摘要:下文詳細介紹了火災報警器的硬件構成,提出了判斷火災發生的多傳感器概率綜合的數學模型,并介紹了其軟件實現方法。本設計針對傳統火災報警器的閾值判斷、條件參數固化等缺點,創新性地作了如下改進:多傳感器有機結合、概率綜合、參數可調、消防設備協同、火源切斷、CAN總線管理控制等。
　　關鍵詞:火災報警器；硬件設計；軟件設計；概率綜合探討
　　
　　一、報警器的硬件設計
　　報警器的硬件構架如圖1所示。該報警器控制核心采用C8051F040,通過片上12位分辨率的ADC對光強信號、煙霧信號進行采樣;通過IO端口對DS18B20進行程控,實現溫度信號的采樣;可根據所采信息判斷火災等級,并給出警報信號,當火災等級較高時,可通過控制繼電器關斷電源;可將信息通過CAN總線傳送至PC機平臺。
　　
　　圖1報警器的硬件構架圖
　　本報警器針對光強信號、煙霧信號及溫度信號分別設計了相應的采樣電路及信號調理電路。設計中采用光敏電阻與39K電阻對5V電源分壓實現光信號到電壓信號的轉換,并利用儀表運放與RC低通濾波器對信號進行調理。工作時光敏電阻呈現出負光強度特性,且近似為線性變化關系。
　　煙霧信號采用煙霧傳感器MQ-2轉換為電信號,并同樣利用儀表運放與RC低通濾波器進行調理,MQ-2的靈敏度特性為負線性。
　　溫度信號通過單片機程控溫度傳感器DS18B20進行采集。DS18B20主要特性如下:可實現對-55℃~+125℃范圍內的溫度測量,并且測量溫度的誤差在±0.5℃,實際報警器的分辨率可單獨設定,并且保存在EEPROM中,即使斷電也能夠保存;現場溫度的測量值通過串行通信的方式傳輸,即“單線總線”的數字方式傳輸。
　　信號調理電路如圖2所示。儀表放大電路采用的運算放大器為OP07,該運算放大器具有極低的輸入失調電壓,極低的失調電壓溫漂,非常低的輸入噪聲電壓幅度及長期穩定等特點,可廣泛應用于穩定積分、精密絕對值電路、比較器及微弱信號的精確放大。RC低通濾波器的-3dB帶寬由fw=決定,由于所采信號均為低頻信號,因此設計中R=10K,C=0.1μF。
　　
　　圖2信號調理電路
　　二、連續概率綜合模型的建立
　　火災發生時,伴隨很多特征參數的變化,傳統火災報警器只針對單一因素進行閾值判斷,沒能將多傳感器有機結合,誤判概率極大。本報警器采用多傳感器概率綜合判斷,綜合考慮分析光強、煙霧離子、溫度三類監測特征值,確定火災發生概率,結合實際情況確定靈敏度,驅動系統動作。
　　
　　圖3多傳感器的概率綜合模型
　　多傳感器的概率綜合模型如圖3所示,輸入為各傳感器監測值,依據各傳感器的概率模型,通過概率加權和運算得到執行輸出,其輸出如下:
　　(1)依據模型獲得火災發生概率值P;
　　(2)依據火災概率值得到危險系數,并結合相應的規則作出概率判決,具體的判決規則包括:危險系數小于火災預警下限時,繼續監視,但不響應;處于預警階段時,報警設備(蜂鳴器、警示燈)按正比于危險系數的頻率動作;當大于火災預警上限值時,如果超過火災確認值,則控制繼電器切斷電源,開啟消防設備,否則預警設備按最高頻率動作。
　　概率判決規則及其推理詳細模型如下:
　　光強因素對火災發生概率的影響是光強的標準差和均值共同作用的結果。調整報警器參數,設定統計分析的時間單元T0,以某一設定頻率fs采集光強信息,計算出這一時間單元內光強的標準差s與均值E,分別與火災發生概率P存在函數關系Ps=f1(s)與PE=f2(E)。
　　Ps=f1(s)可簡化線性模型:
　　(1)
　　式中,sF為光強標準差閾值;sM為光強標準差飽和值;σ為標準差系數σ=1/(sM-sF)。
　　標準差s很小時,光強度基本沒有改變,不存在火災危險,隨著s增大,光強變化越來越劇烈,到達閾值sF后開始考慮火災發生的可能性P,且P隨s增大而線性增長,到達飽和值sM后,光強信號已確定火災已發生。
　　PE=f2(E)可簡化為:
　　(2)
　　式中,Pel為均值影響概率下限;EF為均值響應下限值;EM為均值影響飽和值;η為均值影響系數η=(1-Pel)/(EM-EF)。
　　綜合考慮標準差與均值,得到對火災發生概率P的二維總影響函數:
　　P1=f1(s)f2(E)(3)
　　對于煙霧離子與溫度這兩類影響因素,模型可簡化為:
　　(4)
　　式中,Pi(i=2,3)為煙霧離子或溫度單獨反映火災發生的概率值;a1為對應信號的閾值;a2為對應信號的飽和值;為對應信號的影響系數=1/(a2-a1)。
　　記P2=f2(β)(β為煙霧離子濃度),P3=f3(γ)(γ為溫度)。綜合分析三類因素,分別得到每類因素對總結果的影響系數,即權重。則火災發生概率的最終結果由各獨自概率加權和得到:
　　(5)
　　式中,Pi為單獨考慮該類因素影響時所得火災發生概率,λi(i=1,2,3)表示相應的權重。
　　危險系數與火災發生概率P間的關系可簡化為線性模型:
　　(6)
　　式中,φ(P)為火災等級;Pτ為火災預警概率閾值;Pm為火災報警概率飽和值;km為火災劃分的最高等級;t為火災等級折算系數t=km/(Pm-Pt)。
　　存在概率閾值Pτ,當火災發生概率未達到此值時,認為環境是安全的,不報警;超過該值即認為存在火災危險,且危險系數(P)隨概率P增長而線性增加,開始預警,且(P)越大,報警笛響音越急促,報警燈閃爍越快速;當超過飽和值Pm之后,認為發生火災概率很大,已超過容忍度,基本確定火災已發生,需要采取必要措施,關閉電源,開啟消防系統。
　　綜上述,需要合理確定Pτ及Pm,通過查閱相關資料及實驗模擬結果,得到建議參考值Pτ=20%,Pm=60%。當然,為使系統更加人性化,用戶可根據不同需求自行設定調整Pτ及Pm。
　　參數的準確度直接決定了智能火災報警器的質量,不同環境下所需的參數差異較大,這就需要根據不同情況做大量調研及實驗,根據結果分析參數的最佳選擇。比如,建筑材料為木質的房屋中,火災發生時煙霧起主導影響,這時就要加大煙霧權重。
　　三、報警器的軟件設計
　　軟件設計包括數據采集,裝載,控制算法處理,CAN通信,狀態顯示,外圍動作單元響應等。以下簡要展示主函數以及定時器中斷服務函數。如圖4、圖5所示。
　　
　　圖4主函數流程圖圖5定時器中斷服務函數流程圖
　　為了滿足上述模型的要求,增強報警器的靈活性與適應性,程序設計采取了開放式的設計思想,即程序僅僅嵌入了上述概率模型的基本函數表達式,而函數中的全部代數參量都是開放的,用戶可以通過設計者自定義的總線命令進行現場設置。
　　程序設計了兩個全局狀態參數結構體。一個定義了報警器的動作命令以及通用命令,包括設置操控/監控狀態(操控優先級高于監控,即程序進入操控狀態則報警器只對環境做監測,但對監測結果不響應,而只響應操控命令,要回到監控狀態必須先退出操控狀態),報警燈開/關狀態,報警燈閃爍頻率,報警笛開/關狀態,報警笛鳴叫頻率,消防器設備起/停狀態,室內電源通/斷狀態,各路傳感器采樣頻率;程序運行過程中,通過掃描這兩個全局狀態參數結構體,而做出相應動作,給相應模型計算傳遞相應參數。
　　以上控制命令及參數設置命令全部包含在設計者自定義的CAN總線控制集中,此外,該控制集還包含一個報警器參數初始化命令。這些控制命令是利用標準CAN數據幀中的11位標識符以及8個數據字節組成的。
　　報警器對環境的監控結果也是通過CAN總線實時向上位機發送的。監控結果中包括三路傳感器檢測到的相應環境變量,總的火災概率值以及報警燈、報警笛、消防設備、室內電源的當前狀態。
　　該報警器軟件設計適應性強,對所監控的環境沒有依賴性,對所使用的傳感器依賴較小,也就是說只要監控的環境變量是上述三者,則程序基本無需改寫,只需要通過CAN總線命令根據現場環境、相應傳感器型號,設置合適的參數值即可。報警器對火災監控的準確程度,在某種程度上主要取決于這些參數的設置,所以得到可靠的模型參數對報警器的監控是至關重要的。
　　四、結語
　　以上報警器利用C8051F040單片機采集來自溫度、煙霧和光強傳感器的信號,并運用連續概率模型進行綜合分析處理,提高了火災報警的準確性和及時性;模擬測試中將報警器火災預警概率設置15%,報警概率設置50%,實驗結果表明:報警器能夠準確、快速地反應整個火災概率過程,并給出預警、報警信號以及動作相關消防設備。
　　
　　參考文獻:
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