基于多傳感器信息融合的無線火災定位報警系統

侯向鋒,毛　涌,陳禮源,周　路,周兆豐

(湖北師范學院 物理與電子科學學院，湖北 黃石　435002)

?

基于多傳感器信息融合的無線火災定位報警系統

侯向鋒,毛涌,陳禮源,周路,周兆豐

(湖北師范學院 物理與電子科學學院，湖北 黃石435002)

摘要：利用短距離無線通信技術設計了一個分布式火災定位和報警系統。該系統主要由控制模塊、探測模塊、無線通訊模塊和報警模塊組成。分布在不同區域的探測模塊采用多傳感器對火災信息進行探測，根據Neyman-Pearon準則對多傳感器的信息進行融合。當判斷有火災發生時，探測模塊通過nRF24L01+把火災信息發送給控制模塊，以蜂鳴器鳴叫和液晶屏顯示兩種方式提醒人們火災發生。同時該火災報警系統利用GSM模塊向控制中心或消防部門報警并告知火災發生的地點。經測試，該系統性能可靠，無需布線，適用于各種公共場所的火災監測和定位。

關鍵詞：定位；火災報警；無線傳輸；多傳感器信息融合；單片機；GSM

隨著我國現代建筑的增多，人口密集程度大大增加，火災隱患及其帶來的災害也越來越嚴重。因此，社會對火災報警系統的需求也越來越高[1～2]。傳統的有線火災報警系統，探測器多采用兩條或多條銅芯絕緣導線與控制器相連，系統耗材多，布線復雜，線路易老化，維護困難，已不能滿足現代消防要求[3～4]。于是，無線火災報警系統應運而生，廣泛應用于賓館、酒店、商鋪、倉儲、圖書館、人才交流市場、零批市場等公共場所。傳統的無線火災報警系統有的采用單一的傳感器來采集環境火災信息，導致報警系統有較高的漏報和誤報情況，只能根據場所可能發生火災的類型來選用傳感器[5～6]。有的無線火災報警系統雖然采用了多種傳感器來采集環境火災信息，但是最終的決策由每種傳感器判決結果的“與”或者“或”來得到，通常較難同時滿足低漏警率和低誤報率[6～7]。有些無線火災報警器，僅有火災報警功能，沒有火災定位功能，不能對火災蔓延情況進行監控[8]。

本文提出了一種基于無線模塊nRF24L01+的火災報警系統，該系統采用火焰傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器三類傳感器檢測環境的火災信息，根據Neyman-Pearon準則[9]對三類傳感器的信息進行融合，有效提高火災報警器的可靠性和準確率。該系統還利用GSM模塊將火災發生位置在發送給控制中心或消防部門，使其及時地獲得火災發生地點，有效地指導火災搶救工作。

1系統總體方案

根據公共場合的實際情況，本文設計的無線火災定位報警系統主要由四大模塊組成，分別為由多傳感器組成的探測模塊、抗干擾能力強的nRF24L01+無線通訊模塊、以單片機STC89C52RC為核心的控制模塊和報警模塊，系統框圖如圖1所示。

n個探測模塊分別分布在n個不同的監測區域[10]。每個探測模塊對多個傳感器探測到信息進行數據融合[11～13]。當某探測模塊判斷所處區域有火災發生時，就通過無線通訊模塊將火災信息發送到控制模塊。控制模塊將發送過來的信息處理后，通過報警模塊提醒人們該區域發生火災，同時報警模塊以短信的形式將火災發生地點發送給控制中心或消防部門，讓他們盡快地得到火災信息以便及時地采取措施。

圖1　系統框圖

2硬件設計

2.1探測模塊

探測模塊主要由傳感器、單片機和蜂鳴器組成，其框圖如圖2所示。探測模塊中的傳感器由火焰傳感器、煙霧傳感器MQ_9和溫度傳感器DS18B20組成。這三類傳感器實時監測所處環境的火焰、煙霧和溫度的情況。探測模塊中的單片機以Neyman-Pearon準則對三類傳感器檢測的火災信息進行融合，進而判斷探測模塊所處區域是否有火災發生。如果判斷該區域有火災發生，則探測模塊中的蜂鳴器鳴叫，提醒人們有火災發生，并通過無線通訊模塊將火災信息傳遞給控制模塊。

圖2　探測模塊框圖

2.1.1火焰傳感器 火焰傳感器可以檢測波長在760nm至1100nm范圍內的光源。當特制的紅外線接收管接收到火焰信號時，就把火焰的亮度轉化為電壓信號。火焰的亮度越大，其輸出的電壓值越大。電壓比較器將紅外線接收管輸出的電壓與閾值電壓進行比較。當該電壓高于閾值電壓時，比較器輸出為低電平，紅色的LED燈閃爍，提醒該探測模塊所處區域有火焰產生。當該電壓低于閾值電壓時，比較器保持高電平。單片機處理比較器的輸出電平，再結合煙霧傳感器和溫度傳感器的檢測結果，通過多信息融合技術進行處理，判斷是否有火災發生。

2.1.2煙霧傳感器MQ_9 煙霧傳感器MQ_9對CO氣體、煤氣、液化石油氣體、天然氣具有很高的靈敏度和良好的選擇性。空氣中煙霧的濃度越高，MQ_9輸出的電壓值也越高。MQ_9、可調變阻器R6和運算放大器等組成電壓比較電路，電路圖如圖3所示。通過調整R6的電阻比值來設定比較器的閾值電壓，MQ_9的輸出電壓與R6處設定的閾值電壓進行比較。若MQ_9的輸出電壓高于設定的閾值電壓，運算放大器就輸出低電平，同時綠色LED燈亮閃爍，提示探測模塊所處區域的煙霧濃度高于設定值，否則運算放大器輸出高電平，LED燈不亮。

圖3　煙霧傳感器-MQ_9的測量電路

2.1.3溫度傳感器DS18B20溫度傳感器DS18B20[14]具有高精度、高可靠性的優點，并且感測的溫度以單線數字方式輸出，體積小，抗干擾能力強，適用于火災探測系統。DS18B20檢測探測模塊所處區域的環境溫度，然后由探測模塊的單片機對該信號進行處理。當探測端單片機接收到的溫度高于設定的閾值溫度時，藍色LED燈閃爍提醒該地區的人們該地區溫度過高，讓人們采取相應的措施。

2.2無線通訊模塊

無線火災定位報警系統的核心就是nRF24L01+[15]，其無線芯片采用挪威NORDIC公司的nRF24L01+芯片。nRF24L01+是一款高速低功耗集收發于一體的半雙工芯片，支持250kbps、1Mbps和2Mbps的空中數據傳輸速率，工作在2.4GHz至2.5GHz全球通用的ISM頻段，最大0dBm發射功率。由于其低功耗的設計，使得發射距離受到限制，在發射端利用PA(功率放大器)電路將nRF24L01+最大0dBm 的輸出功率放大到+22dBm左右，同時在接收端利用LNA(低噪聲放大器)電路增加nRF24L01+ 無線模塊的通訊距離，在空曠環境下最高可增加到2km.

nRF24L01+設置為接收模式時可以接收n路不同地址的數據，但其共用相同的頻道。每一個數據通道擁有單獨的地址，并且數據通道通過寄存器EN_RXADDR來分別配置，其地址通過寄存器RX_ADDR_Px來配置，通常情況下不允許不同數據通道設置相同的地址。無線通訊模塊框圖如圖4所示，當n個不同的nRF24L01+設置為發送模式后可以與同一個設置為接收模式的nRF24L01+進行通訊，而設置為接收模式的nRF24L01+可以對這n個發送端進行地址識別。接收端的nRF24L01+通過對地址的識別來判斷該信息是哪個被監控區域的探測模塊發送的，從而可以確定火災發生的位置。

圖4　無線通訊模塊

2.3控制模塊

控制模塊主要由單片機組成。當接收端的nRF24L01+接收到發送端發送的信息時，控制模塊的單片機將該信息進行處理，判斷是否發生火災。若判定火災發生了，就進一步確定火災發生的位置，最后將火災信息傳送給報警模塊。

2.4報警模塊

2.4.1蜂鳴器、液晶屏報警電路蜂鳴器、液晶屏報警電路如圖5所示。當接收端的nRF24L01+接收到發送端發送的火災信息時，控制模塊的單片機將nRF24L01+發送的數據轉化為探測模塊所處區域的地址并傳送給液晶屏顯示，同時蜂鳴器鳴叫，提醒人們該區域發生火災。當沒有火災發生時液晶屏顯示"all is ok"，蜂鳴器不鳴叫。

2.4.2GSM通信電路GSM網絡無死角和盲區，并且GSM性能穩定、頻點高、抗干擾能力強，即便遇到惡劣天氣，也幾乎沒有影響。其打電話、發短信費用便宜，網絡有專人管理、維護，是性價比較高的遠程信息傳輸方式。GSM通信電路框圖[16]如圖6所示。該電路以西門子的TC35模塊為核心。TC35模塊是一款雙頻的GSM通信模塊，易于集成，廣泛地應用在遠程監控、無線公話以及無線POS終端等領域。

當有火災發生時，控制端單片機將火災信息傳送給GSM通信電路，然后該電路以短信的方式將火災信息傳送給管理中心或消防部門。

圖5　蜂鳴器、液晶屏報警電路

圖6　GSM通信電路框圖

3軟件設計

3.1多傳感器信息融合

火災報警系統采用的三類傳感器對不同的火災現象有各自的優缺點。如煙霧傳感器MQ_9靈敏度高，但是容易產生誤報；火焰傳感器響應快，但對萌燃無反應，漏報率較高；溫度傳感器DS18B20可靠性高，但反應慢。根據三類傳感器的特點，系統采用多傳感器信息融合技術進行智能處理，較好地利用各類傳感器的優點，減少火災報警系統的誤報率，提高系統的靈敏度和可靠性。系統根據經典推理技術中的Neyman-Pearson準則融合三類傳感器檢測到的信息[11]。用ui(i表示不同傳感器，i=1,2,3)表示局部決策，即各類傳感器檢測到的信號，ui=+1(發生火災)，ui= -1(不發生火災)。u為整體決策，即最后火災是否發生，其中u=a1×u1+a2×u2+a3×u3，當ui=1時，ai=log(PDi/PFi), 當ui= -1時，ai=log[(1-PFi)/(1-PDi)]，PDi，PFi由不同傳感器的特點而定。最終判斷整體決策u與logt(t為閾值)的關系，若u>logt則認為發生火災，否則就判斷為沒有發生火災。

3.2探測模塊軟件設計

探測模塊軟件設計流程圖如圖7所示。探測模塊的單片機對nRF24L01+以及串口進行初始化之后，將火焰傳感器、煙霧傳感器和溫度傳感器傳送的火災信息進行融合，以減少誤報和漏報的情況。如果火災發生，探測模塊的單片機將該信息傳送給發送端的nRF24L01+，發送端的nRF24L01+再將該信息發送給接收端的nRF24L01+；如果沒發生火災則探測模塊繼續監測環境信息。

圖7　探測模塊流程圖

3.3報警模塊軟件設計

報警模塊軟件設計流程圖如圖8所示。控制模塊的單片機對接收端的nRF24L01+以及串口進行初始化之后，接收端的nRF24L01+分時段接收n個收發送端的nRF24L01+發送的被監測區域的火災信息，然后判斷被監測區域是否有火災發生。如果判斷某個區域有火災發生，報警模塊的蜂鳴器鳴叫提醒人們。同時控制模塊的單片機將進一步處理數據，判斷是哪個區域發生火災，并通過液晶屏顯示火災發生位置。最后，報警模塊利用GSM模塊將火災位置等信息發送到管理中心或消防部門；如果n個被監測區域均無火災發生則等待接收下次數據。

4測試結果

當探測模塊探測到火災信號并判斷發生火災時，探測模塊中的蜂鳴器鳴叫，控制中心的液晶屏顯示火災發生的位置。與此同時，GSM模塊發送火災信息給指定的控制中心或消防部門的手機。圖9為測試時某次發生火災時的報警效果。經過多次測試，該系統誤報率低，監測區域廣，無需架設線路，使用方便可靠。

5結論

基于nRF24L01+的分布式火災定位報警系統采用多傳感器探測火災信息，利用多傳感器信息融合技術判斷是否發生火災。該系統解決了有線火災報警系統布線復雜、靈活性差的問題，克服了依靠單個傳感器的火災報警系統靈敏度低、可靠性差的難題，增添了火災定位的功能。當有火災發生時，該系統不僅通過蜂鳴器提醒人們，而且借助于液晶屏顯示火災發生的位置，還利用GSM通信模塊將火災位置等信息傳送給控制中心或消防部門。總之，該系統靈敏度高，誤報率低，安裝方便，工作穩定可靠，適用于各種公共場所的火災監控。

圖8　報警模塊流程圖

圖9　測試結果

參考文獻：

[1]石孟星.淺談火災報警技術與火災報警系統[J].科協論壇,2012,(8):119～120.

[2]宋曉勇.重大火災隱患的判定及整改分析[J].消防科學與技術,2014,(12):105～108.

[3]甘巍.火災自動報警系統在應用中的可靠性分析[J].智能建筑與城市信息, 2014,(2):83～86.

[4]吳省存,古貴升.火災自動報警系統綜述[J].科學之友, 2010,(5):135～136.

[5]高麗麗.基于無線傳輸模塊的火災自動報警系統研究[D]. 邯鄲:河北工程大學,2011.

[6]Gottuk D T, Peatross M J, Roby R J, et al. Advanced fire detection using multi-signature alarm algorithms[J]. Fire Safety Journal, 2002, 37(1):381～394.

[7]Jones W. Implementing High Reliability Fire Detection in the Residential Setting[J]. Fire Technology, 2012, 48 (2):233～254.

[8] 劉祥樓, 徐斌, 王成亮,等. 基于無線通信技術的火災智能化自動報警系統研發[J]. 科學技術與工程, 2011, 11(12):2824～2827.

[9]井沛良,徐世友,李賢,等.基于NP準則的屬性關聯度量及門限確定方法[J].系統工程與電子技術, 2014, 36(3):429～433.

[10]廉保旺,李勇,張怡,等.分布式智能火災報警控制系統設計[J].電子技術應用,2000,15(2):29～30.

[11]聶偉,王祁.用于火災報警的多傳感器信息融合系統[J].傳感技術學報,1998,11(2):42～48.

[12]孔凡天,陳幼平,謝經明,等.基于多傳感器信息融合的分布式氣體檢測系統[J].計算機測量與控制, 2006, 14(4):421～424.

[13]魏宏飛，趙慧.多傳感器信息融合技術在火災報警系統的應用[J].現代電子技術，2013,36(6):140～144.

[14]王捷,田紅芳,周振渝.基于可組網數字溫度傳感器火災報警系統設計[J].儀表技術與傳感器,2007，(1):28～29.

[15]陳小艷,沈潔.基于WSN與LabVIEW技術的火災監測系統設計[J].儀表技術與傳感器,2013，(6):135～137.

[16]胡允娥.無線火災報警系統的研制[D].上海：華南理工大學, 2012.

The wireless fire alarm and positioning system based on multi-sensor information fusion

HOU Xiang-feng, MAO Yong, CHEN Li-yuan, ZHOU Lu,ZHOU Zhao-feng

(College of Physics and Electronic Science,Hubei Normal University,Huangshi435002,China)

Abstract:A distributed fire positioning and alarm system was designed using the short-range wireless communication technology. The system mainly consisted of control module, detection module, wireless communication module and alarm module. The detection module distributed in different regions detected fire information making use of multi-sensor, and fused the multi-sensor information according to the Neyman-Pearon criterion. When the detection module judged that a fire had occurred, it sent the fire information to the control module through the nRF24L01+。And people were reminded of the fire by the buzzer beep and the LCD displaying. At the same time, the fire alarm system carried out the alarm and informed the control center or the fire department of the fire location using the GSM module. The experiment confirmed that the system was reliable and needed no wiring. The system designed was suitable for the fire monitoring and positioning of various public places.

Key words:positioning; fire alarm; wireless communication; multi-sensor information fusion; MCU; GSM

doi:10.3969/j.issn.1009-2714.2016.01.007

中圖分類號：TN98

文獻標識碼：A

文章編號：1009-2714(2016)01- 0034- 07

作者簡介:侯向鋒(1980—),女,河南濮陽人，講師，主要從事智能信息與模式識別、傳感技術及應用等方面的研究.

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目(61302046)湖北省教育廳科學技術研究項目(B2015136);湖北省高等學校2014年省級大學生創新創業訓練計劃項目(201413256004);湖北師范學院校級教研項目(XJYB201446)

收稿日期：2015—09—21