基于次聲波的火災探測器

余 浩，程 科，張自強

（江蘇科技大學計算機學院，江蘇鎮(zhèn)江 212100）

火災指的是在人為不可控制的情況下，發(fā)生的一種自由蔓延、產(chǎn)生一定危害的行為。根據(jù)文獻[1-3]對我國城鎮(zhèn)火災風險評估的研究，說明了火災風險防控的必要性，以及通過火災探測器技術降低火災風險的可行性。

現(xiàn)有的火災探測器原理[4-9]主要有煙霧檢測、輻射監(jiān)測、溫度檢測、氣體檢測、圖像分析和聲音檢測。其中基于聲音檢測的火災探測器因為技術不成熟一直未被市場應用。該文根據(jù)火災燃燒發(fā)出的聲音（燃燒音）特征設計一種火災探測器，結合燃燒試體實驗分析，該探測器具有響應速度快、靈敏度高、誤報率低等特點，相較于其他類型的火災探測器，具有更強的實用性價值，也為今后這方面的研究提供有用的參考價值。

1 燃燒產(chǎn)生的聲音特征

在燃燒時，燃燒介質(zhì)內(nèi)部分子受熱碰撞產(chǎn)生的聲壓激發(fā)周圍的空氣媒質(zhì)產(chǎn)生各種頻率的震動，即聲音。該設計根據(jù)這些聲音特征判斷分析火災是否發(fā)生，因此需要有效區(qū)分這些聲音與其他聲音，以便分離它們，讓探測器不誤報警。因此需要把握這些聲音的特征，具體做法是將燃燒產(chǎn)生的聲音頻帶作為對象進行研究和考慮。在研究之前，通過對這些聲音的頻譜分析，發(fā)現(xiàn)頻率范圍較為豐富，大致分為三部分：

1）可聽域，人耳可以聽到的聲音頻帶，通常頻率范圍為20～20 000 Hz，日常生活環(huán)境中的各種雜音在這個頻帶，如果在這個頻帶要將燃燒的聲音與這些雜音分離出來非常困難，因此不考慮這個頻帶的聲音。

2）超聲波域，頻率大于20 000 Hz 的聲音頻帶，是一種人耳不能聽到的聲波頻帶。在這個頻帶中，日常雜音非常少，但是由于波形頻率高、波長短導致傳播距離短、抗干擾能力弱等缺點，且有的物質(zhì)燃燒不產(chǎn)生在該頻帶的聲音，所以這個頻帶的聲音也不適用于火災探測分析。

3）次聲波域，頻率小于20 Hz 的聲音頻率，同超聲波一樣也是一種人耳不能聽到的聲波頻帶，日常雜音也很少。由于波形長、頻率低的特點，波形具有傳播距離遠、能繞過障礙物等優(yōu)點。另外，次聲波還具有極強的穿透性，能夠穿透鋼筋水泥構成的建筑。在不同物質(zhì)燃燒時，都會產(chǎn)生這個頻帶的聲音。因此，結合這些優(yōu)點，設計基于次聲波檢測的火災探測器是一種最有效的方法。

2 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)硬件總體可以看成由信號采集、信號處理、報警輸出、電源管理四個部分組成。信號采集部分使用高精度麥克風作為探頭，由A/D 轉(zhuǎn)換芯片將采集的模擬聲音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。信號處理部分以STM32 單片機作為處理單元，分析由A/D 轉(zhuǎn)換芯片輸出的數(shù)字信號，判斷火災是否發(fā)生。報警輸出部分由蜂鳴器模塊和RS485 總線構成，蜂鳴器以聲音形式報警，RS485 總線輸出波形及其他數(shù)據(jù)。除了硬件部分，該系統(tǒng)還包含基于Qt[10-11]開發(fā)的上位機部分，用于波形顯示和數(shù)據(jù)查看。系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

3 硬件的設計與實現(xiàn)

硬件電路設計主要包括各模塊電路設計和整體電源電路設計。

3.1 主控電路

系統(tǒng)核心處理單元采用高性能ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6 微控制器，工作頻率可達72 MHz，內(nèi)置64 kB ROM 和20 kB RAM，具有豐富的外設，且還有功耗低、成本低等特點。在設計主控電路時，不僅滿足最小系統(tǒng)要求，還增加串口、SWD 等調(diào)試下載接口。主控電路圖如圖2 所示。

圖2 主控電路圖

3.2 信號采集電路

麥克風探頭型號采用GRAS 的47AC，該探頭專為次聲波設計，在1 dB 情況下，頻率檢測范圍為1 Hz～10 kHz，在3 dB情況下，頻率檢測范圍為0.09 Hz～20 kHz，前置放大器用于自動傳感器的TEDS 識別和讀取校準數(shù)據(jù)。另外還需要數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，用來將麥克風采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可識別的數(shù)字信號。該電路采用德州儀器（TI）公司的一款用于小信號傳感器的低功耗、低噪聲的24 位ADC 芯片，型號為ADS1220。該芯片有兩個差分輸入或四個單端輸入，內(nèi)部具有2.048 V基準電壓，其漂移為5 ppm/℃。可通過標準SPI 接口更改芯片內(nèi)部的增益、采集模式、采樣周期等，其可與單片機進行數(shù)據(jù)傳輸。對應的信號采集電路如圖3 所示。

圖3 信號采集電路圖

3.3 報警及輸出電路

報警部分由蜂鳴器組成，蜂鳴器由PNP 三極管（型號S8550）和NPN 三極管（型號S8050）組成的放大電路來驅(qū)動，驅(qū)動信號由單片機IO 口進行輸出。除了聲音報警，還添加了RS485 接口用于數(shù)據(jù)輸出，采用了MAX13487 芯片，該芯片具有自動收發(fā)功能，相較于其他芯片，可以不用單片機IO 控制收發(fā)器狀態(tài)。RS485 通信接口是嵌入式領域中最流行的異步串行通信接口之一，只需AB 兩根線。

3.4 電源電路

電源給整個電路供給能量，電源電路設計的好壞會影響整個系統(tǒng)，穩(wěn)定平滑的直流電源可使整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。該設計中，需要對麥克風、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、單片機等供電，每個部分供電需求不相同，因此電源可分為五個部分設計，分別為：電源輸入濾波電路，起到EMC 濾波、抑制浪涌、防止反接的作用；主電源變換電路，實現(xiàn)將輸入的6～16 V 直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5 V 電源，供給各部分電路使用；數(shù)模轉(zhuǎn)換電源電路，作用是將5 V 直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的正負2.5 V 電源，給AD 芯片供電；單片機電源電路，作用是將5 V 直流電轉(zhuǎn)換成單片機可用的3.3 V 穩(wěn)定直流電；麥克風電源電路，由于麥克風的供電是30 V，需要升壓電路將5 V 直流電壓升壓到30 V，同時滿足2 mA 的輸出能力，并將信號隔離直流后提供給AD 芯片。其中麥克風電源及信號取出電路設計如圖4 所示。

圖4 麥克風電源及信號取出電路

4 軟件設計

單片機使用Keil MDK-ARM 開發(fā)環(huán)境編寫程序，Keil MDK-ARM 是美國Keil 軟件公司出品的支持ARM 微控制器的一款IDE（集成開發(fā)環(huán)境），包含了工業(yè)標準的Keil C 編譯器、宏編譯器、調(diào)試器、實時內(nèi)核等組件。單片機開發(fā)語言使用C 語言，C 語言是一種面向過程的語言，多用于應用底層開發(fā)，所以在單片機領域應用廣泛。系統(tǒng)運行FreeRTOS 實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)多任務運行，充分使用單片機資源，讓程序高效運行。另外該實時操作系統(tǒng)具有占用內(nèi)存小、開源免費等優(yōu)點，應用范圍越來越大。

整個系統(tǒng)的運行包括信號采集、信號處理、報警輸出三個部分。信號采集部分是單片機控制A/D 芯片連續(xù)采集1 024 個數(shù)據(jù)，采樣頻率為10 Hz。信號處理部分對這些數(shù)據(jù)進行分析判斷。報警輸出部分對分析結果做出相應的預警提示。具體的軟件流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖

系統(tǒng)需要對采集的信號進行分析，包括時域分析和頻域分析。時域分析，即對采集的聲波信號的幅值和時間之間的關系進行分析，主要分析的內(nèi)容有幅值、平均值、均方差、最大可能值等。由于燃燒聲音信號是一個隨機信號，因此不具備實際研究意義。從文獻[12-14]了解到，對信號頻域分析更具有意義，這需要對采集的聲波信號進行傅里葉變換[15]，傅里葉變換的原理：任何連續(xù)測量的時序或信號,都可以表示為不同頻率的正弦波信號的無限疊加，如式（1）所示：

通過對燃燒產(chǎn)生的次聲波信號進行快速傅里葉變換，得到線性頻譜，通過分析頻譜特性，最終達到火災探測的目的。在分析次聲波頻譜的過程中，環(huán)境中也存在其他次聲波的干擾，稱為背景噪音，背景噪音能量變化一般不大，而在燃燒過程中，隨著火勢越來越劇烈，產(chǎn)生的次聲波能量越來越大，隨著時間的推移，燃燒時和不燃燒時，在強度上會產(chǎn)生越來越大的差異。可以比較對能量譜進行積分后的變化曲線，來排除環(huán)境噪音的影響。

5 上位機設計

Qt 作為一種跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架，支持的平臺包括Windows、Linux、Mac 等桌面操作系統(tǒng)，還支持移動開發(fā)平臺，如安卓、IOS等，這對嵌入式行業(yè)的開發(fā)者來說，能夠做到在不同平臺編譯開發(fā)只需一套代碼。

該設計需要對采集的次聲波波形進行分析調(diào)試，離不開波形數(shù)據(jù)的輸出顯示，所以基于Qt 開發(fā)一種GUI界面，用于探測器波形數(shù)據(jù)顯示是必不可少的。

Qt 是面向?qū)ο箝_發(fā)[16]，面向?qū)ο蠓椒ㄊ菍⑾嚓P的數(shù)據(jù)和方法封裝成一個整體，通常稱為對象。當需要實現(xiàn)某個功能時，只需調(diào)用對應功能對象方法即可。在該設計中，探測器輸出使用RS485 接口，使用的是串口(UART)通信協(xié)議，UART 是一種串行異步通信收發(fā)協(xié)議，應用十分廣泛，其工作原理是將數(shù)據(jù)的二進制位一位一位進行傳輸，UART 傳輸過程中，接收雙方需要約定好傳輸速率和一些數(shù)據(jù)位。在Qt 開發(fā)中，不需要考慮這些參數(shù)，因為Qt 自帶QSerialPort 類(Qt5 封裝的串口類)[17]，通過配置這個類的名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位等參數(shù)，就能實現(xiàn)串口通信，不需要考慮通信的具體方式。

要實現(xiàn)探測器與Qt 通信，不僅在協(xié)議上要約定一致，還需要在電氣特性標準達成一致。探測器使用RS485 接口，這需要借助RS485 收發(fā)器作為計算機接口，實現(xiàn)計算機與探測器的數(shù)據(jù)傳輸。RS485 收發(fā)器是一種USB 轉(zhuǎn)RS485 的硬件設備，通常只需將USB 端與計算機連接，安裝好相應的驅(qū)動就能使用。

6 實驗測試

6.1 實驗準備

準備兩個房間，分別作為燃燒室和檢測室，將探測器安裝在檢測室，探測器與電腦上位機通過RS485 連接，電腦上位機用于波形顯示。實驗中所用到的燃燒物品如下：

1）報紙：6 cm 厚疊放在燃燒室中間臺架上。

2）棉條：一捆，放在燃燒室中間油盤內(nèi)。

3）木條：16 根15 cm×5 cm×5 cm 交錯疊放在燃燒室中間臺架上，共四層。

6.2 實驗方法

實驗開始時，門窗全部打開。

實驗過程中，在各個試體燃燒20 s 和40 s 時記錄波形，并保存分析。

6.3 實驗結果

實驗中，由于背景噪音不具備能量累加特性，所以只采集一次用來作比較。在不同試體燃燒時，分別在20 s 和40 s 兩個時刻進行一段波形采集，通過對比兩次數(shù)據(jù)，不僅能夠看出背景噪音頻譜的不同，也能分析物體燃燒在能量上的變化。背景噪音采集波形如圖6（a）所示。

圖6 采集結果

接下來進行燃燒實驗，分別燃燒報紙、棉條和木條，在燃燒后的20 s和40 s兩個時刻進行一段波形采集，觀察兩個波形在能量分布上的變化情況。采集后的波形分別如圖6（b）（c）（d）所示。可以看出，報紙燃燒頻率主要集中在4 Hz和7 Hz，棉條燃燒頻率主要集中在在7 Hz 和11 Hz，而木條燃燒頻率主要集中在7 Hz。它們有一個共性，都在7 Hz 有一定的頻率分布，且隨著時間推移，能量也隨著增長，符合初期的猜想。系統(tǒng)通過對能量積分變換，正確做出了報警。

7 結論

該次研究結果說明了基于燃燒產(chǎn)生的次聲波聲音特征來判斷火災是一種可行且效果不錯的探測方式，得出了火焰燃燒產(chǎn)生的次聲波變化規(guī)律，能夠明顯縮短火災預警時間，為消防員贏得更多救援時間。相對于其他方式的火災探測器，基于次聲波的火災探測器具有探測距離遠、響應速度快、可穿透墻體等優(yōu)點，利于探測器在更復雜的樓層應用，且探測范圍更廣。