融合多傳感器數據的智能火災預警系統設計

梁小瑞，任國鳳，趙翊辰

（1.忻州市消防救援支隊，山西 忻州 034000；2.忻州師范學院 電子系，山西 忻州 034000）

火災嚴重威脅著人民群眾的生命和財產安全[1]，所以有必要加強火災的預防和早期預警研究工作.現有的火災預警系統參數單一、功能簡單，存在對不同位置及起火原因的火災預警不能準確判斷是否起火或判斷有誤導致誤報等問題，給后續的火災撲救帶來不確定因素[2].而采用多傳感器數據融合系統進行采集和分析數據，可以有效降低系統判斷結果的不確定性，將系統預警的準確性和可靠性進一步提升[3].

從19 世紀至20 世紀初，火災報警系統主要采用感溫式的探測器，這種類型的探測器靈敏度低、響應速度慢、無法識別陰燃火災[4].1941 年，瑞士發明了離子感煙探測器，實現了火災的早期預警.

1980 年到1985 年前后，歐美發達國家興起了基于總線控制的火災報警系統，由于當時的傳感器技術和微處理器技術發展水平不高，因此火災報警系統只能采集溫度和煙霧報警，而且感知的精度、靈敏度較差及處理速度較慢，已經具備了智能化火災報警系統的雛形[5].進入21 世紀尤其是進入物聯網時代，隨著感知技術、通信技術、嵌入式技術和物聯網技術的崛起，火災報警系統智能化程度越來越高，并朝著融合多傳感數據的方向發展，成為了智慧城市、智慧樓宇和智慧消防的有機組成部分，并發揮著重要的作用.本文針對我國城市建筑火災預警系統的應用現狀，自主設計了一套基于單片機的融合多傳感器數據的火災預警系統.

1 火災預警系統的硬件設計

融合多傳感器數據的智能火災預警系統見圖1.按照功能火災預警系統模塊的組成為：單片機最小系統[6-9]、溫度傳感器感知和數據采集、煙霧探測器感知和數據采集、火焰探測器感知和數據采集、LCD 液晶顯示、蜂鳴器報警.

圖1 智能火災預警系統

系統工作原理為當火災發生時，火災發生區域的溫度和煙霧傳感器將火災產生的溫度和煙霧進行數據采集，并轉化為電信號.通過放大電路將微小電信號進行處理，再把這些電信號實施A/D 轉換，變為數字類型.最后傳給主控部分，跟預置閾值進行比較，如果超出閾值，那么系統及時給出報警信號，進行聲光報警并在顯示屏上顯示數據.

1.1 單片機STC89C51

STC89C51 單片機是一款高性能的8 位處理器，采用8051 內核，具有ISP 在線編程的功能，使用和調試方便，外設豐富.該款單片機存儲容量大，具有高達8 K 的程序存儲區，還具有EEPROM 存儲功能，RAM 空間有512 字節.STC89C51 具有強大的計算能力，時鐘頻率最高可達80 MHz，能夠滿足對時序要求比較高的場合，非常適合本文融合多傳感數據的火災預警系統的設計.

1.2 單片機最小系統

該小系統外圍接口豐富，接線使用比較靈活，單片機使用的外圍接口和功能模塊主要包括：電源、晶振、復位、I/O 口、定時器中斷、外部中斷和RS232 串口等，單片機最小系統的原理見圖2.

圖2 單片機最小系統的原理

1.3 溫度傳感器

本文所用溫度傳感器為DS18B20 數字溫度傳感器.DS18B20 作為高性能的數字溫度傳感器直接輸出數字信號，不需要額外增加AD 轉換電路，具有較高測量精度，性價比較高，同時具有較寬的溫度測量范圍，能夠滿足設計需求測量精度為±0.5 ℃.DS18B20 采用模擬IIC 單總線控制，可以節省單片機I/O 等.

1.4 火焰傳感器

火焰傳感器主要有2 種檢測方式，一種是遠紅外火焰傳感器，另一種是紫外火焰傳感器，兩者的原理類似，只是傳感器對火焰檢測的波長不同而已[10].本設計采用紅外火焰傳感器進行火焰和火源的感知和采集，火焰傳感器模塊見圖3.

圖3 火焰傳感器模塊

1.5 煙霧傳感器

火災報警系統通常采用光電和離子感煙2 種類型煙霧傳感器.本設計的探測部分采用了MQ-2 型煙霧探測器，其優點是敏銳度高、穩定性好、費用低.當煙霧傳感器遇到可燃氣體時傳感器的電導率會跟隨濃度大小的升降而出現變動，電導率大，輸出的電阻會出現降低，從而輸出的模擬信號就越低.

2 智能火災預警的軟件設計

本設計采用的煙霧傳感器有一個缺陷，就是不能斷電存放，如果斷電一段時間沒有使用，那么再次使用時，其不能馬上開始工作，首先需要進行一段時間的預熱，然后才能對煙霧、溫度和火焰等信息進行采集[11].在多傳感器所在環境出現煙霧濃度、溫度快速升高，火焰產生時，傳感器采集信號傳送到單片機中，火災預警控制器將探測到的溫度值、煙霧濃度與設置的報警值進行比較，若低于設置的報警值或未能檢測到火焰燃燒，那么LCD 顯示未報警，蜂鳴器不響，保持原樣；若超出設置的濃度報警值，那么LCD 顯示報警信息，并且蜂鳴器會響.主程序流程見圖4.

圖4 主程序流程

3 系統硬件制作和測試

3.1 系統硬件的制作

本文設計的融合多傳感數據火災預警系統硬件電路見圖5，需要的元器件清單：

圖5 硬件電路正反面

3.1.1 單片機最小系統 STC89C51 單片機1 個，DIP40 單片機插座 1 個，10μF電解電容 1 個，11.059 2 MHz 晶振 1 個，22 pF 瓷片電容 2 片，1 kΩ 色環電阻2 個，四腳復位按鍵 1 個，10 kΩ 色環電阻 1 個.

3.1.2 供電電源 DC5V 的USB 電源線 1 根，紅色LED 電源指示燈 1 個，DC5 V 的電源座 1 個，1 kΩ 色環電阻 1 個.

3.1.3 液晶顯示 LCD1602 液晶顯示屏 1 塊，10 kΩ 可調電阻 1 個.

3.1.4 溫度傳感器 DS18B20 溫度傳感器 1 個，4.7 kΩ 色環電阻 1 個.

3.1.5 煙霧探測器 煙霧傳感器模塊1 個，1 kΩ 色環電阻 1 個.

3.1.6 火焰探測器 火焰傳感器模塊1 個.

3.1.7 蜂鳴器報警 DC5 V 有源蜂鳴器1 個，PNP 驅動三極管1 個.

3.2 硬件電路的測試

3.2.1 溫度傳感器的測試效果 接通電源，等待初始化完成，用打火機加熱溫度傳感器，使溫度超過預設上限值35 ℃時，液晶屏上顯示此時溫度為37.4 ℃，此時紅燈亮起，蜂鳴器進行報警，結果見圖6.

圖6 溫度報警測試效果

3.2.2 火焰報警的測試效果 測試時利用打火機在火焰傳感器旁點燃，火焰傳感器感受到周圍熱源達到上限值時，紅燈亮起，蜂鳴器報警，結果見圖7.

圖7 火焰報警測試效果

3.2.3 煙霧報警的測試效果 測試時利用打火機內的氣體模擬火災發生時的煙霧，當 MQ-2 煙霧傳感器感受到周圍煙霧濃度升高，超過預設的上限值45×10-6，紅燈亮起，蜂鳴器報警，結果見圖8.

圖8 煙霧報警測試效果

4 結語

本文針對我國城市建筑火災預警系統的應用現狀，設計了基于單片機的融合多傳感器數據的火災預警系統.該控制系統融合煙霧、溫度和火焰傳感器等多傳感器數據，對數據進行采集、融合和分析，可以最大程度上降低系統的誤判，提高系統預警的準確性和可靠性，能夠實現火災的極早期預警功能.本文在智慧城市、智慧樓宇和智慧消防的研究方面具有一定的研究價值和很好的市場前景.同時，本文僅針對單個部署位置的多模態數據進行采集、融合和火災預警，并未實現多個位置的多模態數據采集和分析，這需要在未來的研究中進一步開展.