多源信息融合的智能樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡保玲 王全樂(lè) 任坤

摘 要：針對(duì)智能樓宇發(fā)生火災(zāi)率較高、安全隱患較大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種多源信息融合的智能樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，以快速精確地實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警。分析了智能樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的需求，并對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，搭建該系統(tǒng)的硬件功能模塊，包含單片機(jī)及其最小系統(tǒng)單元、溫度檢測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊、數(shù)碼管顯示模塊、聲光報(bào)警模塊和按鍵模塊。并對(duì)不同功能模塊的軟件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，以驅(qū)動(dòng)該系統(tǒng)正常工作。再通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)可行性，并對(duì)所設(shè)計(jì)的實(shí)物裝置進(jìn)行了溫度與煙霧檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的多源信息融合火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有靈敏度強(qiáng)與準(zhǔn)確度高的特性。

關(guān)鍵詞：多源信息融合；火災(zāi)報(bào)警；煙霧檢測(cè)；溫度檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU892 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：1674-0033（2023）02-00５３-0９

引用格式：胡保玲，王全樂(lè)，任坤.多源信息融合的智能樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].商洛學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，37（2）：５３-６１.

Abstract： The intelligent building fire alarm system based on multi-source information fusion was designed to solve the problem of high fire rates in intelligent buildings and reduce people's property losses effectively. Ｔhe demand for the fire alarm system of the intelligent building was analyzed to plan its overall structure. Based on this， the hardware module of the system is established， including the single-chip microcomputer and its minimum system unit， temperature detection module， smoke detection module， digital display module， sound light alarm module， and button module. Ｔhe software of different modules is designed to drive the system. Ｔhe feasibility of the system is verified by software simulation， and the testing experiments of temperature and smoke are executed by the designed physical device. The experimental results show that the designed fire alarm system has the characteristics of strong sensitivity and high accuracy.

Key words： multi-source information fusion; fire alarm; smoke detection; temperature detection

隨著我國(guó)建筑樓宇向多功能、高層化方向發(fā)展，火災(zāi)已成為出現(xiàn)頻率較高的一類(lèi)社會(huì)災(zāi)害，被人們廣泛關(guān)注。樓宇火災(zāi)不僅會(huì)燒毀建筑物內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施，也會(huì)破壞建筑物的結(jié)構(gòu)，甚至引發(fā)建筑物整體倒塌等嚴(yán)重事故。因此，設(shè)計(jì)出及時(shí)有效的智能樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)降低樓宇火災(zāi)造成的人們生命財(cái)產(chǎn)的損失，具有十分重要的意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其研究較多，喬學(xué)增[1]采用了STC89C52單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一種溫度報(bào)警器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的精確檢測(cè)。時(shí)昊等[2]設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的紅外熱成像測(cè)溫設(shè)備，以提高溫度檢測(cè)的精度。秦莉艷[3]提出了一種新型無(wú)線通信性能調(diào)試方法，通過(guò)綜合分析煙霧檢測(cè)等數(shù)據(jù)來(lái)提高調(diào)試比特率，從而有效地避免了因調(diào)試比特率低而造成無(wú)線通信性能差的問(wèn)題。彭建英等[4]設(shè)計(jì)了一種STC89C52單片機(jī)主體架構(gòu)的智能煙霧報(bào)警系統(tǒng)，可以有效地監(jiān)測(cè)空氣中的煙霧濃度數(shù)值，達(dá)到煙霧示警效果。李宗灝[5]設(shè)計(jì)了一種智能煙霧報(bào)警系統(tǒng)，并結(jié)合超低功耗的OLED液晶顯示屏來(lái)實(shí)時(shí)顯示煙霧數(shù)值。許中璞[6]設(shè)計(jì)了一種溫度報(bào)警控制系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)碼管顯示模塊方便人機(jī)交互，有效地實(shí)現(xiàn)了溫度的智能化檢測(cè)。周曦國(guó)等[7]設(shè)計(jì)了一種溫度檢測(cè)方式的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)GSM技術(shù)將所采集信息傳輸給用戶(hù)，用戶(hù)根據(jù)接收到的信息對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。白偉華[8]設(shè)計(jì)了一種由計(jì)數(shù)電路、譯碼電路和溫控電路所組成的溫度警報(bào)系統(tǒng)，有效地提高了溫度檢測(cè)效率。田純[9]設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的智能建筑火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，并對(duì)數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了智能建筑火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警。車(chē)文超[10]將煙霧、CO和溫度探測(cè)數(shù)據(jù)相融合，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，從而有效克服了傳統(tǒng)方式布線難度大、采集信號(hào)單一等問(wèn)題?，F(xiàn)有研究對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究與設(shè)計(jì)，并取得了一定的研究成果，但系統(tǒng)的檢測(cè)方式單一，且檢測(cè)的精確度相對(duì)不高等因素制約著其智能化的發(fā)展趨勢(shì)。為了克服上述存在問(wèn)題，在以上研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種融合多源信息的智能樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，采用溫度傳感器與煙霧傳感器同步檢測(cè)并預(yù)警火災(zāi)信息的方式，同時(shí)配置數(shù)碼管顯示模塊與聲光報(bào)警模塊，從而有效地滿(mǎn)足人們對(duì)火災(zāi)檢測(cè)與報(bào)警的需求。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì)

智能樓宇的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要具備溫度數(shù)值與煙霧濃度的檢測(cè)功能，并能將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)顯示模塊與報(bào)警模塊輸出，以達(dá)到實(shí)時(shí)警示人們是否發(fā)生火災(zāi)的目的。基于對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的功能需求分析，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)控制器為內(nèi)核控制器，并搭配MQ-2傳感器與DS18B20溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)煙霧濃度與溫度數(shù)值，然后通過(guò)數(shù)碼管顯示模塊實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)的溫度數(shù)值和聲光報(bào)警模塊來(lái)警示煙霧濃度是否超過(guò)警報(bào)閾值。因此該系統(tǒng)主要包含七大模塊，即單片機(jī)及其最小系統(tǒng)、溫度檢測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊、AD采集模塊、數(shù)碼管顯示模塊、聲光報(bào)警模塊及原模塊，其總體構(gòu)成框如圖1所示。

1.1 AT89C52單片機(jī)及其最小系統(tǒng)

在CPU的選擇上，本設(shè)計(jì)所選擇的AT89C52是一種低功耗且高性能的CMOS 8位微控制器。單片機(jī)中最重要的就是單片機(jī)最小系統(tǒng)，其主要由單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路和電源電路所構(gòu)成。AT89C52單片機(jī)采用5 V直流電源供電。晶振電路由兩個(gè)電容量均為30 pF的電容C２、電容C３和一個(gè)常用的石英晶振所組成。而單片機(jī)復(fù)位電路與電腦重啟鍵類(lèi)似，只需按下復(fù)位電路的復(fù)位鍵，單片機(jī)系統(tǒng)就可重新從頭開(kāi)始運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位操作，單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

1.2 溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的溫度信息檢測(cè)功能由DS18B20溫度傳感器來(lái)完成，其中端口1接地，端口3接電源，端口2接單片機(jī)芯片P3.5引腳，為保證空閑時(shí)總線是高電平的狀態(tài)，需要再接入一個(gè)大小為10 kΩ的上拉電阻，溫度采集模塊的電路原理如圖3所示。

1.3 煙霧檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

MQ-2傳感器與煙塵接觸時(shí)，若在顆粒間界處的勢(shì)壘隨著煙塵溫度改變，會(huì)產(chǎn)生表層導(dǎo)電率的改變。因此，煙塵的含量愈高，表層導(dǎo)電率就愈大，而輸出電阻則愈小，那么輸出的模擬信號(hào)質(zhì)量也愈好，煙霧檢測(cè)模塊接線如圖4所示。

1.4 AD采集模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于煙霧傳感器采集到的信息要進(jìn)行后續(xù)的處理，以將傳感器采集的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取識(shí)別。而ADC0832芯片可很好地滿(mǎn)足這項(xiàng)功能，ADC0832芯片所構(gòu)建的AD采集模塊接線如圖5所示。

1.5 數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用數(shù)碼管來(lái)顯示所測(cè)的溫度和煙霧，也可顯示所設(shè)置的報(bào)警溫度值和煙霧值。LED數(shù)碼管是由多個(gè)發(fā)光二極管組成“8”字型的封裝器件。LED數(shù)碼管有兩種不同的鏈接方式，即共陰極和共陽(yáng)極，數(shù)碼管顯示模塊如圖6所示。

1.6? 聲光報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警一般采用蜂鳴器及發(fā)光二極管。蜂鳴器的聲音和二極管的亮度都能起到很好的報(bào)警作用，同時(shí)這兩種器件的操作也相對(duì)簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)。所設(shè)計(jì)的聲光報(bào)警電路如圖7所示，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的報(bào)警需求。三極管的導(dǎo)通條件為單片機(jī)輸出低電平。若三極管導(dǎo)通時(shí)，發(fā)光二極管中的電流從正極流向負(fù)極，實(shí)現(xiàn)發(fā)光發(fā)亮，R1為保護(hù)電阻，防止電流過(guò)大損壞二極管。蜂鳴器中也是正極流向負(fù)極的電流，可發(fā)出聲音，且音量及音色的大小均可調(diào)節(jié)。

2? 軟件系統(tǒng)

智能樓宇的火災(zāi)報(bào)警軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)的重要組成部分，決定了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)是否能正常工作。主要包含3個(gè)模塊：溫度檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)、煙霧檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)、聲光報(bào)警模塊軟件設(shè)計(jì)。

2.1 溫度檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)模塊是火災(zāi)檢測(cè)模塊的重要組成部分之一，其所測(cè)數(shù)據(jù)為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了重要的依據(jù)?；贒S18b20傳感器結(jié)構(gòu)和功能，將其設(shè)計(jì)如下：DS18b20傳感器為單線輸出，在單片機(jī)使用讀/寫(xiě)時(shí)序來(lái)讀/寫(xiě)DSl8b20的數(shù)據(jù)位和寫(xiě)命令字的位，并取其數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)值。當(dāng)被測(cè)溫度數(shù)值大于預(yù)設(shè)值時(shí)，則輸出報(bào)警信號(hào)。反之，繼續(xù)執(zhí)行環(huán)境溫度檢測(cè)。溫度檢測(cè)程序流程如圖8所示。

2.2 煙霧檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

首先初始化A/D，由煙霧傳感器采集信號(hào)，由于煙霧傳感器采集的信號(hào)為模擬量，單片機(jī)無(wú)法直接識(shí)別，因此需通過(guò)ADC0832來(lái)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，待轉(zhuǎn)換完成后方可提交給單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別。待模擬值轉(zhuǎn)換后與預(yù)設(shè)煙霧濃度值比較，以確定火災(zāi)有沒(méi)有發(fā)生。當(dāng)被測(cè)煙霧濃度值大于預(yù)設(shè)濃度數(shù)值時(shí)，則系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)，反之，則繼續(xù)執(zhí)行環(huán)境煙霧濃度檢測(cè)程序。煙霧檢測(cè)流程圖如圖9所示。

2.3 聲光報(bào)警模塊軟件設(shè)計(jì)

利用DS18b20溫度傳感器和煙霧傳感器對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生，溫度值與煙霧濃度值較高時(shí)，便會(huì)由聲光報(bào)警裝置發(fā)出火災(zāi)警報(bào)，以提醒人們發(fā)生火災(zāi)警報(bào)，其原理流程如圖10所示。

3? 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 軟件仿真測(cè)試

在進(jìn)行硬件焊接前，需在仿真軟件上進(jìn)行系統(tǒng)模擬仿真，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)的軟件仿真原理如圖11所示。所搭建的系統(tǒng)包含了多個(gè)模塊，分別是數(shù)碼管顯示模塊及其驅(qū)動(dòng)電路、溫度傳感器模塊、煙霧傳感器模塊、AD采集模塊、按鍵電路、聲光報(bào)警器電路等。仿真軟件測(cè)試結(jié)果表明，各模塊之間均可正常運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)的測(cè)試性能

在軟件測(cè)試合格后，根據(jù)電路原理圖搭建實(shí)物系統(tǒng)，并利用STC-ISP軟件將程序燒錄至AT89C52芯片內(nèi)，再對(duì)實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，實(shí)物系統(tǒng)如圖12（a）所示。焊制完成后，將電源接通，觀察到報(bào)警器初始化時(shí)紅燈閃爍，同時(shí)數(shù)碼管顯示出溫度及煙霧濃度，如圖12（b）所示。數(shù)碼管左側(cè)顯示“0”為實(shí)時(shí)煙霧濃度數(shù)值，右側(cè)“24”為實(shí)時(shí)溫度數(shù)值，實(shí)物系統(tǒng)與硬件調(diào)試如圖12所示。

按下按鍵改變?yōu)閳?bào)警設(shè)置模式，可調(diào)節(jié)報(bào)警的閾值，如圖13所示，設(shè)置溫度的報(bào)警值為“29 ℃”，煙霧的報(bào)警值設(shè)為“4”。

3.3 溫度檢測(cè)

在對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，分別準(zhǔn)備了35，36，

37，38 ℃的溫水，將衛(wèi)生紙浸泡在溫水中，然后進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)置報(bào)警值為37 ℃，把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與溫度計(jì)讀數(shù)進(jìn)行對(duì)比，觀察數(shù)碼管數(shù)值及報(bào)警器的工作狀態(tài)，如圖1４所示，試驗(yàn)結(jié)果記錄見(jiàn)表1。

由表1可知，在組別1和組別2的溫度未達(dá)到所設(shè)定的溫度閾值時(shí)，報(bào)警裝置未報(bào)警、LED燈常滅，而在組別3和組別4的溫度達(dá)到所設(shè)定的溫度閾值時(shí)，報(bào)警裝置報(bào)警、LED燈閃爍，從而有效地驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)溫度檢測(cè)是有效的。

3.4 煙霧檢測(cè)

為了模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)的煙霧場(chǎng)景，使用塑料瓶制作出密閉空間，裝入不同濃度的煙霧后進(jìn)行檢測(cè)（經(jīng)過(guò)測(cè)試，點(diǎn)燃一個(gè)香薰產(chǎn)生煙霧時(shí)傳感器的輸出電壓約為1 V），模擬試驗(yàn)裝置如圖15所示。

在模擬試驗(yàn)裝置中充入不同濃度的煙霧后，觀察并記錄數(shù)碼管的煙霧濃度示數(shù)，并設(shè)置不同的報(bào)警閾值，觀察聲光報(bào)警模塊的工作狀態(tài)。將報(bào)警器的工作狀態(tài)記錄下來(lái)，圖16為不同等級(jí)的煙霧濃度模擬運(yùn)行場(chǎng)景，并對(duì)煙霧濃度與報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行記錄，見(jiàn)表2。

由表2可知，在場(chǎng)景Ⅰ中，所設(shè)置的濃度數(shù)據(jù)為“1”，不同的香薰點(diǎn)燃數(shù)量下，報(bào)警裝置均報(bào)警、LED燈均閃爍。在場(chǎng)景Ⅱ中，所設(shè)置的濃度數(shù)據(jù)為“2”，當(dāng)香薰點(diǎn)燃數(shù)量大于2支以上時(shí)，報(bào)警裝置會(huì)報(bào)警、LED燈方可閃爍。對(duì)于場(chǎng)景Ⅲ而言，所設(shè)置的濃度數(shù)據(jù)為“3”，當(dāng)香薰點(diǎn)燃數(shù)量大于3支以上時(shí)，報(bào)警裝置會(huì)報(bào)警、LED燈方可閃爍。綜上所述，當(dāng)溫度值及煙霧濃度值超標(biāo)時(shí)，聲光報(bào)警模塊開(kāi)始報(bào)警，完成了對(duì)火災(zāi)的檢測(cè)及報(bào)警，從而有效地驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)煙霧檢測(cè)的有效性。

4? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)智能樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的需求分析，本文采用AT89C52處理器設(shè)計(jì)了一種多源信息融合的智能樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件模塊包含了溫度檢測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊、AD采集模塊、數(shù)碼管顯示模塊、聲光報(bào)警模塊五個(gè)模塊，并設(shè)計(jì)了溫度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、聲光報(bào)警軟件模塊以驅(qū)動(dòng)該系統(tǒng)正常工作。溫度檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)置報(bào)警值為37 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度小于該閾值時(shí)，系統(tǒng)未報(bào)警，而當(dāng)環(huán)境溫度≥37 ℃時(shí)，該系統(tǒng)報(bào)警。同時(shí)，通過(guò)三種不同場(chǎng)景的煙霧濃度檢測(cè)試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)智能樓宇火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可有效地實(shí)現(xiàn)煙霧檢測(cè)，達(dá)到火災(zāi)報(bào)警的效果。

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