火灾无线报警系统设计

火灾无线报警系统设计（共11篇）

火灾无线报警系统设计 篇1

摘要：针对无线火灾自动报警系统的应用需求,在分析无线式火灾报警系统适用场所与通信业务特点的基础上,针对已设有线火灾自动报警系统和未设置有线系统两种情况,设计了一种火灾探测报警专用无线通信协议,开发出整套无线火灾自动报警系统。介绍系统架构设计、模块硬件设计和无线通信设计。该系统实现了低功耗条件下的快速火灾探测报警与消防设施状态监管。

关键词：无线通信,巡检协议,火灾报警系统

近年来,随着物联网技术的兴起,大数据、云计算等技术得到广泛应用,基于无线通信的火灾自动报警系统引起国内外广泛关注。尽管两总线式系统的施工布线已经比较简便,但仍然存在安装维护成本高、升级改造难度大等问题,特别是对于家庭以及一些特殊的应用场合,已无法满足实际需求。例如,对于文物古建筑,有线火灾报警系统在安装过程中需要开槽穿管,对建筑物会造成破坏,对于此类保护性建筑不适用。此外,对于多产权建筑、小型邻街商业店铺以及临时性建筑等场所,非常适合采用无线式火灾自动报警系统。

无线火灾报警系统安装方便,不需穿管布线,对建筑物没有破坏,对建筑使用功能发生变化时的适应性强,得到目前国内外研究者的广泛关注。以Zigbee为代表的2.4G组网技术是目前无线火灾自动报警系统常用技术,但2.4G传输仅在视距范围有优势,障碍物对其传输影响很大。对于一些大体量、分隔复杂的建筑,2.4G组网要保证较好的传输质量,就需要设置大量的中继或增大辐射功率,但这也会造成成本的上升,与无线火灾报警系统低成本、低功耗的初衷不相符。

针对上述问题,笔者分析了无线火灾报警的业务特点,提出了433M无线火灾报警系统架构和专用通信协议方案,设计完成无线火灾报警系统,以解决三合一场所、多产权邻街店铺、砖木或木结构文物古建筑、临时性建筑等场所的现实防火需求。

1 系统架构设计

有线式火灾自动报警系统造价高、施工难度大,但因信号通过线缆传输,并具有护套及铜管保护,故信号质量高,可以实现高容量高稳定的系统。无线火灾报警系统的信号是一种开放式的传输方式,受距离和障碍物的影响较大,导致系统传输速率、容量等相比有线系统略低,且为保证火灾报警信号与消防设施监管信号的无差错实时传输,系统规模不宜设置过大。因此,在无线火灾报警系统在应用模式上,应根据现场已有消防设施条件的不同,在架构模式上采用不同的设计。

一是对于已设置有线火灾自动报警系统的规模较大建筑,当因单元内部格局更改,或建筑单元局部增加,需要对已有系统进行局部改造或扩容时,无线系统可作为有线系统的补充,以子系统的形式接入原有有线系统,这种结合模式下主干网络仍采用有线形式,整体系统稳定性高,局部根据环境特点采用无线形式,设置灵活且改造成本低。

二是对于原有未设置有线火灾报警系统的小规模建筑,或服务期限较短的临时性建筑,整个火灾自动报警系统均应采用无线形式,因系统容量不大,可以实现信号无差错实时传输保证。

根据上述两种不同情况,系统采用了两种分别针对全无线通信场景和有线无线相结合场景的架构模式,可分别通过无线信号或CAN总线接入火灾报警控制器,如图1所示。整个系统由火灾报警控制器、中继模块、现场模块构成。

(1)中继模块。中继模块对外提供无线火灾报警系统的数据交换接口,并负责建立局部无线网络,以433M射频方式将现场模块接入,并负责现场模块的巡检工作。电源采用消防电源。与2.4G频段相比,433M射频通信波长长,易绕过障碍物,且抗干扰性好、适用于作为无线式火灾自动报警系统的基础通信技术。

中继模块与火灾报警控制器的连接,根据现场环境可选择有线制和无线制两种方式。其中,有线制采用CAN总线通信,无线制可以通过433M射频或GPRS网络通信。中继模块仅在巡检到火警信号或故障信号时向控制器上报上述信号。

(2)现场模块。现场模块包括火灾触发模块、设施监管模块以及输出模块三类。火灾触发模块包括火灾探测器、手动报警按钮;设施监管模块包括防火门监测装置、消火栓压力监测装置等;输出模块包括声光警报器、联动输出模块等。

现场可设置多个中继模块接入到火灾报警控制器,每个中继模块各自管理一部分火灾触发模块、设施监管模块以及输出模块,建立属于自己的同频网络。不同中继模块建立的网络之间采用跳频方式避免同频干扰。通过扩展中继模块数量,实现对现场火灾自动报警业务需求的完整覆盖。

2 模块硬件设计

此系统中继模块与现场模块设计构成,如图2所示。核心控制芯片采用TI MSP430低功耗系列芯片,无线传输功能基于MRF49XA射频芯片构建。依据《微功率无线电设备的技术要求》,无线网络设计工作在433M公共免费频段,符合国家无线电管理委员会要求,支持多频点的频率复用和跳频技术,具有较高的频率利用能力,所有模块均支持双向收发与休眠唤醒功能。

3 无线通信设计

3.1 无线火灾自动报警系统通信特征

(1)单次通信数据量少。火灾自动报警系统中需要进行传输的数据主要包括火灾探测报警信息以及消防联动控制信息,大部分数据类型都可表示为开关状态量,每种数据的长度通常在几个字节内。

(2)实时性要求高。依据GB 4717-2005《火灾报警控制器》的要求,从探测器发出火灾报警信号到控制器接收到该信号并发出警报的时间应控制在10s内,而当系统内任一模块发生故障时,火灾报警控制器应在100s内检测到该故障。

(3)故障监测通信具有常发性。为了能够实时监测系统内各模块状态信息,满足100s内获知模块故障状态的业务需求,系统需要以固定的周期查询模块状态。

(4)火灾报警信号的传输具有偶发性。火灾作为一种灾害,在某一个固定建筑物内的发生频次是很低的,因此火灾报警信号的传输具有偶发特点。

(5)具有能耗约束。与有线系统不同,无线报警系统中模块通常采用电池供电,能源有限。实际现场对电池的使用寿命要求通常需要能达到1a,因此无线系统中的通信行为是在能源有限的约束下进行的。

针对上述特点,此系统充分压缩了通信数据帧,并提出了一种可减少通信能耗的巡检协议。

3.2 通信帧设计

依据无线火灾自动报警系统通信行为单次通信数据少,但对实时性要求高的特点,通信帧设计如图3所示。一帧数据共10B,数据量小,有利于降低传输功耗,其中前导字节与同步字节为固定字节,类型、状态、数据域使用1个字节,地址域中源地址和目的地址各占1个字节。各类探测器和消防设施类型和状态都采用位编码方式编码进1个字节中,共可编码256种类型和256种状态。

3.3 间隙插入式巡检逻辑设计

依据无线式火灾自动报警系统中通信行为的功耗约束特点,通信次数越频繁,电池电量消耗越快,而根据通信实时性与常发性特点,网络点数越大,在一个巡检周期内进行的通信次数越多。因此,网络规模与能耗优化是一对相互制约的参数。针对上述问题,此系统巡检逻辑流程设计如图4所示。

在一个巡检周期中,一个同频网络以时分多址方式划分每个现场模块的时分地址,按网络中模块数量设置一系列查询场,并一一分配给各现场模块。每个现场模块在自己的查询场到来时被唤醒,中继模块对该现场模块进行一次状态查询后该现场模块重新进入休眠状态。

为了实时检测到火灾,每个现场模块每隔一定时间唤醒一次主控MCU检测火灾,而无线功能部分仍保持休眠,若无火灾则立刻重新进入休眠状态,若检测到火灾则唤醒无线功能部分并保持。

在查询两个相邻地址模块的间隙时间,中继模块插入火警单询指令,对所有火灾触发模块进行单询,由于唤醒休眠策略的设置,只有处于火警状态的火灾触发模块才保持唤醒,能够应答查询。

上述巡检逻辑设计具有3个特点:

(1)可将巡检周期尽可能地拉长,使得在没有火灾的正常监测情况下,模块的通信次数下降,从而降低其通信能耗。

(2)将网络通信的主要负荷移到中继模块,由于中继模块采用消防电源供电,不存在能耗约束,在实际现场具有较高实用性。

(3)火灾发生时,通过利用两次巡检查询之间的间隙,插入火警轮询指令,避免了因巡检周期拉长后可能导致的火警传输延迟问题,火警信号的传输仍然能够满足实时性要求。

4 试验测试

系统各部分实物如图5所示,按消防标准在某建筑物中部署设置无线火灾报警系统进行测试,测试结果如表1所示。

此系统现场模块的通信半径在有墙体阻隔的情况下可以达到35m,一个同频网络共可覆盖约1 000m2的空间,对于无墙体直接阻隔的场所,通信半径则更长,而且现场模块的工作电流小于93μA,在配备2 400mAh的电池情况下,最高工作时长可以达到3a,可以满足三合一等中小场所的实际需求。此系统的通信丢包率低至1/11 110,意味着一万次通信至多有一次可能发生丢包,而且即使发生丢包,通过在两个模块巡检间隙插入重查命令,可重新获得丢失的数据包。另外,系统的时效性也能得到保证,在一个中继管理100个现场模块的规模下,火警上报时间可以控制在5s内,现场模块故障发现时间可以控制在10s内。

由测试数据可知,此系统具有足够低的工作电流,信息传输时延小,丢包率低,满足无线式火灾报警系统所需要的低功耗、实时、传输错误率低等要求。

5 结束语

笔者通过分析火灾自动报警系统的设置特点,提出了433M无线式火灾自动报警系统架构,设计开发了系统模块硬件,并在分析总结了无线火灾自动报警系统通信行为特点的基础上,设计了可有效降低平均通信功耗的间隙插入式巡检协议,完成了无线火灾报警系统的设计开发。与2.4G通信技术相比,此系统利用了433M射频信号的波长优势,绕射能力强,与其他低兆赫射频通信无线火灾报警网络相比,系统具有可以有线系统集成,且平均通信能耗小的特点,其应用将有助于提高三合一场所、多产权邻街店铺、砖木或木结构文物古建筑、临时性建筑等场所消防安全工作水平。

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火灾无线报警系统设计 篇2

森林火灾监控报警系统的通讯过程为：由火灾报警器依次向各个火灾探测器发送巡检数据包，火灾探测器接收到数据包后检查数据包内包含的火灾探测器地址编码，如果和自身的地址编码相匹配说明数据包是发给自己的;否则，丢弃该数据包，不作任何响应。当火灾探测器确定报警控制器是呼叫本机时，由数据包头可以判断出数据包的内容，对数据包中的数据做出正确的处理。为了确保数据包的内容，每个数据包最后一个字节传输的是整个数据包计算出的效验和，接收方也通过同样的方法计算出数据包的效验和二者比较，如果一致认为数据包传输正确。否则，认为数据包传输错误，要求重新传输该数据包，当火灾报警控制器发送巡检数据包后，报警控制器处于等待状态，等待时间可以在程序中人为设定，如果在等待时间内接收到报警探测器返回的数据包，判断正确后，可以对数据包进行相应处理。如果在预设时间内有收都无法收到火灾探测器的答应数据包，则系统判断通讯线路或者该火灾探测器出现故障。在LCD显示器屏幕显示错误警告，提示操作人员检查。终端软件设计

系统最终面向终端用户，而用户一般对技术细节不了解，也不需要了解，用户直接接触到的是软件的运行界面。在系统功能实现的基础上，用户往往通过操作界面的简洁与否、操作流程的复杂程度、界面是否有良好的一致性、是否可以方便地进行二次开发等标准来评价一个系统的优劣。从编程人员的角度考虑，能够轻松维护和升级的程序才有活力。因此，在基本功能实现的基础上，如何为用户提供一个简单、舒适、友好的界面，如何能使用户方便、简单的操作系统，如何在现有基础上方便的实现软件的维护和升级，如何能使拥护容易的进行二次开发，使现代系统软件设计的目标。报警控制器软件的基本功能设计要求如下：

1.要能够对每个火灾探测器进行管理，包括查询火灾报警探测器的相关信息、修改火灾探测器的相关信息、增加、删除火灾报警探测器。在软件运行过程中，可以随时在界面上观察火灾探测器的工作状态。

2.要能够准确判明发生火灾或故障的火灾探测器的位置，并且在界面上显示相关报警信息，提示操作人员进行处理。如果发生了火灾，系统除了在屏幕上显示出报警信息，发出报警以外，还将相关报警信息打印出，以方便查阅、分析。串口通信软件设计

系统采用zigbee模块，烟雾传感器对检测到的数据进行传输，计算机与计算机之间，计算机与传感器之间采用串口通信传递数据。

串行总线是一种久远但目前仍常用的通信方式，早期的仪器、单片机、PLC等均使用串口是计算机进行通信，最初多用于数据通信上，但随着工业测控行业的发展许多测量仪器都带有串口总线接口，因此了解掌握串口通信技术及其编程是非常必要的。在此设计中，报警控制器和烟雾探测器之间的通讯为SerialPort的串口通信，外设和计算机之间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据。上位机软件设计

软件还要能够管理操作人员的相关信息。可以增加、删除操作人员，并且可以修改现有操作人员信息。软件运行时需要输入操作人员编号和密码进入系统，使对于操作系统的人员进行更好的管理，使系统具有更高的安全性。软件还要做到能方便查询报警控制器和火灾探测器之间传递的数据记录，以及程序主界面报警信息查询模块通讯模块火警处理模块探测器查询模块探测器管理模块操作人员管理模块系统运行日志模块系统进行的历史记录。上位机软件运行流程图和界面图如下。小结

浅析火灾自动报警系统设计 篇3

【关键词】火灾自动报警系统；设计的难度；问题；解决方案

改革开放以来，国家经济发生了巨大的变化，在建筑市场迅猛发展的推动下，我国的消防行业也有了较大的发展。为了有效地保证人民的生命财产安全，消防技术法规、消防产品标准也经历了从无到有、日益完善的过程。火灾报警及消防联动控制系统现已广泛运用在各种楼宇、建筑中，并充分显示了发现火灾及时、扑灭初起火灾迅速的特点，受到用户的肯定和好评。但是，如何正确的设计火警系统，仍然是一个十分重要而亟待深入探讨的问题。

1. 火灾报警系统设计的难度

1.1涉及的专业多。火灾报警系统涉及到强电、智能化、暖通、给排水、建筑等专业，这就要求设计人员对相关的专业知识有一定的掌握。

1.2没有专门的院校培养消防人才。我们国家至今只有在个别院校设立了消防专业，但也往往侧重于消防战训、指挥等，所以真正搞消防工程设计、安装的专业人才很奇缺。

1.3火灾报警系统产品发展很快，已从传统型、地址型发展到智能型，而且产品品种多，又无互换性，要充分了解其性能并灵活运用于设计中也是不容易的。

1.4我国第一部《火灾自动报警系统设计规范》 （GBJ 1l6-88）是1988年编制的，经过近10年的运行实践，国家公安部于1998年再次进行修订出版，并列为强制性国家标准。但是规范中一些条文有点滞后，导致设计人员对规范的理解不尽相同，最终还要参考当地消防部门的意见来设计 。

1.5大型设计院由智能化专业来设计火警系统，而一些中、小型设计院的强弱电均由电气专业来设计，工作量和难度都加大，这对设计人员提出了更高的要求。

2. 设计中遇到的主要问题及解决方案

2.1探测器的选择。

这个问题，应该说是火警系统设计人员最基本的常识，设计何种探测器应取决于所保护对象的功能是什么，可燃物特点是什么，现场有何特点。比如汽车库内探测器的设计问题，《汽车库、修车库、停车场防火设计规范》条文说明里面提到通风较好的情况下汽车库可以采用感烟探测器，笔者认为该地方是经常有汽车尾气滞留的地方，容易造成误报火警，而且现实生活中业主为了节约用电，汽车库内的通风系统平时是关闭的，根本谈不上通风，所以从责任角度讲，采用感温探测器是比较合适的。另外，在一些影剧院、教堂、展览馆等高大建筑设施内，一些设计采用了较先进的红外光束对射感烟探测器，安装位置要注意避光（包括灯光及顶棚射进的太阳光）、注意避开遮挡物，以免产生误报。

2.2手动火灾报警按钮和火灾警报装置的设置。

对规范条文的理解，可以这样认为：一个防火分区内按照60米的间距均布手动火灾报警按钮，同时要设在明显和便于操作的部位，而不是设在房间的深位地方。火灾警报装置采用声光报警器，常设置在楼梯出口附近。走道两端的手动火灾报警按钮可以与声光报警器设置在相同位置。

2.3重视防火分区的划分。

消防设计必须与建筑密切配合，系统设计应考虑防火分区的划分，特别是在大型商业和地下车库等场所。认为每个防火分区需要设置一个短路隔离器，故某一防火分区发生故障时不影响其它防火分区。

2.4防排烟的联动问题。

施工图中见有用一个模块一次开启5～6个排烟口的，一种采用传递接续开启，一旦其中1个打不开，信号传不下去，继后的便全打不开了；另一种则是同时全打开，此时电流值甚大，需全面核算。一般认为，以2～3个为宜。当然采用“单打一”控制最为安全，但造价高，应据工程性质、需要而定。

3. 小结

3.1需要与其它专业配合。

系统设计并不只是某个专业独立完成的事情，它需要各专业之间的密切配合。例如有关防火阀进入火灾报警系统的问题，电气设计人员必须和通风空调专业的设计人员密切配合，了解清楚哪个阀对应的是哪台风机或空调机，作出一个详细的联动动作表，提交给系统的承包商，以便在编制软件程序中将此逻辑关系一一列入，否则无从满足火灾情况下的联动要求。尽管有的承包商可能会根据图纸和现场的情况作出某些判断，但是否准确，并不能有完全的把握，甚至有些还出现错误。

3.2电气专业内部协调。

在设计一项工程时，电气专业往往分为强电和弱电，不同人员负责的设计内容有所侧重。然而火灾报警系统的设计人员对强电设计人员应提出要求，在建筑设计防火规范和高层建筑设计规范中，都明确要求消防用电设备应采用专用的供电回路。故名思义，专用回路是不允许在该回路上再接上其它的非消防负荷。

[文章编号]1619-2737（2014）03-03-569

基于单片机无线火灾报警系统设计 篇4

关键词：火灾报警,单片机,无线模块

据联合国“世界火灾统计中心”提供的资料表明, 发生火灾产生的损失, 美国不到7年翻一番, 日本平均16年翻一番, 中国平均12年翻一番。全世界每天发生火灾1万多起, 造成数百人死亡。近几年来, 我国每年发生火灾约4万起, 死2000多人, 伤3000—4000人, 每年火灾造成的直接财产损失10多亿元, 尤其是造成几十人、几百人死亡的特大恶性火灾时有发生, 给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。研究和设计实时控制的火灾报警控制系统就尤为重要, 具有实际的应用意义。

1 方案设计

整个系统中只有一个无线接收模块, 但是有多个无线发射模块与光敏、烟雾和温度传感器做成的子模块电路。子模块电路被分散安置在需要监测的各个地点, 平时无线发射模块处于待机状态。当某地发生火灾被传感器监测到后, 无线发射模块会发出信号, 当无线接收模块接收到信号后, 单片机控制显示电路显示起火地点并报警。系统框图如图1所示。

2 硬件设计

硬件电路由AT89C51单片机控制模块、显示电路、报警电路、按键电路、无线接收模块、无线发射模块和各传感器组成, 如图2所示。其中无线收发模块使用的是2.4G无线模块, 2.4G无线模块工作在全球免申请ISM频道2400MHz-2483MHz范围内, 实现开机自动扫频功能, 共有50个工作信道, 可以同时供50个用户在同一场合同时工作, 无需使用者人工协调、配置信道。也就是说一个接收模块最多可有50个发射模块。并且该模块根据覆盖距离有多种类型, 用户可根据需求自行选择覆盖距离和发射模块的数量。

3 软件设计

软件设计的关键点在传感器的处理上, 由于各传感器是与无线发射模块做成子电路模块的, 因此能否在最快的时间发现火灾并报警取决于各传感器的灵敏度和设置参数。一般起火的过程是, 首先温度升高, 然后冒烟, 最后才会有明火。并且不同材料的燃点存在差异, 那么根据监测的材料不同, 对温度传感器的设置也不同。接着就是根据实际监测环境设定烟雾和光敏传感器的参数。当传感器检测并确定有火灾发生时, 无线发射模块会在最短时间内向接收模块发出信号, 控制单片机及时报警并显示火灾发生地点。

4 结语

文章介绍的基于单片机控制的火灾报警系统在测试中能及时响应, 能够实现火灾报警的功能, 做到了无人值守工作, 达到了设计的要求。经实验证明, 该系统的综合性及可靠性高, 具有较好的实用价值。

参考文献

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[2]张洪润, 易涛.单片机应用技术教程 (第二版) [M].北京:清华大学出版社, 2003.

浅谈火灾自动报警系统的电气设计 篇5

【关键字】火灾自动报警；火灾疏散；火灾确认；自动灭火；消防；联动控制；消防过程

1、火灾自动报警系统的组成

众所周知，火灾自动报警系统是建筑中唯一的火灾自动预防系统，主要由火灾报警控制器、火灾探测器（包括可燃气体探测器、电气火灾监控探测器等各类探测器）、手动报警按钮、火灾声光警报器和消防联动控制部分等组成。以火灾报警控制器为核心的部分构成了火灾自动探测与报警的基本单元，以消防联动控制器为核心的部分构成了消防联动控制的基本单元。这两大部分组成了完整的火灾自动报警系统。

建筑中其他与火灾或安全相关的监控，如温度参数、压力参数、电气参数、毒气参数等也可以接入火灾自动报警系统，只要这些参数的显示不影响系统中固有的各类信息显示即可。

2、与火灾相关的几个消防过程

正确理解火灾发生、发展的过程和阶段，对合理设计火灾自动报警系统有着十分重要的指导意义。在“以人为本，生命第一”的今天，建筑内设置消防系统的首要任务就是保障人身安全。这是设计消防系统最基本的理念。从这一基本理念出发，就会得出这样的结论：尽早发现火灾、及时报警、启动有关消防设施引导人员疏散。在人员疏散完后，如果火灾发展到应该启动自动灭火设施的程度，就应该启动相应的自动灭火设施，扑火初期火灾，防止火灾蔓延。自动灭火系统启动后，火灾现场中的幸存者，应该是依靠消防救援人员抢救出来了。因为火灾发展到这个阶段时，滞留人员由于毒气、高温等原因已经丧失了自己逃生的能力。这也是图1所示的与火灾相关的几个消防过程的基本含义。

由图1还可以看出，火灾报警与自动灭火之间还有一个人员疏散阶段，这一阶段根据火灾发生的场所、火灾起因、燃烧物等冈素不同。有几分钟到几十分钟不等的时间.这是直接关系到人身安全最重要的阶段。因此，在任何需要保护人身安全的场所，设置火灾自动报警系统均具有不可替代的重要意义。只有设置了火灾自动报警系统，才会形成有组织的疏散，也才会有应急预案，确定的火灾发生部位是疏散预案的起点。疏散是指有组织的、按预订方案撤离危险场所的行为：没有组织的离开危险场所的行为只能叫逃生，不能称为疏散。而人员疏散之后，只有火灾发展到一定程度，才应该启动自动灭火系统。自动灭火系统的主要功能是扑灭初期火灾、防止火灾扩散，不能直接保护人们生命安全。可见任何自动灭火系统都不可能替代火灾自动报警系统的作用。

在保护财产方面，火灾自动报警系统也有着不可替代的作用。重要物质、燃烧后会产生严重污染的物质、施加灭火剂后丧失价值的物质等，均需要做火灾预警系统。在火灾发生前，探测可能引起火灾的特征。彻底防止火灾发生或在火势很小尚未成灾时就及时报警。

3、不同类型的火灾探测器报警信号的含义不同

我们在绝大多数场所使用的火灾探测器都是普通的点型感烟火灾探测器，这是因为在一般情况下，火灾发生初期均有大量的烟产生，最普遍使用的点型感烟火灾探测器都能及时探测到火灾。报警后，都有足够的疏散时间。虽然有些火灾探测器可能比普通的点型感烟火灾探测器更早发现火灾，但由于点型感烟火灾探测器在一般场所完全能满足及时报警的需求，加上其性能稳定、物美价廉、维护方便等因素，使其理所当然地成为应用最广泛的火灾探测器。一般情况下说的早期火灾探测，都是指感烟火灾探测器的探测。

感温火灾探测器根据其用法不同，报警信号的含义也不同。当感温火灾探测器直接用于探测物体温度变化，如堆垛内部温度变化、电缆温度变化等情况时，其报警信号会比感烟火灾探测器早很多，此时的报警信号的含义更多的成分是预警，表示还没有发展到火灾阶段，只是有引发火灾的可能了。这种情况下感温探测器的作用，与探测由于真正发生火灾而引起的空间温度变化的感温火灾探测器的作用，有着本质的区别。在火灾发展过程中的温度参数和火焰参数通常被用于表示火灾发展的程度，就是说火灾发生后，探测空间温度的感温火灾探测器动作表明火灾已经发展到应该启动自动灭火设施的程度了，所以感温火灾探测器经常用于确认火灾并联动自动灭火系统。绝不能用感烟火灾探测器联动自动灭火系统！

4、火灾确认与联动编程

火灾确认分为人工确认和自动确认。人工确认指手动火灾报警按钮的报警信号，只要有了手动火灾报警按钮的报警信号，即可确认火灾。自动确认指接收到来自两个不同火灾探测器的报警信号，即可确认火灾。

通常情况下，做联动编程时不能只用一个报警信号，应该取来自同一个防火分区内两个不同的火灾探测器的报警信号，或一个火灾探测器和一个手动火灾报警按钮的报警信号，相“与”后，控制启动相应自动消防设备。只有这样才能保证整个火灾自动报警系统长时间处于稳定的自动工作状态。

火灾声光警报器、防烟（排烟风机）、火灾应急广播、消防应急照明等与疏散相关的自动消防设备和起防火分隔作用的防火卷帘，均可由同一个防火分区内两个不同的感烟火灾探测器的报警信号，或一个感烟火灾探测器和一个手动火灾报警按钮的报警信号，相“与”后联动启动。疏散通道上设置的防火卷帘和各类自动灭火系统的第二个自动触发信号只能是感温火灾探测器或火焰探测器的报警信号。

5、联动切除非消防电源

正常情况下，只要确认火灾发生，就可以切断发生火灾的防火分区内的空调、办公等与生命安全无关的非消防用电。建议先保留正常照明供电，阂为正常照明如果此时处于工作状态，将有利于人员疏散。一般情况下，正常照明供电可以保持到该防火分区的水系统动作时切断。设有自动喷水系统的场所可以用一个火灾探测器报警信号和自动喷水系统的报警阀（或压力开关）信号“与”逻辑联动；设有消火栓系统的场所，可以用启动消火栓水泵的控制信号联动。

6、联动设备的时序

确认火灾发生后，一般情况下可以按下述时序启动相应的消防设备：

a.启动全楼的火灾声光警报器。

b.启动消防应急照明和疏散指示标志、火灾应急广播：火灾应急广播应该与火灾声光警报器分时交替播报。

c.停止正常的通风及宅调，切断其电源及其它与生命安全无关的非消防电源。

d.其它由火灾探测器自动联动的消防设备应该根據火灾探测器的动作情况自动启动，除非有人工确认火灾已经发展到相应的阶段，并判断起联动作用的火灾探测器不能有效工作，否则不宜人工启动相关的自动消防设备（系统）。这些消防设备主要包括：防火卷帘与防火门、防烟与排烟风机（口）、防火阀及各类自动灭火系统。

7、结束语

火灾无线报警系统设计 篇6

通过对蓝牙、超宽带、WiFi等几种常见的短距离无线通信技术进行比较,ZigBee具有成本低、复杂度低、数据传输速率低、功耗低、传输距离短等特点,更加适用于环境数据的无线采集以及智能家居控制等场合,相对传统远程通信技术来讲优势在于无需任何通信费用,而弊端则在于有限的传输距离。GPRS则以永远在线、瞬时上网、数据流量计费和基站覆盖面积广等特点,满足本系统对数据远程传输的需求。因此,笔者将ZigBee和GPRS两种通信技术相融合设计了全无线火灾报警系统,具有无需布线易安装、组网灵活成本低、远程报警速度快、集中监控易管理等优越性,突破了传统火灾探测器的内联限制,实现了真正意义上的远程无线火灾报警及消防监控。

1 系统整体设计思路

该系统是一套基于ZigBee和GPRS可实现远程监控及报警的无线传感器网络,如图1所示。主要由ZigBee传感器网络、ZigBee-GPRS网关和远程计算机系统管理软件组成。其中,传感器网络部分基于ZigBee技术实现,将同一受控区域内多个传感器节点的监测数据汇聚至ZigBee协调器节点,再通过网关将数据转由GPRS收发单元,通过电信运营商移动通信网络传送至远程服务器数据库进行保存,消防监控总控室或消防部门的计算机终端只需连接互联网,通过安装配套的系统管理软件,即可实现对传感器监测数据远程实时监控或对历史数据进行查询。

图1 系统整体示意图

当无线传感器节点监测到环境数据异常时,该系统会以多种方式进行自动报警,如以手机短信方式自动将警情信息发送至相关负责人员、现场启动声光报警、远程终端计算机管理系统也会同时收到报警提示,真正意义上实现立体复合报警的效果,以便相关人员及时发现火情并在第一时间采取行动。

2 传感器节点设计

如图2所示,传感器节点主要由多路传感器单元、主控单元、时钟单元、电源和调试串口组成,主要担负对环境物理量进行监测并上传信息至网络协调器的任务。主控芯片选用TI公司推出的CC2530芯片,此芯片不但兼容ZigBee 2007协议,还集成了业界领先的RF收发器、增强工业标准的8051单片机,在系统可编程Flash存储器,8kB RAM等许多强大功能,只需设计外围电路即可。在多路传感器选择上可根据所需要监测环境的条件进行选择,常见的火灾特征主要为烟雾、火焰光、热量,所以本系统采用监测以上3种物理量的传感器进行设计,即烟雾传感器、火焰传感器和温度传感器,相应元件依次为MQ-2、红外传感器和DS18B20,并且考虑到系统的完整性与扩展性,将物联网技术也纳入到该火灾报警系统设计中,增加霍尔传感器,用于监测防火门开关状态以便于消防管理。

时钟同步对于传输网络是一个非常重要的评价指标,时钟单元除了记录时间外还要保证传感器网络中每个节点的时间一致,因此有必要对同一传感器网络中所有节点时间进行校正。本系统采用DALLAS公司的DS1302涓流充电时钟芯片进行设计,DS1302内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM,具有计算秒、分、时、日、星期、月、年及闰年调整的功能,只要通过串行接口即可与单片机进行通信。同时,为了便于对传感器节点进行调试,采用串口数据通信方式进行设计,通过PL2320电平转换芯片,使传感器节点可以通过USB接口与PC进行数据通信。电源设计为3.3V输入,由单节锂电池进行供电。

图2 传感器节点逻辑框图

软件程序开发选用IAR开发环境,基于Z-Stack协议栈进行开发,Z-Stack是TI公司开发的一款符合ZigBee规范的半开源协议栈,它可以直接运行在CC2530中,只需调用协议栈提供的函数便可实现想要的功能。Z-Stack协议栈是基于轮询嵌入式的多任务操作系统,只需在APP层添加传感器信息的获取、打包和发送等控制代码即可。相应的也要在网络协调器节点的APP层添加数据接收、信息重新打包以及与GPRS无线模块进行通信的控制代码。

3 ZigBee-GPRS网关设计

网关作为网间连接器,在传输层实现网络互连,用于两个高层协议之间的网络交叉通信。该系统中网关的主要任务是将ZigBee汇聚节点(网络协调器)所接收到各传感器节点的数据进行处理并通过GPRS无线模块发送至远程计算机。选用华为公司的GTM900-B芯片作为该系统的远程通信功能芯片,该芯片是一款三频段GSM/GPRS无线模块,支持标准的AT命令及增强的AT命令,只需通过ZigBee协调器USART接口与GPRS模块进行通信,使用AT命令即可实现对数据的无线发送和接收,以及收发短信息等功能。如图3所示,网关中所包含的ZigBee协调器在硬件设计上除了没有传感器单元之外,其他与传感器节点基本一致,由于CC2530芯片的USART0接口仍用作开发调试使用,因而将US-ART1接口分配给GPRS无线模块进行通信使用。

GPRS无线模块通过建立TCP/IP连接至远程计算机,远程计算机上安装的管理软件通过对端口监听就可以收到GPRS无线模块发来的数据信息。同时,CC2530还兼顾对从传感器节点接收来的数据进行判断,当某一节点探测到的环境数据出现异常时,会控制声光报警单元发出报警信号,并同时通过AT指令向程序内设置的手机号码发送报警提醒短信,程序内对温度的报警阈值设置为50℃,火灾探测器和烟雾探测器则为检测到异常立即短信报警。

图3 ZigBee-GPRS网关逻辑框图

网关部分的主控芯片仍为CC2530,所以软件程序开发依旧基于Z-Stack协议栈在IAR开发环境中完成,增加对监测数据的判断及AT指令的发送,为确保GPRS无线模块对AT指令的准确执行,程序中也编写了对GPRS无线模块返回值的判断功能,最后根据节点的类型下载到模块内进行测试。

4 上位机系统管理软件设计

该系统在使用中直接面向最多的用户是终端用户,终端用户也无需掌握火灾报警系统的技术细节及原理,只需懂得操作使用即可,因而运行于上位机的系统管理软件设计要做到界面风格简洁,操作简单易掌握。

系统管理软件采用C#语言在Visual Studio 2010开发环境中开发,并搭载Access数据库用于对传感器数据储存与整理,主要功能如图4所示。管理软件主要分为四部分,一是基于TCP/IP协议与GPRS模块建立通信以确保收到准确无误的数据信息并对数据进行解析;二是可观测各传感器节点实时数据;三是对远程检测数据出现异常时的报警功能,且可根据监测环境的需求来设置合理的温度报警阈值;四是将接收到的数据按类型放入数据库相关数据表中进行储存以便于今后的查询。

图4 系统管理软件结构图

5 系统功能测试

5.1 测试环境

先通过重新下载程序对每个传感器节点进行编号,在相距50m的两间房间内各放置3个传感器节点,其中霍尔传感器与火焰探测器置于同一节点并安装在门梁上方,网关节点安置在走廊的中间位置,所有节点上电,启动系统管理软件对端口监听,使用人工火源逐步靠近温度传感器节点,同时将上位机系统管理软件的报警温度设置为50℃并实时观察数据的变化。同样,采用人工干预的方法依次对其他传感器进行测试。

5.2 测试结果

系统工作正常,通过系统管理软件可以观察到各传感器节点的数据状态。当监测数据出现异常状态时,首先报警的是网关节点的蜂鸣器,其次是上位机的系统管理软件,最后是手机接收到报警短信,时间间隔分别约为5s和9s,测试结果在预期之内较为理想,但此时间间隔会受通信信号状况所影响。

6 总结

笔者设计的全无线火灾报警系统,主要通过烟雾传感器和温度传感器对环境参数实行监测,以判断是否发生火灾或提前做出火灾危险预警,通过霍尔传感器来监测各安全出口及防火门的开闭状态,以确保火灾发生后的人员疏散。阐述了系统结构和工作原理,说明了系统各部分的硬件和软件设计,并经整体调试获得了理想的测试结果。该系统采用全无线通信方式,适用于古建筑、临时建筑等不适合安装传统有线式火灾报警器的场所,系统具有低功耗、安装简易、价格低廉等优点,其应用及市场上都具有很大的发展前景和应用价值。

参考文献

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火灾无线报警系统设计 篇7

近年来,随着我国国民经济的高速增长,各行业用电量大幅度增加,同时伴随着电气火灾也呈现逐年上升的趋势,给国民经济和人民生命财产造成巨大损失。电气火灾的起火主要有漏电、短路、过负荷几种原因。由电力设备发热而最终导致的电气火灾在全部电气火灾中占到了60%以上的比例;另外,由绝缘受损、环境潮湿等引起的泄漏电流故障(以及由泄漏电流电火花引起)又在电气火灾的起因中占有10%以上的比例。

当绝缘受损的线路上产生的泄漏电流为300～500 mA时,破损处将和邻近的接地导体产生火花放电现象。这时,释放出的电火花可以轻易地引燃周围的可燃物和易燃物,从而造成火灾事故。即使周围没有易燃、可燃物存在,泄漏电流产生的火花放电同样可加速绝缘的受损面积,使得受损点周围的绝缘层迅速炭化,变为易燃物体,再被火花点燃起火。

高压开关柜中设有大量开关电气设备,并具有复杂的电气连接线路,如何对高压开关柜中的关键部位或电气连接处的温度进行实时、远程检测,并确保检测的安全性和可靠性,是所要解决的重点技术难题之一。

1 系统组成

为解决上述技术问题,现提供一种结构简单、安全性和可靠性较高的火灾监控系统的无线温度检测仪。火灾监控系统的无线温度检测仪包括温度传感器1、与温度传感器1的温度信号输出端相连的适于定时激活工作的第一逻辑控制电路2、第一逻辑控制电路2的温度信号输出及收发控制端相连的用于将温度信号转换为无线信号的第一无线收发电路3,第一逻辑控制电路2连接有电池供电电路4。

温度传感器1设于配电室进线柜断路器的上下接口处、三级负荷进线开关断路器的上下接口处、风机回路断路器的上下接口处、冷水机组回路的上下接口处或开关柜内的带电触头上。应用火灾监控系统的无线温度检测仪时,还包括用于接收所述无线信号的第二无线收发电路11、与第二无线收发电路11的相连的无线交互控制单元5、与无线交互控制单元5的数据输出端相连的用于判断温度传感器1所测温度是否超过预设范围的中央控制单元6;中央控制单元6的温度信号输出端经通信接口8与用于远程监控的上位机10相连。

中央控制单元6的温度显示输出端连接有用于实时显示温度值的显示电路9,即LCD显示屏。所述中央控制单元6的控制输入端连接有用于输入无线收发的频点和与所述第一逻辑控制电路2相关联的地址表的第一键盘输入电路7。具体框图如图1所示。

2 系统设计原理

火灾监控系统的无线温度检测仪系统主要由微处理器C8051F930(简称MCU)和RF收发芯片Si4432组成,其是业界目前性价比“最高”的嵌入式无线解决方案。C8051F930是Silicon Labs新近推出的业界第一款能在0.9～3.6 V电压范围内工作的MCU,内部集成了64 KB的FLASH、4 352 B的RAM、1个UART、2个SPI、4个定时器、10 b的ADC、内部振荡器等,提供了一个真正的SoC(System on Chip)解决方案。

Si4432无线收发器是Silicon Labs公司EZRadioPro产品线中的一款非常有代表性的芯片,支持频率范围240～930 MHz,输出功率最大为20 dBm,灵敏度达-117 dBm。Si4432与主机MCU之间的通信是通过SPI总线实现的,主要涉及SCLK、SDI、SDO和nSEL四个引脚。

Si4430/31/32提供了先进的无线电特性包括在240～960 MHz范围的频率覆盖和允许进行精确调谐控制的156 Hz或312 Hz的步幅,其他的系统特性如:自动唤醒定时器、低电池检测器、64 B TX/RX堆栈、自动数据报处理、报头检测减少了总的电流消耗,使得可以采用廉价的系统MCU。一个集成的温度传感器、通用ADC、上电复位(POR)和GPIO(通用输入/输出)进一步减少了总的系统成本和尺度。其中U9为Si4432,由于采用单天线形式,使用了射频收发转换开关UPG2214T(图2中U6)进行收发切换。

3 系统特点

在火灾监控系统的无线温度检测仪中,第一逻辑控制电路将温度传感器所测得的温度信息通过控制第一无线收发电路以无线信号发出,无线交互控制单元经第二无线收发电路接收该无线信号,经处理后得出相应的温度信息并送至中央控制单元,最后经显示电路显示或经通信接口送至上位机;故而火灾监控系统的无线温度检测仪结构简单、安全性和可靠性较高,适于监测高压开关柜中触点的温度。无线温度检测仪能连续监测设备接点的运行温度,可确定触点接头处的过热程度,当发生超温时,发出报警指示。温度传感器被安装到设备内的带电部位上(如断路器及刀闸的上下接口处),监测仪主机的数字面板表显示出每个带电触头的温度值,并可将温度值通过RS 485接口传到上位计算机作进一步处理,实现设备温度的集中监测。火灾监控系统的无线温度检测仪可应用于地铁、变电站、电厂、电缆、隧道、供热管道、油气管道等场合,特别是地铁的1 500 V直流开关、整流系统和车站400 V重要负荷的设备安全监测。如用于监测高低压输电线缆及母线接头温度、高低压(500 kV～380 V)开关触点温度、输油管道温度及石油化工工艺点温度和干式变压器/油式变压器温度监测。

4 结 语

火灾监控系统的无线温度检测仪,其中无线收发系统主要芯片采用Si4432,其优点在于功率可达100 mW(+20 dBm),降低波特率的情况下无遮挡传输距离可达500 m以上,或者穿透两层楼。火灾监控系统的无线温度检测仪具有结构简单、安全性和可靠性较高,适于范围广等优点,它能为维护工程师提供准确信息,避免电气火灾的发生,该设计方案应有很广的应用领域和良好的应用前景。

摘要：阐述火灾监控系统的无线温度检测仪设计的必要性及设计依据,提出基于Si4432的通用无线收发模块的无线温度检测仪设置原则以及设计中应注意的问题。火灾监控系统的无线温度检测仪具有结构简单、安全性和可靠性较高,适于范围广等优点。

关键词：火灾监控,无线温度传感,Si4432,无线收发模块

参考文献

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火灾无线报警系统设计 篇8

目前校园安防监控系统大多是基于有线通信,这就使得一些不便于布线的区域成为了安防监控的盲区,而且采用的是有线方式连接,可扩展性较差,维护起来也比较困难,因为相对成本较高。

基于上述原因,结合校园防火报警需要,该文提出了基于意法半导体公司推出的STM32系列ARM控制器、TI公司的CC2420无线射频芯片以及Zigbee无线通信技术为技术核心的无线智能型校园火灾监控系统硬件节点设计方案。利用zigbee无线传感器网络,配合各种传感器的使用,可以对校园实行全方位、多角度实时监控。当校园内有火灾等安全事故发生时,便可以快速通知管理人员及时进行处理,从而极大地保证了学校师生的生命财产安全。

1 系统总体架构设计

本文设计的火灾监控系统采用树形网络拓扑结构,整个网络由三种硬件节点模块组成,包括ZigBee终端节点、路由器节点、网络协调器节点,ZigBee终端设备节点负责收集探测器探测到的报警信息,并把报警信息利用ZigBee无线通讯方式发送到终端设备的路由器节点(即父设备),再由路由器节点转发到网络协调器节点。基于ZigBee技术的智能火灾监控报警系统提高了管理系统中数据的可靠性,对每个终端节点所监控的区域内发生的火灾险情能够及时判断并通过无线网络通知管理人员。系统的整体结构如图1所示。

2 系统硬件节点模块设计

2.1 微处理器(MCU)控制模块

在本系统中,采用意法半导体公司(ST)推出的STM32系列微控制芯片STM32F103R8为主控制器。STM32系列32位闪存微控制器使用来自于ARM公司专为嵌入式领域开发的具有突破性的Cortex—M3内核,该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用于一体的嵌入式领域的要求,具有高性能、低功耗、实时性等特点。STM32提供3种睡眠、停机和待机模式三种低功耗省电模式和灵活的时钟控制机制,用户可根据自己的需求合理的优化耗电和性能要求。STM32F103R8属于增强型系列芯片,主频率为72MHz,高达90DMips,1.25DMips/MHz,内置128K字节高速闪存程序存储器和20K字节的SRAM,通过APB总线连接的丰富和增强的外设以及多达80个的高速I/0口。

2.2 Zigbee无线射频传输模块

CC2420是Chipcon公司推出的第一款真正意义上符合2.4GHz IEEE802.15.4协议规范,广泛应用于无线网络中的低功耗、低电压的射频收发芯片,只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求,可确保短距离通信的有效性和可靠性。CC2420为工作于2.4GHz免授权频段的无线通信提供了一个低成本的完整解决方案。

无线射频模块的功能是以射频模式接收和发送数据。CC2420通过SPI接口与主微控制器(MCU)交换数据、发送命令等通信,由于STM32F103系列芯片一般都集成了SPI控制器,因此CC2420射频模块可以很方便地通过SPI总线接口与处理器STM32直接连接并进行数据通信。

CC2420与微处理器STM32F103R8的接口如图2所示,CC2420通过SPI四条线接口(CSn,SI,SO,SCK)直接连接到的STM32F103R8的4个SPI通信接口,负责数据通信;另外,还有SFD,FIFO,FIFOP和CCA 4个引脚与微处理器STM32F103R8连接,负责表示收发数据的状态。在这种连接方式中,STM32工作在SPI主模式下;而CC2420射频模块工作在子模式下,由处理器STM32控制进行有效的数据收发工作。

2.3 传感器模块

随着微处理器技术、传感器技术和信号处理技术的快速发展,火灾自动探测技术已从单一传感器探测向着多传感器融合的方向发展,火灾探测预警的可靠性也随之大幅度提高。目前多传感器融合火灾探测技术主要选用光电感烟、感温和感CO传感器组合形式。采用多传感器的优点在于使探测器能够提高对火灾特征信号响应的灵敏度和均衡度,进而提高探测的质量和可靠性。

在本系统设计中,也采用了三层多传感器复合探测方案,选用烟雾传感器、CO浓度传感器和温度传感器,将烟雾浓度、CO浓度和温度作为火灾探测信号。选用了红外发光二极管OP231和红外接收二极管OP801SL构成光电烟雾传感器、Maxim公司的DS18B20传感器、TGS的TGS2442 CO气体传感器。

考虑到一般得烟雾传感器价格相对较高,这里我们使用的烟雾传感器由价格低廉的OP231,OP801SL红外发射、接收光电二极管组成,按照75℃安装在内壁为黑色粗糙面的迷宫型集烟盒内,利用火灾发生时产生的烟雾微粒对光的散射作用,在一定的烟雾浓度范围内,散射光的强度与烟雾的浓度成比例,而这种漫散射的光将使光电二极管的阻抗发生变化,这样便可以将烟雾信号转变为电信号,以供传感器节点采集。DS18B20采用的是1-Wire总线协议方式,在-55~+125℃的测量精度为±0.5℃,,测量结果可选用11位串行数据输出。而CO传感器选择的是TGS系列半导体式气体传感器TGS2442,其特点是低功耗、对CO的灵敏度高、寿命长、成本低,对湿度的依赖性低,工作于极短的脉冲加热方式。

2.4 Zigbee节点硬件总体结构设计

结合本火灾报警系统中数据融合技术zigbee节点数据处理能力和内存的要求,本设计采用基于意法半导体公司(ST)推出的STM32系列微控制芯片STM32F103+CC2420的方案。

系统中有三种节点:zigbee终端设备节点、zigbee路由器节点和zigbee网络协调器节点,从硬件角度看,二者的核心部件都是STM32F103+CC2420、天线、电源,这也是ZigBee设备可以工作的最简系统。基于其硬件结构上的异同点,在设计和组装时根据不同的节点用途对部分单元电路作相应取舍。例如路由器节点和终端节点采用的是电池供电方式,并且不必有串口扩展电路;而协调器采用交流电源供电方式,不必有传感器单片机(无需采集数据),但必须有串口扩展电路以实现与上位机通信。

除此以外,协调器还有与火灾报警控制器通信用的串口及作实时显示之用的LCD;路由器还有显示状态用的指示灯;终端传感器节点有显示节点状态用的状态指示灯以及温度传感器。二者电路均不复杂,都是基本系统加上少量外围扩展电路。为了节约成本,只制作一种集成所有的外围电路电路板,留出所需外扩电路接口,这样便可在制作正式产品时外接使用所需的不同外围电路即可。本系统所设计的Zigbee节点硬件总体架构如图3所示:

3 结论

综上所述,本系统采用ST公司推出的新一代基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器作为主控制器(MCU),同时在原有有线监控报警系统的基础上,引入了Zigbee无线传感组网技术,实现了校园火灾事故的无线实时监控。相比传统的有

线传感器火灾报警系统,该文设计的基于Zigbee技术的无线传感器网络克服了有线传感器网络的局限性,既避免了其他无线通信技术的高功耗的缺点,同时也降低系统布线成本、安装和维护难度,具有广泛的前景和推广价值,可广泛在校园、医院等场所的火灾监控报警中。

点,同时也降低系统布线成本、安装和维护难度,具有广泛的前景和推广价值,可广泛在校园、医院等场所的火灾监控报警中。

本文作者创新点:

1)采用的是ST公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器,具有高性能、低成本、低功耗、实时性强、易开发等特点,后期维护和升级简单。

2)引入了先进的Zigbee无线传感组网技术,实现了校园火灾事故的无线实时监控;克服了有线传感器网络的局限性,避免了其他无线通信技术的高功耗的缺点,和现有的无线传感器网络相比,它具有节点成本低、网络容量大、生存周期长等诸多优点,同时降低系统布线成本、安装和维护难度。

摘要：在校园安全监控中,对火灾险情的监控至关重要。该文以意法半导体公司推出的STM32系列ARM控制器、TI公司的CC2420无线射频芯片为技术核心,设计出了基于ZigBee技术的无线校园火灾监控、报警系统的硬件节点模块。实践表明,以该模块构成的火灾监控系统,能够有效地对校园火灾进行无线网络化监控。

关键词：STM32,zigbee,无线,火灾监控,硬件节点

参考文献

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火灾无线报警系统设计 篇9

仓库火灾是一种突发性强、伤害力大的企业灾害。做好仓库防火工作，预防火灾事故的发生，是各个企业都迫切需要的。当仓库火灾发生时，能做到早发现、早报警、早扑灭就能将企业损失降到最小。现有的企业防火技术主要有视频监控、人力巡查等手段，技术手段落后，局限性大且漏洞大，不能及时发现火灾。而较早的总线型线缆火灾探测系统，有小动物啃食、环境腐蚀的危险，一旦发生一处线路断裂，则整个系统就会瘫痪。针对这一现状，提出了基于无线传感器网络的仓库火灾监控系统。

无线传感网络监测系统具有传感器节点体积小、数量多，节点布置灵活的特点，对于大型仓库可以一次布置到位。每个传感器节点本身具有一定的计算和存储能力，可以对环境的变化进行较为复杂的监控和判断；同时又具有无线通信能力，可以进行节点间协同监控，并能在网络遭到破坏时进行自动恢复组网、传递信息。

2 仓库火灾监测系统研究与设计

2.1 无线传感网络

无线传感网络是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统[1]。无线传感网络综合运用了现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算机技术和分布式信息处理技术等多个现代信息处理技术，是一个新兴的多学科交叉研究领域。具有大规模、低功耗、多节点分布式协作工作的特点。

无线传感网络WSN(Wireless Sensor Network）采用随机投放的方式部署传感器节点，节点与节点之间采用多跳（multihop）、对等（peer to peer）的无线通信方式，能有效地避免长距离传输时遇到的信号衰减和信号干扰。无线传感网络的每一个节点都具有路由功能，当某个节点出现物理故障退出网络通讯或需要新增传感器节点时，通过自我修护、自我协调，能自动重新布置形成网络。无线传感网络的研究实体对象主要有4类：目标、观测节点、传感节点和感知现场。传感节点随机部署好后，通过自组织方式构成网络，协调工作形成对目标的感知现场。传感节点监测到目标信号后经邻近节点多跳传输到观测节点。观测节点对内进行向传感节点发布查询请求或派发任务；对外作为中继器和网关完成传感器网络与外部网络的数据通信与转换。所以一般将无线传感网络分成数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三个部分组成，其中设计的重点就是数据获取网络，即传感器节点的设计。

2.2 仓库火灾监测系统设计

基于无线传感网络的仓库火灾监测系统主要由以下3部分组成（系统结构图如图1）。

1）无线传感器节点

负责采集节点侦测周围环境如温度、气体浓度、光亮度等数据，是无线传感网络中的数据获取网络。

2）中心节点

由无线网关、中继器担任，以无线的方式连接无线传感器网络与管理监控中心，将搜集到的信息传送给监控者。

3）管理监控中心

管理监控中心就是用户节点。无线网络将搜集到的信息传送给监控者，监控者解读报表信息后便可掌握现场状况进而维护和调整相关系统。反之，用户也通过管理控制中心对传感器网络发布监控任务和收集监测数据，进行无线传感器网络的配置和管理。

2.3 传感器节点设计

仓库火灾的监测系统就是对无火状态、阴燃状态和起火状态这三种火灾状态空间的识别。因为仓库存放物件多，通风不良，以物质无可见光进行缓慢燃烧的火灾阴燃为主，所以仓库火灾监测系统的重点监测对象是火灾阴燃状态信息，即使对烟雾和温度的监测。同时，对发生起火状态燃烧时光度也能进行监测。

根据仓库火灾的特性进行传感器节点设计，无线传感器网络节点的体系结构图如图2所示。无线传感器节点是一个具有信息收集和处理能力的微系统，集成了传感器模块、信息处理模块、无线通讯模块和能量供应模块。

传感器模块负责感知现场内信息的采集和转换，根据仓库火灾特点设置了光亮传感器、烟雾传感器和温度传感器。信息处理模块是核心，它负责管理传感器节点对自身采集数据的存储和处理或其他节点发送来的数据。无线通讯模块则负责与其他传感器节点进行通讯，能量供应模块负责对整个传感器网络的运行进行能量的供应。

3 结束语

本文介绍了根据仓库火灾特性构建的，基于无线传感器网络的仓库火灾监控系统。设计了一个具有光亮传感器、烟雾传感器和温度传感器的多种传感器的无线传感器节点。但要让无线传感器网络正常运行并大量投入使用还面临着许多问题，如：网络内通信问题、传感器节点成本问题、传感器节点能量供应问题。这些问题的解决，将为实现高效的无线传感器网络结构奠定基础。

参考文献

[1]余成波,李洪兵,陶红艳.无线传感器网络实用教程[M].北京:清华大学出版社,2012.

智能火灾探测系统设计与实现 篇10

关键词: 火灾探测;神经网络;模糊规则

DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.10.057

引言

火灾自动报警系统领域中网络化、自动化技术虽已日臻完善,但火灾探测器还存在着误报和漏报等问题。火灾探测器探测火灾的准确性将直接影响整个自动报警系统的性能。因此,火灾探测器技术已成为该领域的主要发展方向。

针对烟火探测非线性复杂系统,本课题利用模糊神经网络的自适应性对不同环境进行学习,自动生成适应与现场的隶属度函数和模糊规则,从而提高探测器灵敏度、减少误报率。

1.智能火灾探测系统结构

火灾探测系统硬件主要由单片机,A/D转换,烟雾传感器,CO气体传感器,温度传感器,输出显示电路,报警电路以及稳压电路组成。

图1 火灾探测系统结构

探测系统是一种复合式火灾探测系统。烟雾传感器和CO气体传感器输出模拟信号经过放大器放大信号再由A/D转换器为单片机提供数字信号。DS18B20数字温度传感器在与单片机连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯,测量结果以9~12位数字量方式串行传送,自带高速暂存器RAM和可电擦除RAM。采用液晶显示屏显示当前环境的烟雾,CO气体和温度值,并且在传感器发生故障,单片机检测不到输入信号时会及时显示故障和报警。探测系统检测或预测到火灾发生立即驱动蜂鸣器报警和输出信号驱动灭火装置并显示当前情况。

1.1 温度传感器模块

采用DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DSI8B20为感温模块,它具有经济性好、抗干扰能力强和使用方便,测温范围宽,精度高等优点,而且它是数字式温度值,可以直接读取数值不需要再进行AD转换,这样就大大简化了外接电路。

1.2 烟雾传感器模块

采用国产型号HQ22 型气敏元件,其结构如图3 所示。HQ22 气敏管A～B 之间的电阻,在无烟环境下为几十千欧,在有烟环境

图2 烟雾探测电路图

中阻值可下降到几千欧,一旦气敏管检测到周围环境中有烟雾存在,A～B 间电阻迅速减小。

1.3CO 探测电路

采用TGS813 型旁热式SnO2 气敏元件,它对co 有很高的灵敏度,有较好的选择性、且稳定性好。

图3 CO探测电路图

由于SnO2 气敏元件易受环境湿度的影响,因此在使用时,为了提高仪器和设备的可靠性,在电路中要加湿度补偿,并选用温湿度性能好的元件,温湿度补偿电路由RT 和R2～R6 组成,热敏电阻RT 与气敏元件共接于运算放大器UI 的反相端,与Vr 、R7 、R8 构成差动放大电路,经二阶带通滤波后输入到AD7705 ,图中要求热敏电阻RT 的电阻温度系数与气敏元件温度系数相同或相近,当周围环境温度升高时,绝对温度升高,气敏器件阻值降低,其分压降低;此时热敏电阻阻值降低,则R3 分压增大,从而实现补偿,这样可以减少温度对CO 传感器输出的影响,提高了电路的检测精度。

2. 模糊神经网络算法

网络结构如图4所示

图4 模糊神经网络结构图

首先对信号进行归一到[ 0 ,1 ]之间任一值,利用神经网络学习和联想能力对输入的信号数据记忆、存储、比较、分析、统计处理,并输出相应的无火、阴燃火、明火的隶属度函数;然后利用模糊推理系统对神经网络的输出进一步推理判断、最后经过非模糊化得到火灾或非火灾的最终判别输出

2.1.2 BP神经网络算法

网络隐含层与输出层的神经元均采用正切函数作为传递函数,即

则隐层的输出为:

网络输出为:

以上各式中 为输入; 为输入节点与隐含层节点间的网络权值, 为隐含层节点与输出层节点间的网络权值; , 分别为隐含层和输出层节点阈值; 为网络的输出。

误差计算公式为

其中, t为网络期望输出值, 为网络实际输出值, 为平 方和误差。采用标准的BP学习算法,通过学习训练修改权值 和阀值 最终使误差达到最小,训练方法采用梯度下降法。

输出层权值修正公式为

式中 为迭代次数, 为输出层权值修正值的函数误差的梯度下降系数, 为输入节点误差, 为隐层节点输出。

输出层阈值修正公式为

隐层节点各权值修正为:

式中 为隐含层权值修正值的函数误差的梯度下降系数,

为输出节点误差。

隐层节点阀值修正公式为

本系统采用三个输入信号:CO浓度、烟雾浓度、温度作为神经网络输入层的神经元;输出为三个概率:明火的概率、火灾危险性、阴燃火的概率,隐层神经元个数根据经验与反复试验确定为15个。因此,神经网络结构为 3-15-3。

2.1.3.模糊推理

神经网络的输出时火灾和阴燃火发生的概率,它们只能表示火灾的可能性有多大。很容易看出,当明火概率大于0.8时,可以肯定发生了火灾,而当明火概率大于0.8时,可以肯定发生了火灾,而当明火概率大于0.2,且阴燃火概率也很小时,可以认为没有火出现。难于判决的是明火概率在0.5附近,特别是采用门限方法来判决时,若门限限定为0.5,而网络输出为0.49和0.51时则很难做出判断。为了更接近实际和模拟人得判断,这里采用模糊推理方法对神经网络输出作进一步处理。

首先对神经网络输出信号通过隶属函数进行模糊化,在模糊系统中,隶属度函数的确定是比较困难的,这里采用最常用的指派法。考虑到火灾概率最难判断的区间在0.5附近,隶属度函数应对输入值在0.5附近适当展宽,因此可以采用一种正态分布作为模糊化隶属度函数

式中 为明火或阴燃火概率;A(x)为其相应的隶属度的模糊量; 和 是用来调整隶属函数的形状( =0.2, =0.4)。

考虑到对火灾信号神经网络输出的火灾概率通常都会长时间出现较大值,而干扰信号即使会引起较大输出,一般也只是短时间的。为了增加系统的抗干扰能力,本文引入了火灾概率持续时间函数d(n)的概念

式中 为单位阶跃函数; 为判断门限,这里取为0.5。

当火灾概率 超过 ,则被累加,否则 =0, 为离散时间变量。模糊推理系统根据火灾模糊量和火灾概率持续时间进行推理,若用A(xf)表示明火模糊量,表示阴燃模糊量,设明火或阴燃火模糊量大于0.5为“大”小于0.5时为“小”,持续时间大于8s为“大”,小于8s为“小”,则推理规则可以确定如下;

if[A(xf)为“大”]“与”[ 为“小”]“与”[为“小”]then[输出为非火灾]。

“或”if[A(xf)为“小”]“与”[ 为“大”]“与”[ 为“小”]then[输出为非火灾]。

“或”if[A(xf)为“大”]“与”[ 为“大”]then[输出为火灾]

“或”if[A(xf)为“大”]“与”[ 为“大”]then[输出为火灾]

2.1.4软件设计

将烟雾、CO、温度各传感器在现场所采集的数据送入单片机内,通过神经网络计算出阴燃火和明火的概率,若能明显判断出发生火灾则立即驱动蜂鸣器报警,若不能够明显判断是否发生火灾,则通过模糊规则推理判断出是否报警。软件流程图如图所示:

图5 火灾探测软件程序流程图 图6 Matlab训练过程图

3.实验仿真

将样本值输入神经网络,采用软件Matlab对神经网络进行训练,训练过程如图6所示:

表1.训练结果输出与样本值对比

由结果可见,训练后所得到的实际值与期望值相当接近,因此训练效果良好,证明本系统可以采用神经网络予以应用。

4.结 语

本文设计的智能型火灾探测器,是现代智能控制理论在消防自动化系统中的应用,也是对目前消防自动化系统的一种智能化改进和完善。根据MATLAB软件仿真及实测数据,表明系统提出的模糊神经网络的算法基本达到了预期目标。归纳起来,该系统从理论和技术上具有以下优点:1、多传感器的信息融合

2、具有智能化判断能力

3、具有高的可靠性、安全性、可维护性

4、将持续时间、明火概率、阴燃火概率作为决策因子

5、具有良好的人机界面和网络通信功能

参考文献

1. 王晔,涂强; 曹承属;数据中心极早期火灾探测及火灾探测器的选择[J]. 建筑电气,2009(12):3-6

2. 高萍. 火灾自动报警系统误报原因及对策分析[J]. 中国高新技术企业,2009(2):84-85

3. 陈倬. 浅析火灾自动报警控制系统的组成及发展[J]. 学术论坛,2009(21):253

4. 谢维成, 杨加国. 单片机原理与应用及C51程序设计(第2版). 北京:清华大学出版社,2009.7

5. 郁有文, 常健, 程继红. 传感器原理及工程应用(第3版). 西安: 西安电子科技大学出版社,2008.7

6. 张红剑, 叶敦范, 倪效勇. 可燃气体传感器TGS813在多路数据采集电路中应用[J]. 国外电子元器件, 2007(11):61-63

7. 郭伟伟, 赵聪. 基于TGS813 的家用可燃气体泄漏报警装置的设计[J]. 现代电子技术, 2009(24):177-179

资助项目:成都大学首届创新性实验项目

作者简介: 于楗辉,男,本科生,专业方向:工业自动化;

火灾无线报警系统设计 篇11

关键词：Zigbee网络,火灾预警系统

1 概述

Zigbee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。Zig Bee网络中的设备可分为协调器 (Coordinator) 、汇聚节点 (Router) 、传感器节点 (End Device) 3种角色。

Zig Bee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台, 在整个网络范围内, 每一个Zig Bee网络数传模块之间可以相互通信, 每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

目前Zig Bee的应用领域主要有:工业、农业无线监测系统、智能家居物联网个人监控、医院病人定位、城市智能交通、户外作业及地下矿场安全监护。

本系统采用TI公司内嵌zigbee协议的CC2530的CPU搭载烟雾、温度传感器组网, 由传感器节点 (End Divce) 、汇聚节点 (Router) 、协调器 (Coordinator) 组网, 最后由协调器通过串口把数据传输给上位机处理, 上位机分析烟雾和温度数据, 当检测到危险情况立即发出报警信息。

系统原理如图1所示。

2 系统硬件设计

CC2530是用于RF4CE和2.4-GHz IEEE 802.15.4、Zig Bee应用上一个真正的片上系统 (So C) 解决方案, 而本CPU正是采用TI公司的CC2530。它的优势就在于建立强大的网络节点却能用非常低的总的材料成本。并结合了领先的RF收发器的优良性能, 系统内部可编程闪存, 业界标准的增强型8051CPU, 8-KB RAM和其他许多强大的功能。

其中, CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元Zig Bee协议栈 (Z-Stack?) , 提供了一个完整和强大的Zig Bee解决方案。

最后, CC2530F64结合了德州仪器的黄金单元Remo TI, 更好地提供了一个强大和完整的Zig Bee RF4CE远程控制解决方案。

2.1 2MQ-2型烟雾传感器工作原理

其属于二氧化锡半导体气敏材料, 当M Q-2处于200℃~300℃温度时, 二氧化锡吸附空气中的氧, 在其表面形成氧的负离子吸附层, 这样造成电子密度减少, 从而提高了其电阻值。遇到可燃气体时原来吸附的氧被可燃气体所消耗, 以正离子态的可燃烟雾吸附在半导体表面, 氧被结合放出电子, 烟雾以正离子态吸附也会放出电子, 使半导体带电子密度升高, 从而使其电阻值减小, 这样就可以通过检测电阻转换成的电压信号来感知环境信息。当环境中的可燃气体浓度下降后二氧化锡半导体又会恢复到常态, 电阻值升高到初始值。

2.2 温度传感器DS18B20的工作原理

全数字温度转换及输出, 通过查询内部相应寄存器得出。单总线数据控制通信。最高分辨率12位, 精度可达±0.5℃。检测温度范围-55℃~+125℃ (-67℉~257℉) 。内置EEPROM, 限温报警功能。

3 软件设计

Z-Stack中带有一个基于优先级的轮转查询操作系统OSAL (Operating System Abstraction Layer) , OSAL采用以实现多任务为核心的系统资源管理机制。每一个任务的核心是一个事件处理函数, 事件处理函数根据消息ID来选择合适的入口函数处理该任务本身或其他组件产生的事osal_init_system () 初始化操作系统的任务, 其中的osal Init Tasks () 函数负责协议栈和用户任务的初始化工作。

温度测量函数:

4 结语

本系统采用TI公司的CC2530CPU作为基本平台, 搭载温度DS18B20温度和MQ-2烟雾传感器结合CC2530内嵌的Zigbee物联网通信协议智能组网构成的无线传感器在火灾预测和预防方面的典型应用, 在相关领域具有非常广泛的推广价值。

参考文献

[1]姜连祥, 汪小燕.无线传感器网络硬件设计综述[J].单片机与嵌入式系统应用, 2006 (11) :78-82.

[2]刘超伟, 赵俊淋, 易卫东.基于n RF24L01的无线图像传感器节点设计实现[J].电子测量技术, 2008 (6) :34-36.