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(fā)生的多傳感器概率綜合的數(shù)學模型,并介紹了其軟件實現(xiàn)方法。本設計針對傳統(tǒng)火災報警器的閾值判斷、條件參數(shù)固化等缺點,創(chuàng)新性地作了如下改進:多傳感器有機結合、概率綜合、參數(shù)可調(diào)、消防設備協(xié)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(xiàn)溫度信號的采樣;可根據(jù)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(diào)理電路。設計中采用光敏電阻與39K電阻對5V電源分壓實現(xiàn)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(diào)理。工作時光敏電阻呈現(xiàn)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(diào)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(xiàn)對-55℃~+125℃范圍內(nèi)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(xiàn)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(shù)字方式傳輸。
　　信號調(diào)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(diào)電壓,極低的失調(diào)電壓溫漂,非常低的輸入噪聲電壓幅度及長期穩(wěn)定等特點,可廣泛應用于穩(wěn)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(diào)理電路
　　二、連續(xù)概率綜合模型的建立
　　火災發(fā)生時,伴隨很多特征參數(shù)的變化,傳統(tǒng)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(jiān)測特征值,確定火災發(fā)生概率,結合實際情況確定靈敏度,驅動系統(tǒng)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(jiān)測值,依據(jù)各傳感器的概率模型,通過概率加權和運算得到執(zhí)行輸出,其輸出如下:
　　(1)依據(jù)模型獲得火災發(fā)生概率值P;
　　(2)依據(jù)火災概率值得到危險系數(shù),并結合相應的規(guī)則作出概率判決,具體的判決規(guī)則包括:危險系數(shù)小于火災預警下限時,繼續(xù)監(jiān)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(shù)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(guī)則及其推理詳細模型如下:
　　光強因素對火災發(fā)生概率的影響是光強的標準差和均值共同作用的結果。調(diào)整報警器參數(shù),設定統(tǒng)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(nèi)光強的標準差s與均值E,分別與火災發(fā)生概率P存在函數(shù)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(shù)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(fā)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(fā)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(shù)η=(1-Pel)/(EM-EF)。
　　綜合考慮標準差與均值,得到對火災發(fā)生概率P的二維總影響函數(shù):
　　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(fā)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(shù)=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(shù),即權重。則火災發(fā)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(fā)生概率,λi(i=1,2,3)表示相應的權重。
　　危險系數(shù)與火災發(fā)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(shù)t=km/(Pm-Pt)。
　　存在概率閾值Pτ,當火災發(fā)生概率未達到此值時,認為環(huán)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(shù)(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(fā)生火災概率很大,已超過容忍度,基本確定火災已發(fā)生,需要采取必要措施,關閉電源,開啟消防系統(tǒng)。
　　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(tǒng)更加人性化,用戶可根據(jù)不同需求自行設定調(diào)整Pτ及Pm。
　　參數(shù)的準確度直接決定了智能火災報警器的質(zhì)量,不同環(huán)境下所需的參數(shù)差異較大,這就需要根據(jù)不同情況做大量調(diào)研及實驗,根據(jù)結果分析參數(shù)的最佳選擇。比如,建筑材料為木質(zhì)的房屋中,火災發(fā)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(shù)據(jù)采集,裝載,控制算法處理,CAN通信,狀態(tài)顯示,外圍動作單元響應等。以下簡要展示主函數(shù)以及定時器中斷服務函數(shù)。如圖4、圖5所示。
　　
　　圖4主函數(shù)流程圖圖5定時器中斷服務函數(shù)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(shù)表達式,而函數(shù)中的全部代數(shù)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(xiàn)場設置。
　　程序設計了兩個全局狀態(tài)參數(shù)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(jiān)控狀態(tài)(操控優(yōu)先級高于監(jiān)控,即程序進入操控狀態(tài)則報警器只對環(huán)境做監(jiān)測,但對監(jiān)測結果不響應,而只響應操控命令,要回到監(jiān)控狀態(tài)必須先退出操控狀態(tài)),報警燈開/關狀態(tài),報警燈閃爍頻率,報警笛開/關狀態(tài),報警笛鳴叫頻率,消防器設備起/停狀態(tài),室內(nèi)電源通/斷狀態(tài),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(tài)參數(shù)結構體,而做出相應動作,給相應模型計算傳遞相應參數(shù)。
　　以上控制命令及參數(shù)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(shù)初始化命令。這些控制命令是利用標準CAN數(shù)據(jù)幀中的11位標識符以及8個數(shù)據(jù)字節(jié)組成的。
　　報警器對環(huán)境的監(jiān)控結果也是通過CAN總線實時向上位機發(fā)送的。監(jiān)控結果中包括三路傳感器檢測到的相應環(huán)境變量,總的火災概率值以及報警燈、報警笛、消防設備、室內(nèi)電源的當前狀態(tài)。
　　該報警器軟件設計適應性強,對所監(jiān)控的環(huán)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(jiān)控的環(huán)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(jù)現(xiàn)場環(huán)境、相應傳感器型號,設置合適的參數(shù)值即可。報警器對火災監(jiān)控的準確程度,在某種程度上主要取決于這些參數(shù)的設置,所以得到可靠的模型參數(shù)對報警器的監(jiān)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(xù)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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