng)。復合探測節(jié)點實現(xiàn)對煙霧濃度、溫度和CO濃度信號的采集，在探測節(jié)點實現(xiàn)了火災信息的處理和判斷，減輕控制器的負擔；通過ZigBee無線網(wǎng)絡將信息傳輸給火災報警控制器；由火災報警控制器進行火災數(shù)據(jù)的存儲和顯示以及對探測節(jié)點的統(tǒng)籌管理。系統(tǒng)的整體結構框圖如圖1所示。

    (1)復合探測節(jié)點，通過3種傳感器采集現(xiàn)場的環(huán)境信號，利用智能算法對火災信息進行處理，利用ZigBee通信模塊將信息傳輸給火災報警控制器。若發(fā)生火災則啟動報警裝置，同時向火災報警控制器發(fā)送火警信息，若無火災，則定時向火災報警控制器發(fā)送驗證信號供火災報警控制器處理，如圖2所示。

    (2)火災報警控制器，負責接收復合探測節(jié)點的信息，通過時鐘芯片記錄火災的時間以備事后查詢，利用SD卡存儲歷史信息，在液晶屏上實時顯示相關檢測節(jié)點信息，在檢測到報警信息時能夠啟動報警并開啟執(zhí)行裝置，同時能定時檢測各復合探測節(jié)點，判定其是否正常工作，如圖3所示。

2 系統(tǒng)硬件設計
    目前各類型的火災探測器MCU都是利用單片機技術，系統(tǒng)選用和8位單片機價格相當?shù)?2位處理芯片的STM32F103RBT6作為火災報警控制器和復合探測節(jié)點的主控芯。STM32F103RBT6是ST公司推出的32位微控制器，使用了先進架構的ARM Cortex—M3內(nèi)核，其靈活的靜態(tài)存儲器控制器能方便地與許多存儲器和外設連接，同時由于其具有豐富的片上外設，從而簡化外圍電路設計。
2．1 微控制器電路設計
    微控制器STM32F103C6最小系統(tǒng)電路包括電源電路、時鐘電路、復位電路。電源和復位電路如圖4所示。

2．2 傳感器的選擇
    系統(tǒng)中溫度傳感器采用LM35DZ，它是把測溫傳感器與放大電路做在一個硅片上，形成一個集成溫度傳感器。其靈敏度為10 mV／℃；工作溫度范圍為0～100℃；工作電壓為4～30 V；精度為±1℃。最大線性誤差為±0．5 ℃；靜態(tài)電流為80μA。其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關系，轉(zhuǎn)換如式(1)所示。
    Vout_LM35(T)=10 mV／℃×T℃       (1)

    溫度采集電路及運放電路設計如圖5所示。煙霧傳感器和CO傳感器分別選用常見的MQ-2和MQ-7型氣體傳感器。這兩種傳感器均為基于二氧化錫(SnO2)的金屬半導體傳感器，敏感機理為被檢測氣體吸附造成的半導體敏感層電導率的變化。下面以MQ-2型氣體傳感器為例，介紹其工作原理。MQ-2型氣體傳感器對不同種類和濃度的氣體有不同的電阻值，使用MQ-2型氣體傳感器的測量電路比較簡單，如圖6所示。MQ-2型氣體傳感器的加熱端和測量輸入端均用5 V DC供電，輸出端V1經(jīng)調(diào)理輸入到MCU，V1的大小與煙霧濃度值直接相關。

2．3 ZigBee通信模塊
    ZigBee是一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低復雜度和低成本的無線網(wǎng)絡技術。它有3個工作頻段，分別為868 MHz,915 MHz和2．4 CHz。其中，868MHz和915 MHz頻段為歐美國家使用。而2．4 GHz頻段則為全球通用的免費ISM(Industrial ScientificMedical)頻段，該頻段16個信道，數(shù)據(jù)傳輸率為250 kbit·s-1。ZigBee無線網(wǎng)絡基于DSSS擴頻技術，采用CSMA／CA的信道接入方式，節(jié)點間的通信距離介于10～100 m，加上PA模塊后可達千米。
    文中無線通信模塊選用順舟科技SZ05系列Z-Bee嵌入式無線串口通信模塊，采用加強型的ZigBee無線技術，它具有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點和特性；可實現(xiàn)多設備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；可組Mesh型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構。

3 系統(tǒng)軟件設計
    從整體上看，可以將系統(tǒng)軟件分為兩個部分：火災報警控制器軟件程序和復合探測節(jié)點軟件程序。系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，把軟件系統(tǒng)化為多個功能模塊，主程序通過調(diào)用各子程序來完成復雜功能的實現(xiàn)。
    系統(tǒng)為確保各個節(jié)點都處于正常工作的狀態(tài)，報警控制器定時根據(jù)接收到的各節(jié)點的ID號判斷各節(jié)點是否正常工作。若火災報警控制器在一段時間內(nèi)未收到某一復合探測節(jié)點的ID號信息，則判定該節(jié)點出現(xiàn)故障，在顯示屏上顯示相關信息并報錯以便工作人員能及時處理。
3．1 復合探測節(jié)點的火災算法設計
    把采集到的溫度、煙霧和CO數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實際的溫度值、煙霧濃度值和CO濃度值，并提取相關數(shù)字量用來判斷是否有火災發(fā)生。火災判斷根據(jù)以下6個變量：溫度值T、煙霧值S、CO值C、溫度上升量△T、煙霧上升量△S和CO上升量△C。當溫度、煙霧或者CO值達到閾值時，進行火災預警，接著關注△T／、△S或者△C是否達到閾值，如果是則判斷火災發(fā)生，發(fā)出報警并將信息傳送給火災報警控制器，否則返回預警狀態(tài)?；馂呐袛嗔鞒倘鐖D7所示。

3．2 火災報警控制器的軟件設計
    主程序主要包括對STM32芯片的通信程序、SD卡存儲程序、LCD顯示程序等。當火災報警控制器接收到探測節(jié)點發(fā)送的信息后，存儲在一個循環(huán)隊列中，在主界面上顯示出相關的探測節(jié)點信息。當判斷有異常情況發(fā)生時，顯示出異常情況并保存異常信息，同時觸發(fā)報警電路，以提示工作人員?；馂膱缶刂破鬈浖鞒?，如圖8所示。

4 實驗及結論
    為驗證該系統(tǒng)對火災監(jiān)測和通信的可靠性，對火災復合探測節(jié)點和火災報警控制器進行測試，該系統(tǒng)監(jiān)測的部分環(huán)境數(shù)據(jù)如表1所示。

    由復合節(jié)點探測的數(shù)據(jù)可以看出，在火災的明火階段釋放大量的熱，溫度變化非?？欤辉跁r間相對較長的陰燃階段，主要以釋放氣體和煙霧為主，溫度變化比較??；在干擾的情況下，雖然煙霧和CO輸出值超過閾值，但是其變化值都很小，可以判斷為火災干擾。實驗表明，采用嵌入式技術、ZigBee無線通信技術和復合探測技術的火災探測報警系統(tǒng)結構簡單，火災算法容易實現(xiàn)，系統(tǒng)節(jié)點之間的信息傳送穩(wěn)定可靠，可以有效地檢測火災信號，及早地發(fā)現(xiàn)火情。