摘要:下文詳細介紹了火災(zāi)報警器的硬件構(gòu)成,提出了判斷火災(zāi)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(shè)計針對傳統(tǒng)火災(zāi)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(jié)合、概率綜合、參數(shù)可調(diào)、消防設(shè)備協(xié)同、火源切斷、CAN總線管理控制等。
　　關(guān)鍵詞:火災(zāi)報警器；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計；概率綜合探討
　　
　　一、報警器的硬件設(shè)計
　　報警器的硬件構(gòu)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(zāi)等級,并給出警報信號,當火災(zāi)等級較高時,可通過控制繼電器關(guān)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(gòu)架圖
　　本報警器針對光強信號、煙霧信號及溫度信號分別設(shè)計了相應(yīng)的采樣電路及信號調(diào)理電路。設(shè)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(zhuǎn)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(guān)系。
　　煙霧信號采用煙霧傳感器MQ-2轉(zhuǎn)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(shè)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(yīng)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(shè)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(zāi)發(fā)生時,伴隨很多特征參數(shù)的變化,傳統(tǒng)火災(zāi)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(jié)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(zāi)發(fā)生概率,結(jié)合實際情況確定靈敏度,驅(qū)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(quán)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(zāi)發(fā)生概率值P;
　　(2)依據(jù)火災(zāi)概率值得到危險系數(shù),并結(jié)合相應(yīng)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(zāi)預警下限時,繼續(xù)監(jiān)視,但不響應(yīng);處于預警階段時,報警設(shè)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(zāi)預警上限值時,如果超過火災(zāi)確認值,則控制繼電器切斷電源,開啟消防設(shè)備,否則預警設(shè)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(zāi)發(fā)生概率的影響是光強的標準差和均值共同作用的結(jié)果。調(diào)整報警器參數(shù),設(shè)定統(tǒng)計分析的時間單元T0,以某一設(shè)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(zāi)發(fā)生概率P存在函數(shù)關(guān)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(zāi)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(zāi)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(zāi)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(yīng)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(zāi)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(zāi)發(fā)生的概率值;a1為對應(yīng)信號的閾值;a2為對應(yīng)信號的飽和值;為對應(yīng)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(jié)果的影響系數(shù),即權(quán)重。則火災(zāi)發(fā)生概率的最終結(jié)果由各獨自概率加權(quán)和得到:
　　(5)
　　式中,Pi為單獨考慮該類因素影響時所得火災(zāi)發(fā)生概率,λi(i=1,2,3)表示相應(yīng)的權(quán)重。
　　危險系數(shù)與火災(zāi)發(fā)生概率P間的關(guān)系可簡化為線性模型:
　　(6)
　　式中,φ(P)為火災(zāi)等級;Pτ為火災(zāi)預警概率閾值;Pm為火災(zāi)報警概率飽和值;km為火災(zāi)劃分的最高等級;t為火災(zāi)等級折算系數(shù)t=km/(Pm-Pt)。
　　存在概率閾值Pτ,當火災(zāi)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(zāi)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(zāi)概率很大,已超過容忍度,基本確定火災(zāi)已發(fā)生,需要采取必要措施,關(guān)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(guān)資料及實驗?zāi)�擬結(jié)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(shè)定調(diào)整Pτ及Pm。
　　參數(shù)的準確度直接決定了智能火災(zāi)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(jié)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(zāi)發(fā)生時煙霧起主導影響,這時就要加大煙霧權(quán)重。
　　三、報警器的軟件設(shè)計
　　軟件設(shè)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(yīng)等。以下簡要展示主函數(shù)以及定時器中斷服務(wù)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(wù)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(yīng)性,程序設(shè)計采取了開放式的設(shè)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(shè)計者自定義的總線命令進行現(xiàn)場設(shè)置。
　　程序設(shè)計了兩個全局狀態(tài)參數(shù)結(jié)構(gòu)體。一個定義了報警器的動作命令以及通用命令,包括設(shè)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(jié)果不響應(yīng),而只響應(yīng)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(guān)狀態(tài),報警燈閃爍頻率,報警笛開/關(guān)狀態(tài),報警笛鳴叫頻率,消防器設(shè)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(jié)構(gòu)體,而做出相應(yīng)動作,給相應(yīng)模型計算傳遞相應(yīng)參數(shù)。
　　以上控制命令及參數(shù)設(shè)置命令全部包含在設(shè)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(jié)果也是通過CAN總線實時向上位機發(fā)送的。監(jiān)控結(jié)果中包括三路傳感器檢測到的相應(yīng)環(huán)境變量,總的火災(zāi)概率值以及報警燈、報警笛、消防設(shè)備、室內(nèi)電源的當前狀態(tài)。
　　該報警器軟件設(shè)計適應(yīng)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(yīng)傳感器型號,設(shè)置合適的參數(shù)值即可。報警器對火災(zāi)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(shè)置,所以得到可靠的模型參數(shù)對報警器的監(jiān)控是至關(guān)重要的。
　　四、結(jié)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(zāi)報警的準確性和及時性;模擬測試中將報警器火災(zāi)預警概率設(shè)置15%,報警概率設(shè)置50%,實驗結(jié)果表明:報警器能夠準確、快速地反應(yīng)整個火災(zāi)概率過程,并給出預警、報警信號以及動作相關(guān)消防設(shè)備。
　　
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