紅外主動循跡定位滅火系統的設計與研究

石家莊城市職業學院電子信息技術系 楊志云 寇雪梅 江春然 林海霞

北京瀚源消防設備有限公司 劉志欣

紅外主動循跡定位滅火系統的設計與研究

石家莊城市職業學院電子信息技術系 楊志云 寇雪梅 江春然 林海霞

北京瀚源消防設備有限公司 劉志欣

針對傳統的滅火系統很難對展覽館、運動館等大空間場合的火源進行及時定位、報警和滅火這一難題，本文提出了一種基于紅外、紫外傳感器主動探測火源并能自動定位火源的大空間滅火系統的設計方案，并介紹了大空間滅火系統自動探測定位火源并實施定點噴水滅火的主要技術關鍵點。

水炮；主動循跡；紅紫外復合火焰探測；狹縫探測技術

1.引言

大空間建筑早期火災的探測與滅火在國內一直是個難題，大空間建筑發生火災時，由于燃燒物在空間傳播時受到大面積、高空間和氣流等因素的影響，使得只有火災發展產生很高的溫度和很高濃度的煙霧時，才會被常規感煙感溫消防系統所感應，這時往往已失去了火災撲救的最佳時期。同時雨噴淋系統一般也只適合用于低空范圍，如果安裝高度較高，當發生火災時，噴射出的水滴會被上升的熱空氣迅速霧化，而無法達到有效滅火目的。所以現行國家標準《火災自動噴淋系統設計規范》中，對凈空高度8米的場所，因不能實施有效的探測與撲救，規定了可裝可不裝。大空間主動噴水滅火系統的開發，可以為我國大空間場所的消防撲救提供一個全新而有效的手段，促進消防技術的進步和發展。

國內近些年建筑業飛速發展，高大建筑越來越多，迫切需要解決消防安全問題。目前國內消防水炮產品的研制，大多不能自動對準著火點，也不能同報警系統聯動。我們設計利用先進的紅、紫外探測技術，自動探測火源，并對火源的坐標點進行定位，然后利用單片機控制的步進電機，啟動水系統中的消防泵、電磁閥實施定點噴水滅火，從而解決高大空間的火災探測、滅火這一難題。該系統的設計為大空間建筑的消防安全提供了一種全新、有效的手段，具有非常好的發展前景。

2.紅外主動循跡定位滅火系統設計的關鍵技術

紅外主動循跡定位滅火系統集中了紅外和紫外探測技術、步進電機精確傳動技術、定點射水技術等，形成具有智能性和主動性，而成本十分低廉的高大空間滅火系統。

2.1 紫外、紅外綜合探測技術

紅、紫外火焰探測是紅外主動循跡定位滅火系統的核心技術。如果想對火災的發生進行準確探測，需要對火焰的熱量、煙、光等特征元素進行分析、并盡量排除影響探測的一些因素，如太陽光、電焊電弧光、鹵素燈光等，從而降低火災的誤報。該技術原理主要是感光探測，因為物質在燃燒時會釋放大量紅外、紫外線和可見光，并通過分析發現所有物質在燃燒時，其火焰都會釋放波長在0.185~0.245μm的紫外線。雖然太陽光中也有此波長的紫外線，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火源是一個很好的選擇。[7]為避免陽光干擾，我們還選擇只對火焰紅外特征光譜反應的紅外傳感器（常在軍用導彈使用），利用火焰閃爍特性，[2]對火焰進行探測。在系統設計方案中，我們采用紫外探測技術進行全方位探測，初步確定火災是否發生；再采用獨特的狹縫多級紅外探測方式，對火災位置進行坐標定位，從而實現定點滅火。這兩種技術的結合，使得火焰探測的準確性和穩定性有了很高的保證。[6]

2.2 步進電機精確傳動技術

設計紅外主動循跡定位滅火系統的主體是設計一個機電一體化裝置。在確定著火點后，需要噴水滅火裝置能在水平和垂直方向旋轉。為此我們設計采用單片機對兩臺步進電機步進角度（步進電機的步進角為1.8度，通過齒輪變換后可達到0.1296度，精度很高，對定點位置的控制是非常有利的）進行控制和微調，使其通過一個雙聯過渡齒輪和一個減速齒輪實現水平和垂直的旋轉運動功能。[4]

2.3 準確定點射水技術

由于水是以拋物線下落的，所以在噴水、射水裝置設計時，必須解決如何讓噴射出的水準確落在著火點上的問題。為此我們綜合考慮了水流速度、射水裝置安裝高度、傾斜角以及風的阻力等多方因素。通過多次試驗，初步設計一套數學模型，編制了自動仰角補償算法，只需要將現場的一些參數輸入設備，即可準確定點滅火。[1]

3.紅外主動循跡定位滅火系統的具體技術方案

3.1 系統硬件設計

電路控制部分分為主從CPU控制電路、步進電機控制電路、紅外探測及模擬放大電路、紫外探測及控制電路、隔離通訊電路等五個主要部分。

主從CPU分別采用Microchip公司的PIC16F877和PIC16F630芯片，分別獨立處理紅外、紫外的探測信號，經軟件濾波處理后與火災模式數據比較、運算和處理，完成火災發生的判斷；并共同控制關鍵設備水路電磁閥的啟動和停止，有效防止因電磁干擾、單片機失效，等問題引起的設備誤動作現象發生。確保滅火系統的安全性和可靠性，避免出現誤噴現象。

由于紅外探測有效距離需要達到40米以上，探測的信號非常微弱，要求對紅外信號進行放大，放大倍數在數千倍到上萬倍左右。火焰燃燒時會產生抖動現象，一般頻率在4～20Hz，所以設計放大電路時要選用帶通濾波放大電路，直流及較高頻率信號得到有效抑制。放大器要選用低噪聲運放，經三級放大得到一個變化幅度較大的信號，再經比較器整形為脈沖信號。為增加測量可靠性，采用測量火焰光譜中的紅外波段（2～4μm波長）和紫外波段（0.185～0.245μm）使誤動作的概率大大降低。

為保證系統可靠運行，消除共地對系統可靠性、穩定性的影響，各滅火設備、控制器設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滅火設備的電源接口箱，再由電源接口箱經電氣隔離轉換為直流24V提供給滅火設備，各電源間完全電氣隔離；通訊聯系也采用隔離串行通訊。

3.2 系統軟件設計

由于滅火裝置采用雙CPU控制，大的方面分為主機軟件和從機軟件；從功能上可劃分紅外和紫外信號處理、步進電機定時控制軟件、火災判斷處理、啟動水泵控制程序等。

火焰信號的探測與處理是非常關鍵的，兩個CPU分別對紅外信號和紫外信號進行處理，由于探測火焰的紅外信號時很容易受到背景光、陽光以及無線電磁波的影響，[2]根據火焰的特征光譜和其通常的閃動頻率，有效甄別接收信號脈沖寬度、變化頻率，采用數字信號累積運算法和火災特征趨勢判斷法等多種智能算法，并增加數字濾波和極值去除的方法處理接收信號；為進一步減小環境因素影響，信號處理程序增加了定期檢測環境背景光并自動跟蹤補償其變化，排除由各種復雜的環境因素引起的干擾，如環境中各種燈光、電干擾脈沖、發熱黑體等，確保了探測準確可靠。

軟件設計時，通過火焰信號的有無及變化特點，驅動水平和垂直兩臺步進電機運動。采用中斷定時控制模式，以串行SPI通訊方式控制電機的啟停和轉動速率，可以變速運動。[4]通過兩級紅外信號作為觸發源，進行水平掃描和垂直掃描，直至準確定位，停止電機動作，確認火警后，開啟外部輸出設備，噴水滅火。

為保證設備可靠運行，軟件中采用系統重恢復技術，當系統受到干擾或進入軟件死循環后，利用程序運行監視器WTD的自動復位功能，重新從整個程序的入口處開始執行程序，以保證程序可靠有效地運行。[5]

3.3 系統結構設計

滅火裝置是一種機電一體化設備，其機械構造簡單、成本低廉、易于拆裝、實用性強以及使用壽命較長。其結構部件主要包括：進水管、水平支撐板、水平傳動換向機構、垂直支撐板、垂直傳動換向機構、射水管、三級探測傳感器、射水轉動體，還包括水流換向體、分別固定于裝置上端和下端的頂聯接板和底聯接板以及水平傳動換向機構。

水流換向體為一體結構件；進水管穿過頂聯接板及水平支撐板與水流換向體的進水端密封連接，射水轉動體穿過垂直支撐板與水流換向體的出水端密封連接，射水管與射水轉動體的下端密封螺紋連接；它既能實現滅火裝置的功能，又可以減少與其相配合的相關零部件，易于加工制造，節省產品制造成本。

設置的底聯接板結構，可以將一些零部件組裝在其上，易于拆卸，便于維修。步進電機，過渡齒輪，水平傳動齒輪、過渡套，水平換向齒輪套，水平換向組件及水平換向開關，水平限位銷；步進電機、過渡齒輪、水平換向開關及水平限位銷分別固定于所述水平支撐板，

進水管與水流換向體的進水端密封連接是通過在進水端設置二軸承和一密封圈，進水管的下端依次穿過軸承的內環和密封圈而實現。

4.紅外主動循跡定位滅火系統的構成

紅外主動循跡定位滅火系統是由滅火裝置、電源接口、電磁法、現場控制箱、集中控制器、水泵控制器、水路管網、加壓泵、控制線構成大空間滅火系統。通常使用時根據現場面積和水炮保護面積選取一定數量的設備，同時水路管網干管和支管按照滅火裝置設計要求的口徑設計。為保證滅火時有足夠的水流量，系統水壓一般在0.6～1MPa，具體設計可參考相關設計規范和產品設計手冊。[3]

5.結束語

大空間場所的消防安全越來越受到消防行業的關注，由于傳統消防產品的局限性，使得更多消防企業開始研制用于大空間的消防滅火裝置。紅外主動循跡定位滅火系統的設計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計方案，它是一種全新的大空間自動滅火設備，具有很好的市場推廣價值，也必將有廣闊的發展前景。

[1]GB25204-201,自動跟蹤射流滅火系統[S].中國國家質量監督檢驗檢疫總局國家標準化管理委員會頒布,2010.

[2]GB15631-2008特種火災探測器[S].中國國家質量監督檢驗檢疫總局國家標準化管理委員會頒布,2008.

[3]DBJ15-34-2004,大空間智能型主動噴水滅火系統設計規范[S].廣東省建設廳發布,2004.

[4]何希才,姜余祥.電動機控制電路應用實例[M].中國電力出版社,2005.

[5]王幸之,王雷.單片機應用系統抗干擾技術[M].北京航空航天大學出版社,1999.

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

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

課題：河北省教育廳高等學校科學技術研究指導項目（Z2012119）。

楊志云（1972—），女，河北石家莊人，1995年畢業于中南工學院，高級工程師，主要從事計算機控制技術應用研究以及教學工作。