基于紅外、紫外雙波段探測的智能水炮系統設計

魏崇毓，王馨民

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基于紅外、紫外雙波段探測的智能水炮系統設計

魏崇毓，王馨民

（青島科技大學 信息學院，山東 青島 266100）

針對目前大空間傳統智能水炮容易出現漏報虛報而造成不必要的損失的問題，研究出了一種基于紅外、紫外雙波段檢測的智能水炮系統。本系統分為消防炮體與現場控制箱兩部分，不僅實現了自動檢測保護區域的功能，而且能夠進行手動控制。采用高性能、低成本、低功耗的STM32f103作為控制芯片，熱釋電紅外與紫外傳感器共同構成火災探測部分，大大提高了火源判斷的準確性。另外，將CAN總線應用到智能水炮中，提高了水炮的響應速度與靈活性，通信距離增加到10km。該智能水炮系統實現了全時長、全方位且更加準確迅速地自動檢測火源進行滅火的功能，為大空間和野外滅火提供了更好的選擇。

雙波段探測；熱釋電紅外傳感器；紫外傳感器；智能水炮；STM32

0 引言

隨著社會的發展進步，各種大空間建筑越來越多，如近年來建起來的各種大型體育館、影視劇院、大型倉庫等等，這些建筑大部分為公共場所，因此消防難度比較大，一旦發生重大火災，造成的人員財產損失將特別大[1-2]。經過多年的研究，傳統的自動噴水滅火系統已被廣泛應用于寫字樓、商場、超市中，取得了較快的發展，但是傳統自動消防噴水滅火系統具有滅火及時性差，滅火效率低，滅火的針對性不強，滅火系統管路復雜等缺點[1]，對大空間建筑物和大面積曠場的消防顯得無能為力，因此，現有火焰檢測及自動噴水滅火裝置無法滿足現代大空間自動消防噴水滅火系統的需要。

智能消防炮與傳統的滅火裝置相比具有實時性、有效性、可靠性、系統簡單、安裝方便以及節能等優勢[3]。國內智能水炮的發展不是很理想，存在很多問題，而日本或者歐美的智能水炮雖然性能優越但價格高昂如日本的消防炮，每臺折合人民幣約100萬元，整套系統可達上千萬[1]，因此開發性價比高的智能水炮系統對我國大空間火災具有重大的意義。因此，設計了一種智能水炮控制系統，即實現了自動探測火災定位后進行滅火的功能。智能水炮全天全時長監視保護區域，并自動定位著火區域，調整炮口對準著火區域滅火，將火災消滅在萌芽中，避免了火災造成的損失。

1 系統設計

本系統分為手動與自動滅火兩部分。當人為發現火災時，工作人員可利用現場控制箱進行手動控制，滅火結束后進行復位恢復自動控制，大大提高了系統的靈活性。現場控制箱功能包括控制炮體上下左右轉動、啟動電磁閥、啟動水泵、控制箱自檢以及手/自動切換、復位、緊急停止等功能。整個系統采用意法半導體（ST）公司出品的32位ARM處理器STM32f103作為主控芯片，采用國產專門用于明火探測的熱釋電紅外傳感器以及日本HAMAMATSU公司出產的紫外傳感器R2868作為整個水炮的火焰探測部分來探測并定位著火點，采用步進電機作為水炮的動力部分來驅動炮體的上下左右運動，采用實時性較好的CAN（Controller Area Network）總線作為整個系統的信息傳輸，提高了信號的時效性，且可同時控制多臺消防炮進行滅火。

從圖1智能水炮系統結構看出，智能水炮系統可劃分為以下3部分。

1）控制與通信部分

智能消防炮控制部分主要包括自動與手動部分。手動部分：現場工作人員在火災現場通過對消防炮的控制進行實時滅火，大大節省了人力；自動部分：智能水炮對紅紫外火災探測信號的接收、處理，以及對電機的運動控制以及其他聯動控制。采用STM32作為系統的CPU，采用CAN總線進行通信，基于CAN的現場總線，專門用于水炮、各類閥門的運動控制，以及與泵房和泡沫站的聯動控制，其中包括消防炮的上下左右運動、閥門的開啟關閉運動、泵的開啟和停止運動等。

2）火焰探測部分

智能水炮的火焰探測部分主要完成發現火災，定位著火點的功能。在火災發生時火焰會輻射出紅外及紫外線[3]，紅外波長主要集中在4.4mm[4]，紫外波長在400nm以下。因此通過對特定波長輻射的電磁波進行采集測量，就可以探測到火災。本文采用紫紅外傳感器作為探測元件，將火焰的熱輻射特性與頻率特性相結合，提高了火焰探測的準確度。

3）電機驅動部分

電機驅動是智能水炮的動力源，驅動炮體的轉動來探測并定位火源，系統采用步進電機作為智能水炮的轉動的驅動力，包括水平與垂直步進電機兩部分，步進電機通過接受脈沖信號來轉動一定角度，并采用細分驅動技術，提高了電機的靈敏度與分辨率。

2 硬件電路設計

如圖2，硬件電路部分主要包括傳感器模塊、STM32控制模塊及其外圍電路、繼電器模塊、消防現場總線、電源模塊以及現場控制器。傳感器模塊包括紫外傳感器R2868與垂直水平熱釋電紅外傳感器來進行火焰的探測與定位，傳感器將信號通過AD轉換接口傳給單片機STM32，單片機內核通過與存儲器中火災判定的閾值相比較來判定是否有火災，若有火災，通過繼電器模塊來驅動步進電機的運動來進行火災定位，通過CAN接口將信號傳至消防現場總線，來控制其他聯動裝置完成滅火過程，電源模塊用來為各個模塊供電，現場控制器，顧名思義通過人為進行滅火控制。

2.1 控制與通信

智能水炮采用32位基于ARM核心的帶64K字節閃存的微控制器STM32f103作為主控芯片，其內核為CORTEX-M3，工作頻率最高為72MHz，處理能力為1.25DMips/MHz，功耗為0.19mW/MHz STM32f103具有高性能、低成本、低功耗等優點[5]，擁有2個12位模數轉換器（1ms轉換時間）：模數轉換器可直接處理紅紫外模擬信號，有效減少了開發難度與工作量，多達80個快速I/O端口既可滿足對電機的控制，又可作為CAN地址標識，以及9個通信接口：包括2個I2C接口，3個USART接口，2個SPI接口，CAN接口以及USB接口。多達3個USART接口，既可與現場控制箱進行通信[6]，又可進行擴展（可與中控相連），CAN接口滿足了智能水炮的通信基礎，減少了開發難度。

圖1 智能水炮系統結構

Fig.1 Intelligent water cannon system structure

普通消防炮大部分采用RS485作為通信協議，本系統采用CAN總線大大提高了總線利用率，降低了錯誤率。

從表1中我們可以看出，CAN在智能水炮上的應用降低了開發難度、系統成本及后期維護成本，以及通信失敗率，并提高了傳輸效率。圖3中STM32的CAN接口將控制信號以ttl的形式傳遞給CAN收發器TJA1050，TJA050將信號傳遞給現場總線，并控制其他聯動裝置，另外，現場總線的情況又通過TJA1050實時反饋給STM32，便于更好地控制。圖4為TJA1050工作電路。這種通信方式為整個智能水炮系統的反應靈敏度與準確度提供了基礎。

2.2 傳感器部分

物質燃燒發出的光會表現為光譜、輻射、頻率閃爍等物理特性[4]。即使與燃燒現場有一段距離，也可以檢測到火焰的存在。火災探測就是利用這一點來發現火災。

圖2 系統硬件結構

Fig.2 System hardware structure

表1 CAN與RS-485區別

圖3 CAN通訊流程

火災探測可分為紫外、紅外、以及紅外、紫外復合探測3種[7]，紅外傳感器又分為單紅外、雙波段、三波段以及多波段紅外，相對來說雙波段與三波段紅外設計較為復雜，因此在實踐中大部分應用單紅外。紅外探測易受一些溫度高的物體、人、以及太陽光等的影響[5]，而紫外傳感器本身具有低噪聲存在[2]，但具有響應速度快而對高溫、人不敏感的特點，智能水炮利用此特性通過檢測光譜中的紅外與紫外來判斷火源，相對于普通智能水炮的單紅外檢測來說，抗干擾能力較強，并降低了誤報虛報率，本系統將紫紅外火災探測應用于智能水炮中，大大提高了智能水炮的性能，降低了誤操作率。

2.2.1 紅外探測

系統采用熱敏探測器鉭酸鋰熱釋電紅外探測器，來測量火焰紅外輻射溫度。探測視角大于100°。紅外探測器內部電路及測量電路如圖5，圖中黑體輻射通過窗口被靈敏元電容吸收，并產生電流，從而在g兩端產生電壓，并輸出信號S，經運算放大器后輸出o。

圖6為圖5中的運算放大電路，因為紅外傳探測器輸出信號S較微弱，因此需要設計相應的前置運算放大電路。此運算放大電路通過四運算放大器MCP6004進行了兩級放大，為電路板節省了空間，使探測器更為小巧輕便，電源模塊為MCP6004以及熱釋電紅外傳感器提供5V直流工作電源，紅外傳感器D端與電源間串聯了電阻2來降低射頻干擾，G端接地[8]，S端加負載電阻1，偏置電壓約為1.7 V，傳感器將輸出信號s通過4直接耦合到MCP6004，構成帶通濾波以及第一級放大電路的反向輸入端，再由8與11耦合到二級反向放大電路進行濾波放大，8與11將信號隔直，13二極管反向接地對電路進行保護，最終輸出out也就是o。

圖4 TJA1050工作電路

Fig.4 Working circuit of TJA1050

圖5 鉭酸鋰紅外探測器內部電路及測量電路

圖6中，第一級反向放大上限截止頻率為：

下限截止頻率為：

當輸入信號頻率為1Hz時，第一級放大增益：

第二級放大增益為：

計算得帶寬為15.94Hz，放大增益約為69.5dB，實驗結果如圖7，據如圖示波器顯示當紅外信號時如圖中(a)、(b)、(c)，當無紅外信號時，輸出電壓為0，當檢測到明火時，輸出電壓迅速升到3～5V，經測驗，人體及太陽光造成的干擾低于3V，因此，紅外傳感器能較好的測試到火源，經測驗探測距離大于30m，且響應時間為1s。

2.2.2 紫外探測

系統紫外傳感器采用濱松R2868 UVTRON紫外線開/關探測器，R2868利用光電效應和氣體倍增效果的原理，測量的有效波長為185～260nm[7]，對可見光不敏感[9-10]，與半導體探測器不同，它不需要光學過濾器[1]，從而使它非常容易使用。R2868具有寬角靈敏度高，能夠可靠、快速發現紫外輻射等優勢[11-13]。R2868火焰傳感器發現火焰時，就會向外輸出形如鋸齒的模擬電壓，但是單片機無法直接對鋸齒波做出判斷，因此R2868采集的數據還需要經過信號處理器和A/D模數轉換器的進一步處理。

R2868工作電路如圖8，當充氣的紫外火焰傳感器UV1（R2868）陰極吸收紫外輻射后，陰極吸收紫外輻射后，陰極上光電子飛向陽極，在飛向陽極的過程中，光電子與氣體中的原子發生碰撞使氣體電離形成雪崩放電[9]。

圖6 運算放大電路

Fig.6 Operational amplifier circuit

圖7 紅外輸出信號測試

Fig.7 Output signal test of infrared sensor

紫外火焰傳感器產生雪崩放電后，電阻變小，1中的能量在回路迅速釋放，P與地間產生電壓。當電容1兩端電壓下降到傳感器初始敏感直流電壓280V以下時，傳感器內光電子停止放電，傳感器隨之斷開。斷開后，300～350V的直流電源又對電容1充電。當電容1兩端電壓達到R2868工作電壓后，陰極逸出的電子在外電路下又形成電流，使紫外火焰傳感器內部阻值變小。傳感器每導通一次輸出一個脈沖，且輸出脈沖頻率取決于紫外輻射的強度、電容1、電阻2和3的大小。當1、2以及3一定時，紫外輻射越強，P端頻率越高。經過對脈沖的整形送入STM32中，并計數，當脈沖頻率強度大于STM32中的閾值限定時，判斷紫外傳感器探測到火焰。

2.3 電機驅動部分

智能水炮系統將步進電機（電機控制流程如圖9所示）作為系統動力部分，步進電機通過輸入端信號的脈沖量與頻率實現對角度和速度的控制[14]，且步進電機為開環控制，因此不需要反饋信號，完全滿足智能水炮功能的要求，且性價比較高智能水炮在驅動電機轉動時設置了限位，當炮體轉至限位時反轉，這樣避免了步進電機在長時間同方向運轉時被燒壞的危險。水炮水平旋轉范圍可達360°無死角，垂直旋轉范圍仰角為30°，俯角為90°。單片機將信號通過繼電器輸出脈沖信號，來控制電機轉動固定的角度，從而實現了準確調速并定位火源。

3 軟件設計實現

系統初始化完畢后，如圖10，紫外探測器24h不斷檢測現場是否發生火災，一旦發現火源將信號傳給STM32f103，STM32f103將接收到的信號與存儲于STM32f103內部EEPROM中的火焰閾值進行比較（存儲器中存有5個安全級別，可視大空間的現場情況來設定），若判定為火源，STM32將驅動炮體水平轉動探測火源，紅外探測器開始探測并不斷將采集信號發送給單片機進行火災判定，當到達掃描時間時還未發現火災，則進行復位，當紅外探測器探測到火源時，炮體轉動到水平紅外探測信號最強點，單片機控制炮體進行垂直轉動，調整水炮角度到垂直紅外探測器信號最強點[15]，根據一定的角度補償算法啟泵開閥滅火。并將現場是否有火災信號、以及水壓流量數據反饋給控制系統，系統分析后進行自動定位補償調整，當現場火災信號消失后，系統進行自動復位。若工作人員發現火災，則可直接通過現場控制箱來控制炮體轉動以及其他聯動裝置進行滅火，完成后進行復位，智能水炮恢復自動檢測下一次火災。

4 結論

本系統智能水炮具有全自動、全方位、檢測及防護范圍廣的特點，紅外與紫外的反應時間約為1s，智能水炮的反應時長不超過25s，探測距離大于30m，系統將紅紫外雙波段探測應用到智能水炮中，有效降低了水炮的誤動作率，減少了不必要的損失，并將CAN應用于水炮通信中，傳輸距離與效率大大提高，為遠程控制水炮提供了基礎。整套設備在國內較為先進，較國外設備來講價格低廉，并可以滿足國內大空間火災的要求，且系統簡單，安裝方便，有很好的應用市場。

圖8 R2868工作電路

圖9 電機控制

Fig.9 Motor control

圖10 軟件流程圖

[1] 莊坤森. 大空間火焰檢測與自動消防炮系統研究[D]. 福州: 福州大學, 2010.

ZUANG Kunsen.Research on Large Space Fire Detection and Automatic Fire-fighting Cannon System[D]. Fuzhou:Fuzhou University, 2010

[2] 李文斌, 張卓, 范賜恩, 等. 基于紫紅外傳感器的火焰探測系統設計與實現[J]. 儀表技術與傳感器, 2015(3): 56-59.

LI Wenbin, ZHANG Zhuo, FAN Cien,Design and implementation of flame detection system based on ultraviolet sensor and infrared sensor[J]., 2015(3): 56-59.

[3] 陳娟. 基于多特征融合的視頻火焰探測方法研究[D]. 合肥: 中國科學技術大學, 2009.

CHEN Juan. Study on method of multi-feature fusion based video flame detection[D].Hefei:University of Science and Technology of China, 2009.

[4] 蔡鑫, 趙敏, 李然, 鄧軍軍. 基于熱釋電紅外傳感器的火災探測系統設計[J]. 紅外技術, 2007, 29(12): 697- 700.

CAI Xin, ZHAO Min, LI Ran,et al.Design of a fire detection system based on pyroelectric infrared sensor[J]., 2007, 29(12) : 697-700.

[5] 陳學軍, 楊永明. 基于雙核的視頻智能消防水炮設計[J]. 計算機測量與控制. 2015(12): 4184-4186.

CHEN Xuejun, YANG Yongming. Design of intelligent fire water cannon based on dual-core [J]., 2015(12): 4184-4186.

[6] 華海潔, 陳海龍, 黃曉蘭. 某展廳智能型水炮系統的設計探討[J]. 甘肅科技, 2010(9): 128-131.

HUA Haijie, CHEN Hailong, HUANG Xiaolan.The design of intelligent water gun system in an exhibition hall[J]., 2010(9): 128-131.

[7] 喻興隆. 智能消防炮控制系統設計[D]. 成都: 西華大學, 2011.

YU Xinglong. The Control System Design of Intelligent Fire Monitor[D]. Chendu:Xihua University, 2011.

[8] 魏麗君, 唐冬梅, 肖遼亮. 基于熱釋電紅外傳感器微弱信號處理電路的設計與分析[J].儀表技術與傳感器, 2013(7) : 89-91.

WEI Lijun, TANG Dongmei, XIAO Liaoliang. Design and analysis of weak signal processing circuit based on pyroelectric infrared sensor[J]., 2013(7) : 89-91.

[9] 夏煥雄, 孫樹文, 姚益武, 等. 多傳感器器概率綜合的火災報警器計與實現[J]. 計算機測量與控制, 2011, 19(2): 370-372.

XIA Huanxiong, SUN Shuwen, YAO Yiwu, et al. Design and realization of fire alarm by determining probability based on multi-sensor integrated[J]., 2011, 19(2): 370-372.

[10] 陳章其. 用于火焰探測的紫外光敏[J]. 傳感技術學報, 1996(1): 55-56．

CHEN Zhangqi. Ultraviolet light sensitive for flame detection[J]., 1996(1): 55-56．

[11] 劉云翔, 陳艷, 原鑫鑫. 火災救援系統中動態定位方法研究[J]. 計算機測量與控制, 2012, 20(1): 202-208.

LIU Yunxiang, CHEN Yan, YUAN Xinxin. Dynamic localization research for the fire rescue system[J]., 2012, 20(1): 202-208.

[12] 張紅蘭, 李揚. 基于多傳感器的智能火災報警器的設計[J]. 儀器儀表學報, 2009, 16(4): 44-47.

ZHANG honglan, LI Yang. Design of intellective fire alarm based on multi-sensor[J]., 2009, 16(4): 44-47.

[13] 張石銳, 鄭文剛, 黃丹楓. 微弱信號檢測的前置放大電路設計[J]. 微計算機信息, 2009(8): 188, 222-224.

ZHANG Shirui, ZHENG Wengang, HUANG Danfeng. The design of preamplifier circuit based on weak signal detection[J]., 2009(8): 188, 222-224.

[14] 宋建江. 小型智能消防水炮的研究[J]. 低碳世界, 2015(22): 269-270.

SONG Jianjiang. Study on small intelligent fire water cannon[J]., 2015(22): 269-270.

[15] 胡幸江. 多波段紅外火焰探測器系統研究和產品開發[D]. 杭州: 浙江大學, 2013.

HU Xingjiang. Research and Product Development of MIR Flame Detector System[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013.

Design of Intelligent Water Cannon System Based on PIRS and UV Detection

WEI Chongyu，WANG Xinmin

(,266100,)

In this paper, a kind of intelligent water cannon system based on infrared and ultraviolet dual wave detection is proposed, to avoid unnecessary loss from the false alarm and failure alarm. This system is divided into automatic control and manual control to adapt to the situation, and it adopts STM32F103 as the main control chip which has the advantage of high performance, low cost and low power consumption and PIRS infrared sensor and ultraviolet sensor as the part of fire detection. Furthermore, as the communication bus, CAN has greatly improved the reaction speed and flexibility of water cannon, and the communication distance increased to 10km so that the intelligent water cannon can detect the fire more quickly and accurately at a full time, and in all aspects, providing a better choice for large space and outdoor fire.

dual wave detection，pyroelectric infrared sensor，UV sensor，intelligent water cannon，STM32

TN215，TN23

A

1001-8891(2016)10-0877-07

2016-04-29；

2016-05-06.

魏崇毓（1957-），教授/博士，主要研究方向為通信與電子系統，E-mail：weichongyu@sina.com。