家庭消防報警系統(tǒng)的設計研究

徐誠樸，王 龍，梅英杰

（1.中科芯集成電路有限公司，無錫214072；2 哈爾濱工業(yè)大學 儀器科學與工程學院，哈爾濱150001）

由于近些年住宅區(qū)火災頻發(fā)，現(xiàn)代家庭式消防監(jiān)控越來越得到人們的重視。住宅區(qū)具有人口密集、易燃物較多等特點，火災發(fā)生時人員疏散比較困難，并且由于住戶教育水平、健康狀況不同，面對火災的反應能力也各不相同，因此現(xiàn)代家庭式消防報警系統(tǒng)的技術要求、人性化水平都需要得到相應的提高[1]。

傳統(tǒng)的家庭消防報警系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)性，報警裝置單一，應急措施較少，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代家庭的需求。本文利用STM32F103C8T6 單片機，結(jié)合煙霧傳感器、紅外火焰探頭、CCD 攝像頭、溫度傳感器、CO 傳感器等，實時獲取家庭消防環(huán)境數(shù)據(jù)。紅外火焰探頭和CCD 視頻火焰監(jiān)測共同作用，可以保證火焰的精確探測。并采用RS485 通訊，將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絇C 機，實現(xiàn)上位機監(jiān)控；采用GPRS 技術，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿咏K端，實現(xiàn)遠程監(jiān)控報警[2-3]。

1 測量原理

1.1 煙霧傳感器測量原理

本文采用氣敏型煙霧傳感器MQ-2 來實現(xiàn)煙霧探測，該傳感器屬于表面離子式N 型半導體，由SnO2半導體氣敏材料構(gòu)成[4-5]。其原理為高溫下氧離子會受到SnO2的吸附作用，導致半導體中的電子密度降低，其電阻值會迅速增加。同時傳感器接觸到煙霧時，晶粒間勢壘會產(chǎn)生變化，導致表面電導率值的變化，煙霧濃度越高，電導率越大。利用該原理，傳感器可以準確得知周圍環(huán)境煙霧濃度的變化。MQ-2 煙霧傳感器的計算公式為

式中：R 表示電阻；C 表示煙霧濃度；m，n 均為常數(shù)，m 表示氣體分離率，一般在1/2 至1/3 之間，n 與氣體檢測的靈敏度有關。

1.2 紅外火焰探頭測量原理

本文采用A715UV/IR2 火焰探測器對火焰進行探測。該傳感器使用3 個熱釋電傳感元來進行三波段探測，可以對火焰的熱光信號和背景光信號同時作出響應。當有火焰產(chǎn)生時，微處理器會迅速對3種信號進行處理分析，從而判斷火焰是否存在[6]。

1.3 CCD 視頻火焰探測原理

本文采用海康威視CCD 攝像頭。CCD 成像具有抗強光、靈敏度高等特點。利用CCD 成像結(jié)合圖像處理技術，對火焰圖像進行分割、特征提取，再根據(jù)閾值識別火焰[6]。

1.4 溫度傳感器測量原理

測溫探頭采用Pt100（Pt1000）自適應探頭。其測量原理為金屬鉑（Pt）的電阻值會根據(jù)環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生相應的變化，具有很好的重現(xiàn)性以及穩(wěn)定性[7]。

1.5 CO 傳感器測量原理

采用ME2-CO 型電化學傳感器對環(huán)境CO 進行探測[8]。CO 在電解池中會發(fā)生氧化反應產(chǎn)生電流，根據(jù)法拉第定律，電化學反應產(chǎn)生的電流和CO 濃度成正比，故根據(jù)電流大小可知CO 濃度[9]。

2 硬件設計

2.1 測量原理框架

如圖1所示，系統(tǒng)以STM32F103C8T6 單片機為控制核心，MQ-2 煙霧傳感器測量煙霧濃度，利用穩(wěn)壓芯片LM1117 構(gòu)成電壓轉(zhuǎn)換電路，將煙霧傳感器的0～5 V 電壓信號轉(zhuǎn)換成0～3.3 V，并將模擬信號通過AD 轉(zhuǎn)換得到數(shù)值信號，然后在單片機中進行數(shù)值處理。測溫探頭采用Pt100（Pt1000）自適應探頭，電子模擬開關控制測溫探頭Pt100 和Pt1000 之間的切換，測量電路采用三線制接法消除導線電阻，數(shù)據(jù)通過測溫電路[10]進行放大和濾波后傳輸?shù)絾纹瑱C。CO 測量電路需要對CO 傳感器的輸出電流（0～5 μA）進行放大和濾波，并且對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。紅外火焰探頭通過ISO 協(xié)議連接單片機，其輸出電流需要進行I/V 轉(zhuǎn)換。對CCD 攝像頭的圖像數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成電信號，利用圖像識別的方式，監(jiān)測火焰存在，若紅外火焰探頭與CCD 同時探測到火焰存在，則進行火焰報警。

圖1 測量框架Fig.1 Measurement frame

將各參數(shù)值在液晶屏上顯示，并進行實時監(jiān)控報警。通過RS485 接口，采用MODBUS 協(xié)議，在上位機界面中對各參數(shù)數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，利用GPRS 模塊進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 硬件介紹

ST 公司的STM32F103 系列具有32 位的ARM核心，包括7 個定時器，3 個USART 接口，2 個SPI接口（18 M/s），2 個I2C 接口，CAN 接口，USB2.0 接口，7 個DMA 接口，2 個A/D 轉(zhuǎn)換器。所用消防傳感器為MQ-2 煙霧傳感器、A715UV/IR2 火焰探測器、Pt100（Pt1000）自適應測溫探頭、ME2-CO 型電化學傳感器。防火門聯(lián)動閉門器選取六瑞公司的SABM65 型號，單片機外接RS485 通訊模塊和華為的MG323 模塊，分別實現(xiàn)和上位機的通訊以及移動終端的通訊。

2.3 煙霧測量電路

MQ-2 的供電電壓為5 V，P1 的3 號腳輸出0～5 V 電壓信號（煙霧濃度越高，電壓越高），輸入到比較器的2 號腳上，Rp通過調(diào)節(jié)電阻來改變比較器的門檻電壓，以此控制傳感器的靈敏度[11]。當3 號腳電壓高于比較器門檻電壓，LED 燈亮報警。R1電阻用于保護加熱絲。測量電路如圖2所示。

圖2 煙霧測量電路Fig.2 Smoke measurement circuit

2.4 I/V 轉(zhuǎn)換電路

由于溫度信號、CO 信號和紅外火焰探頭信號都是4～20 mA 電流信號，所以需要I/V 轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成0～3.3 V 的電壓信號才能傳輸給單片機[12]。設計一種I/V 轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。

圖3 I/V 轉(zhuǎn)換電路Fig.3 I/V conversion circuit

I/V 轉(zhuǎn)換電路數(shù)學表達式為

式中：V 為電路的輸出電壓；I 為電路的輸入電流；利用可調(diào)電阻Rw將Vf設定為2.63 V。根據(jù)式（2）、式（3）即可將4～20 mA 電流信號轉(zhuǎn)換成0～3.3 V 電壓信號。

3 軟件設計

消防報警系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能包括：液晶顯示參數(shù)，主要有煙霧濃度、環(huán)境溫度、CO 濃度等；液晶顯示環(huán)境溫度變化曲線圖和數(shù)據(jù)；能對消防門、防排煙系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)進行控制；能和計算機實現(xiàn)實時通信，數(shù)據(jù)和曲線由計算機打印；能和移動終端遠程通訊；具有多種報警顯示。

單片機采用C 語言進行程序模塊化編寫，包括初始化子程序、煙霧濃度采樣程序、溫度采樣程序、CO 濃度采樣程序、紅外火焰信號采樣程序、數(shù)據(jù)處理程序、鍵值處理程序、LCD 屏顯程序、通訊驅(qū)動程序等。系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 System program flow chart

在上位機監(jiān)控方面，利用VB 的mscomm 串口控件，實現(xiàn)和單片機之間的數(shù)據(jù)交互，并用VB 編寫監(jiān)控界面，以實時顯示煙霧濃度、環(huán)境溫度、CO 濃度。界面記錄各參數(shù)歷史曲線和實時曲線，連接打印機，可以實現(xiàn)計算機實時打印數(shù)據(jù)。

在無線通訊方面，采用華為的MG323 模塊進行無線通訊。該模塊支持4 種頻段，工作電壓為3.3～4.8 V，正常工作溫度為-20 ℃～70 ℃。可以使用3 種AT 命令進行初始化以及獲取動態(tài)IP 地址，支持短信、語音和GPRS，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，具有很高的實用性。一旦系統(tǒng)發(fā)生報警，數(shù)據(jù)以及報警會迅速通過模塊向用戶手機發(fā)送短信，實時顯示家庭消防情況，除了系統(tǒng)自動消防外，用戶也可手動發(fā)送信號，進行消防操作。

4 卡爾曼濾波和卡爾曼平滑

生活噪聲特別是火災發(fā)生時會對傳感器測量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生比較大的干擾，為保證數(shù)據(jù)的準確性，對各測量數(shù)據(jù)進行濾波去干擾。利用卡爾曼濾波的預測能力，對含有大量干擾信息的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，可以保證復雜環(huán)境下系統(tǒng)數(shù)值的穩(wěn)定性。

4.1 卡爾曼濾波理論

卡爾曼濾波的思想就是預測和反饋[13]。首先確定系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測量方程如下：

式中：Xk、Uk、Zk分別表示k 時刻系統(tǒng)的狀態(tài)、輸入量以及測量值；A、B 和H 是系統(tǒng)參數(shù)；qk和rk分別表示過程噪聲和測量噪聲，設定qk、rk的協(xié)方差矩陣為Qk、Rk。

Predict：

Update：

式中：Pk|k-1表示對應的協(xié)方差矩陣；Pk|k表示對應的協(xié)方差矩陣；Gk表示k 時刻的卡爾曼增益。

4.2 卡爾曼平滑理論

與卡爾曼濾波向前遞歸相反，卡爾曼平滑[14]是結(jié)合卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)進行向后遞歸[15]。

4.3 卡爾曼濾波以及濾波后平滑效果

圖5是對室內(nèi)溫度值的變化跟蹤以及突發(fā)火災情況下對室內(nèi)溫度的變化的追隨情況，可以發(fā)現(xiàn)，相比于卡爾曼濾波，卡爾曼濾波后平滑不僅誤差控制的很小，更貼近理想值，產(chǎn)生的曲線也更加平滑。

圖5 溫度變化曲線（理想值、測量值、濾波值、平滑值）Fig.5 Temperature change curve（ideal value，measurement value，filter value，smooth value）

圖6為卡爾曼濾波后平滑的數(shù)據(jù)和理想值之間的誤差變化曲線。

圖6 平滑后誤差變化曲線Fig.6 Error curve after smoothing

表1中顯示的是所測數(shù)據(jù)與卡爾曼濾波以及卡爾曼平滑濾波后的數(shù)據(jù)和理想值之間的誤差均值和均方差，顯然卡爾曼濾波后平滑的數(shù)據(jù)更好。

表1 三組數(shù)據(jù)的均值和均方差Tab.1 Mean and mean square deviation of three groups of data

5 圖像識別火焰

5.1 mean-shift 聚類算法

mean-shift 聚類算法是一種基于核密度估計的爬山算法，它利用范圍內(nèi)的點位置的偏移值確定迭代方向[16]。其主要步驟如下：

確定其多元核密度估計函數(shù)為

式中：h 表示高維區(qū)域的半徑即窗口半徑；n 表示落在該區(qū)域的點數(shù)；核函數(shù)K（x）=ck，d·k （‖ x‖2）。

對多元核密度函數(shù)求導，即可得到其梯度估計函數(shù)：

令：

因為多元核密度函數(shù)的極值點為類的最集中值，所以當即時可求得極值點。

5.2 結(jié)合mean-shift 聚類算法對火焰進行特征提取

利用CCD 攝像頭對家庭環(huán)境進行實時監(jiān)控。利用關鍵幀提取的方法，捕捉視頻的動態(tài)信息，當出現(xiàn)疑似火焰時，截取單幀圖。CCD 捕捉的圖像是彩色圖像，所以需要對其圖片進行預處理。整個火焰圖像識別步驟如下所述。

首先將彩色圖片進行灰度處理。利用mean-shift聚類法將圖像的特征進行提取，然后人工設定閾值，實現(xiàn)圖像的閾值分割，將火焰主體從圖像中標識出來[17-18]，流程如圖7所示。

圖7 火焰識別流程Fig.7 Flame identification flow chart

本文對照實現(xiàn)了圖像灰度化后直接進行閾值分割處理與圖像灰度化后先進行mean-shift 聚類再進行閾值分割兩種分割方式，圖8是mean-shift 聚類后圖像的直方圖。圖9是圖像處理后的效果，可以發(fā)現(xiàn)圖像先進行mean-shift 聚類再進行閾值分割，可以對火焰的主體有更清晰的保留，為精準滅火提供有效位置數(shù)據(jù)。

圖8 mean-shift 聚類后的圖像直方圖Fig.8 Image histogram after mean-shift clustering

圖9 圖像處理效果對比Fig.9 Comparison of image processing effect

6 結(jié)語

利用單片機對整個消防系統(tǒng)進行控制，大大提高了家庭消防應急水平，為用戶的人身安全提高了有效的保障。用戶不僅可以通過電腦監(jiān)控界面，對整個家庭環(huán)境進行實時監(jiān)控，還可以利用無線通訊對緊急情況進行及時了解。整個裝置實現(xiàn)了家庭消防報警的系統(tǒng)性，實時性，準確性，并且設備便宜，具有很好的實際應用意義。