博物館內火災煙霧報警器設計

劉速

摘 要： 目前大多數火災煙霧報警器都是由火災煙霧傳感器和火災煙霧探測芯片組成，煙霧探測芯片通過對接收到的傳感器信號進行處理分析，從而判定是否有火災發生，這種方法雖然結構簡單但反應慢，存在誤報和漏報等問題。為此提出一種單片機的火災煙霧報警器設計方法。首先，設計監測CO濃度、煙霧濃度以及溫度變化的傳感器，用A/D轉換電路將傳感器檢測信息轉換成單片機可處理的數字信號，通過ZigBee無線通信技術將單片機處理過的信號傳輸到火災煙霧報警器控制服務器模塊，完成博物館內火災煙霧報警器硬件設計。利用連續概率模型對采集獲得的溫度、煙霧和CO濃度信息進行分析處理，由此完成博物館內火災煙霧報警器設計，提高火災報警的準確性和及時性。通過仿真實驗證明，所提方法能夠有效提高報警器報警的準確性和及時性，能夠快速地反應整個火災概率過程，并給出預警、報警信號，符合博物館的使用條件，具有良好的使用價值。

關鍵詞： 檢測模塊； 火災煙霧報警器； ZigBee； 濃度傳感器

中圖分類號： TN02?34； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）23?0104?05

Abstract： Most of the fire smoke alarms are composed of fire smoke sensor and fire smoke detection chip. The smoke detection chip can judge whether the fire happens by means of the processing analysis for the received sensor signals. This method has simple structure but slow response speed， and has the problems of false alarm and missing alarm. Therefore， a design method of the fire smoke alarm based on SCM is proposed. With the method， the sensor is designed to monitor the CO concentration， smoke concentration and temperature variation； the A/D conversion circuit is used to convert the information detected by the sensor into the digital signal which can be processed by SCM； the processed signal is transmitted to the control service module of the fire smoke alarm by means of the ZigBee wireless communication technology to accomplish the hardware design of the fire smoke alarm for museum. The continuous probability model is adopted to analyze the acquired temperature， smoke and CO concentration information to realize the design of the fire smoke alarm for museum. The fire smoke alarm can improve the accuracy and timeliness of fire alarm. The simulation results show that the method can improve the accuracy and timeliness of the alarm effectively， respond to the whole fire probability process quickly， give the early warning and warning signal， conform to the service condition of the museum， and has high use value.

Keywords： detection module； fire smoke alarm； ZigBee； concentration sensor

0 引 言

隨著博物館用電量的增加，博物館火災發生的頻率越來越高[1]。博物館火災一旦發生，很容易出現火速蔓延快，撲救不及時，在場人驚慌失措、逃生遲緩等情況，最終造成大量的損失[2?3]。火災煙霧報警器對博物館預防火災、減少火災損失具有現實意義。本文提出一種基于光電感應的火災煙霧報警器，它通過前端的檢測模塊實時采集數據信號，用濾波電路去除雜波，并通過放大電路得到真實的電信號，然后由模/數轉換模塊將電信號轉化為單片機能識別的數字信號。單片機接收到數據后進行分析、過濾，最后確定是否應該報警，然后再進行相應的處理。這種方法抗環境干擾的能力強，而且運行穩定，誤報率低，是解決該問題的有效途徑，也成為業內人士研究的焦點問題，研究取得了豐碩的成果[4?5]。

文獻[6]提出基于CAN的博物館無線火災煙霧報警器設計方法，通過使用ARM S3C2440作為該火災煙霧報警器的主控芯片。利用CAN節點進行數據交換，完成煙霧報警功能。通過ZigBee將火災煙霧報警器的煙霧報警模塊與CAN進行無線數據傳輸，從而完成報警器設計，但利用這種方法設計出來的報警器，檢測范圍較小，其使用范圍受到限制。endprint

文獻[7]提出基于單片機的火災煙霧報警器設計方法，采用STM32F103單片機作為火災煙霧報警器主機，并利用煙霧傳感器和溫度傳感器作為火災煙霧報警器的探測節點，并選用MSP430G2553系列單片機對火災煙霧報警器進行控制。利用CC1101無線射頻雙工通信將主機和各節點連接起來組成網絡。采用軟件Altium Designer作為火災煙霧報警器的硬件電路設計工具，同時采用軟件Keil ARM進行報警器測試完善，從而完成火災煙霧報警器設計，但通過這種方法設計的報警器，由于系統復雜在維護方面存在難度。

文獻[8]提出基于WiFi技術的博物館內火災煙霧報警器設計方法，利用傳感技術將煙霧濃度的部分數據通過WiFi進行遠程傳輸，并且在終端設備上使用單片機、煙霧傳感器等元器件來完成聲光報警、消防滅火等功能，通過對火災煙霧報警器的單片機和上位機進行編程，將火災煙霧報警器中煙霧報警數據傳輸至上位機，并在上位機中對煙霧數據進行顯示和存儲。但這種方法對環境要求高，無法被廣泛使用。

針對上述問題，本文提出一種單片機的火災煙霧報警器設計方法。通過仿真實驗證明，所提方法能夠有效提高報警器報警的準確性和及時性，符合博物館的使用條件，具有良好的使用價值。

1 博物館內火災煙霧報警器設計

博物館中火災煙霧報警器主要由用于火災檢測的傳感器對CO濃度、溫度、煙霧濃度等火災特征信號進行匯集檢測，然后將傳感器檢測的結果利用數模轉換傳輸到火災煙霧報警器的單片機上，通過火災煙霧報警器的單片機對傳感器檢測數據進行預處理，利用無線通信芯片經ZigBee無線網絡把經過單片機預處理的檢測數據發送給火災煙霧報警器的控制服務器模塊，在控制服務器模塊完成后續的分析與報警處理。通過將火災特征檢測設備安放在博物館中的各個區域，實現隨時檢測火災特征，提高檢測的及時性。

1.1 博物館內火災煙霧報警器硬件設計

博物館內火災煙霧報警器的硬件設計內容包括對博物館檢測火災特征信號的傳感器的設計、對博物館內火災煙霧報警器中的單片機系統進行設計，以及對博物館火災煙霧報警器中連接檢測模塊與控制服務器的通信接口電路進行設計。

火災特征信號檢測傳感器是火災煙霧報警器的底層傳感器，主要包括CO濃度、煙霧濃度以及溫度變化傳感器，通過將火災發生時煙霧、溫度、氣體等變化產生的信號轉換為電信號，做好對火災特征信號的檢測是提高火災煙霧報警器檢測正確率的重要手段。

其中CO濃度傳感器通過在CO變化時將濃度變化信號轉換成電信號，電信號的強弱隨著濃度變化而變化，從而根據電信號的強弱判斷CO濃度。目前CO濃度傳感器主要可以分為半導體和非半導體兩種類型，本文選用具有靈敏度高等優點的半導體類型的CO傳感器。

由于DS18B20溫度傳感器的芯片不需要轉換電路直接可以將檢測的溫度結果轉化為數字信號，有利于提高火災煙霧報警器的數據解析與處理能力，所以本文使用DS18B20溫度傳感器。其主要元件如圖1所示，可以很容易地與火災煙霧報警器其他部分連接起來，充分滿足博物館內火災煙霧報警器的使用要求。

煙霧濃度傳感器通過對空氣中的電壓電流變化進行煙霧檢測，由于煙霧變化會引起空氣中的電壓電流變化，根據其變化強弱可以有效地對博物館內煙霧變化進行檢測。由于粒子式煙霧傳感器檢測精度較光電式煙霧傳感器檢測精度更高，所以本文選用粒子式煙霧傳感器。

本文在進行火災特征信號檢測時，以51單片機作為核心處理器，利用A/D轉換電流，將傳感器檢測數據轉化為數字信號，利用時鐘電路對采集數據的時間進行記錄，通過RAM將采集的數據信息進行存儲，利用ZigBee無線通信技術連接火災特征信號檢測的傳感器和控制服務器，實現其之間的聯通，從而完成火災煙霧報警器的硬件系統設計，得到如圖2所示的火災煙霧報警器的火災特征信號檢測模塊結構圖。

由于ZigBee無線網絡通信具有通信功耗和成本較低，能夠適應復雜網絡環境的優點。適合應用在本文博物館應用環境，所以選用ZigBee無線通信技術對火災煙霧報警器的數據進行傳輸，其具體性能參數如表1所示。

通過上述論證，完成火災煙霧傳感器硬件模塊設計，為火災煙霧傳感器性能提高打下物資基礎。

1.2 火災煙霧報警器軟件設計

火災煙霧報警器的軟件設計如圖3所示，其中最重要的是CO濃度、煙霧濃度、溫度的采集，博物館內火災煙霧報警器火災主要依據CO濃度、煙霧濃度、溫度聯合判斷，其具體火災發生概率判決規則及其推理詳細模型如下所示：

由于博物館CO的標準差和均值共同作用影響博物館火災發生概率。針對這一因素，對博物館內火災煙霧報警器參數進行調整，設定[T0]表示火災煙霧報警器的統計分析時間；[fs]表示進行CO信息進行收集的頻率；[s]表示博物館CO濃度的標準差；[E]表示CO濃度的均值；[P]表示博物館火災發生的概率。式（1）表示博物館火災發生的概率[P]與博物館CO濃度的標準差[s]的關系，式（2）表示博物館火災發生的概率[P]與博物館CO濃度的均值[E]的關系。

通過式（3）可以看出，博物館CO濃度隨著CO濃度標準差[s]值的變化而變化，當CO濃度標準差[s]的值由小變大時，CO濃度變化逐漸明顯，當博物館CO濃度標準差[s]逐漸到達博物館CO濃度標準差閾值[sF]后就會存在發生火災的概率[P]，且[P]與[s]之間成正比例關系，隨著博物館CO標準差[s]的增大，博物館火災發生概率[P]也隨之增大，到達博物館CO標準差飽和值[sM]后，通過博物館CO信號能確定火災已發生。

當火災發生概率未達到火災預警概率閾值[Pτ]時，則判定博物館環境是安全的，不報警；如果火災發生概率超過火災預警概率閾值[Pτ，]則認為此時博物館存在火災的危險，進行預警，火災發生的危險系數[φ（P）]與火災發生概率[P]之間存在正比例關系，危險系數[φ（P）]越大，火災發生概率[P]越高，博物館內火災煙霧報警器的警笛響音就越急促，報警器報警燈閃爍也越快速；當超過報警器火災報警概率飽和值[Pm]之后，則認定發生火災的概率超出了容忍度，基本確定火災已發生，報警器通過必要措施關閉電源，開啟消防系統，從而完成報警器軟件設計。endprint

2 實驗結果與分析

為了證明本文提出的基于單片機的火災煙霧報警器設計方法的有效性，以Intel P4 2G處理器為硬件環境，Matlab 2008a為平臺，通過模擬火災發生情況，進行仿真實驗。運用對比法將本文所提方法與文獻[6]提出的無線火災報警器設計方法相比較，從而完成實驗。

分別利用本文所提火災煙霧報警器設計方法和文獻[6]提出的無線火災報警器設計方法的反應時間進行對比分析，對比結果如表2表示。

從表2可以看出，本文所提設計方法設計的火災煙霧報警器系統能夠大幅度提高反應時間，反應時間較文獻[6]方法火災報警器反應時間降低了接近一倍。

分別利用本文所提火災煙霧報警器設計方法和文獻[6]提出的無線火災報警器設計方法進行報警情況分析，對比結果如表3表示。設定報警準確為對火災預測的準確性，即在火災發生前進行報警的次數；報警失誤為沒有在火災發生前進行報警的次數。

設定火災報警器報警的準確率是正確報警次數與總實驗次數的比值，火災報警器報警的失誤率為失誤報警次數與實驗總次數的比值。

分別利用本文所提火災煙霧報警器設計方法和文獻[6]提出的無線火災報警器設計方法進行報警準確率和失誤率對比，對比結果如圖4，圖5所示。

通過圖4，圖5可以看出，本文所提設計方法報警準確率在90%～95%之間，失誤率不超過10%；而文獻[6]提出的無線火災報警器設計方法報警準確率在80%～85%之間，失誤率在15%以上。綜合上述實驗可以看出，本文所提報警器設計方法能夠有效減少報警延遲，提高了報警及時性，具有較強的使用價值。

3 結 語

博物館內儲藏著自然和人類文化遺產的實物，一旦發生火災將造成不可預估的損失，所以火災煙霧報警器在博物館內起著重要作用。本文提出基于單片機的火災煙霧報警器適用于博物館環境，能夠及時準確地對火災發生進行預估報警，具有較強的使用價值。

參考文獻

[1] 高燕，劉瑾，張菁，等.基于PLC的多數據采集監測報警系統研究[J].儀表技術與傳感器，2016（5）：40?43.

[2] 李強，周玉國.35 kV高壓配電柜柜內溫度異常報警系統的設計[J].電測與儀表，2015，52（1）：86?90.

[3] 金晨，蔡光強，陳果，等.基于無線傳感網和數據融合技術的火災報警系統設計[J].儀表技術與傳感器，2016（6）：66?68.

[4] 譙自強，劉晉，周東平.基于無線通信技術的燃氣報警系統設計[J].電子技術應用，2016，42（3）：78?80.

[5] 劉捷.基于STC單片機的輪胎氣壓自動控制與報警系統設計[J].現代電子技術，2016，39（17）：109?111.

[6] 張濤，周晨蕾，李海龍，等.聲表面波煤礦瓦斯傳感器聲光報警系統的設計與制備[J].微電子學與計算機，2015，32（12）：122?125.

[7] 陳菁，王志華.基于Android平臺的家用無線防盜報警系統研究[J].現代電子技術，2015，38（8）：117?119.

[8] 卓從彬，楊龍頻，周林，等.基于MPU6050加速度傳感器的跌倒檢測與報警系統設計[J].電子器件，2015（4）：821?825.endprint