模糊算法在智能火災(zāi)報(bào)警器中的應(yīng)用

福建省公安消防總隊(duì)泉州支隊(duì) 婁建偉 方立林

模糊算法在智能火災(zāi)報(bào)警器中的應(yīng)用

福建省公安消防總隊(duì)泉州支隊(duì) 婁建偉 方立林

火災(zāi)是常見(jiàn)的災(zāi)害類型之一，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)、物質(zhì)損失，還會(huì)威脅人們的生命安全，而使用智能火災(zāi)報(bào)警器能夠在發(fā)生火災(zāi)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。基于此，本文將分析智能火災(zāi)報(bào)警器的相關(guān)結(jié)構(gòu)、部件規(guī)格，重點(diǎn)探究通過(guò)模糊算法在智能火災(zāi)報(bào)警器中的實(shí)際應(yīng)用，旨在降低火災(zāi)誤報(bào)的頻次，為消防員贏得更加充足的救災(zāi)時(shí)間，減少相關(guān)的損失。

模糊算法；智能火災(zāi)報(bào)警器；數(shù)據(jù)處理；單片機(jī)

1 前言

通常情況下，由于人們不能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火情并采取報(bào)警措施，便會(huì)延誤救災(zāi)的最佳時(shí)機(jī)，造成更加嚴(yán)重的后果。傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警由煙霧探測(cè)芯片與傳根器組成，傳感器將信號(hào)傳遞給芯片，芯片再對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與判斷，具有適應(yīng)能力差、誤報(bào)率高的特點(diǎn)。為了能夠解決這一問(wèn)題，在報(bào)警器中安裝一個(gè)單片機(jī)，以便排除外界干擾信號(hào)，提高報(bào)警的準(zhǔn)確率。

2.智能火災(zāi)報(bào)警器的設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制

ATmega128型號(hào)的單片機(jī)內(nèi)，擁有6種省電模式、SPI串行接口、可編程看門狗定時(shí)器、8通道10位ADC、兩個(gè)USART、時(shí)鐘RTC、32個(gè)工作寄存器、53個(gè)通用I/O口、128K字節(jié)的編程Flash等。單片機(jī)是智能火災(zāi)報(bào)警器的核心，具有協(xié)調(diào)各環(huán)節(jié)工作的重要作用，利用ADC0收集NIS-09C的電壓數(shù)值，并根據(jù)數(shù)值的大小確定火災(zāi)的具體情況。單片機(jī)的串口通信模塊相互連接，并發(fā)送報(bào)警指令，從而完成智能報(bào)警。報(bào)警語(yǔ)音儲(chǔ)存在芯片中，通過(guò)PA1進(jìn)行選通控制，PA2完成語(yǔ)音播放、錄制的功能，PA0驅(qū)動(dòng)繼電器控制聲光報(bào)警器的電源，PA3與溫度傳感器星戀采集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度。總體而言，智能火災(zāi)報(bào)警器中的單片機(jī)需要與各個(gè)部件相互連接，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、信息的通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警的目的，由此可見(jiàn)單片機(jī)的重要性。

2.2 煙霧傳感器

N IS-09C型號(hào)的離子式傳感器使用了微量的镅241，由于此種微量元素是放射性物質(zhì)，因此使用金屬制電極覆蓋傳感器本身，避免發(fā)生泄漏。N IS-09C傳感器具有低功耗的特點(diǎn)，能夠適用于大部分的火災(zāi)報(bào)警器。煙霧傳感器的額定電流為27±3pA，額定電壓為DC7~12V，離子镅元素的放射量為33.3KBp，同時(shí)需要保障環(huán)境溫度在0℃~50℃之間，濕度小于95%RH，對(duì)煙霧的靈敏度為0.6±0.1V。煙霧傳感器將電壓輸出，并有PFO/DCO輸入單片機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，加之傳感器本身具有一定的誤差、火災(zāi)環(huán)境的變化與復(fù)雜，使降低誤報(bào)率成為技術(shù)的關(guān)鍵性問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，將模糊算法引入信號(hào)處理中，解決外界環(huán)境對(duì)傳感器的干擾[1]。

2.3 溫度傳感器

智 能火災(zāi)報(bào)警器中的溫度傳感器型號(hào)為DSI8B20，檢測(cè)溫度的范圍在-55℃~+125℃之間，其編程的分辨率范圍為9~12位。在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，溫度直接通過(guò)1-Wire方式進(jìn)行傳輸，能夠大大提高智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的抵抗外界干擾的能力。另外，還能夠?qū)SI8B20與2根或者3根的總線進(jìn)行并聯(lián)，但只需要一個(gè)端口就可以實(shí)現(xiàn)多方通信的目的，從而減少引線、電路的數(shù)量。

DSI8B20中的DO連接口語(yǔ)單片機(jī)中的PA3相連，可以實(shí)現(xiàn)溫度的轉(zhuǎn)換，同時(shí)DSI8B20使用外界電源的形式，其電壓為3V~5.5V。使用溫度傳感器采集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際溫度，其主要目的就是確定模糊量A的數(shù)值，從而完成模糊算法。

3.智能火災(zāi)報(bào)警器中的模糊算法

由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，使得火災(zāi)信號(hào)具有一定的隨機(jī)性，煙霧探測(cè)器無(wú)法確定煙霧的具體參數(shù)，同時(shí)環(huán)境與系統(tǒng)的噪音也會(huì)干擾煙霧的實(shí)際參數(shù)。因此，需要使用濾波方式處理A/D轉(zhuǎn)換以后的參數(shù)，同時(shí)保障處理信號(hào)的算法可以適應(yīng)火災(zāi)環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、準(zhǔn)確探測(cè)火災(zāi)的目的，同時(shí)大幅降低火災(zāi)的誤報(bào)率。另外，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、聲光、通信都會(huì)影響火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性，因此將模糊算法應(yīng)用其中，能夠有效的提高報(bào)警器對(duì)抗外界干擾的能力。迷糊算法在智能報(bào)警器中的實(shí)際應(yīng)用如下：

3.1 建立數(shù)據(jù)模型

在模糊數(shù)學(xué)中，模糊邏輯能夠精確的布爾邏輯無(wú)法確定的問(wèn)題，因此可以將模糊算法應(yīng)用在智能火災(zāi)報(bào)警器中。通過(guò)模糊算法，能夠有效的解決報(bào)警閾值的變化與外界環(huán)境的干擾，提高火災(zāi)探測(cè)器的科學(xué)性與可靠性。具體的應(yīng)用方式如下：如果閾值B0大于煙霧信號(hào)X時(shí)，可以認(rèn)為沒(méi)有火災(zāi)發(fā)生；當(dāng)閾值B1小于信號(hào)X的數(shù)值時(shí)，便可以斷定發(fā)生火災(zāi)；如果煙霧信號(hào)X的數(shù)值在B0與B1之間時(shí)，就是有可能發(fā)生火災(zāi)，而且X值越接近閾值B1，發(fā)生火災(zāi)的概率就越大。模糊算法的數(shù)據(jù)模型為：

在公式中，A表示火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的模糊量，f(x)表示具體的隸屬度。由于外界環(huán)境對(duì)煙霧信號(hào)的干擾具有瞬時(shí)性，因此為了提高探測(cè)器的抗干擾能力，可以使用窗口移動(dòng)濾法，其濾波函數(shù)為：

此公式表示：當(dāng)窗口的大小值為5時(shí)，f(x)的5次的連續(xù)值不等于0，此時(shí)計(jì)算K值，并比較K值與閾值K0的大小。如果K值等于K0或者大于K0，智能火災(zāi)報(bào)警器便會(huì)立即報(bào)警，反之則不會(huì)實(shí)行報(bào)警行動(dòng)。

3.2 模糊算法在溫度控制器中的應(yīng)用

模糊量A與溫度有著直接的關(guān)系，智能火災(zāi)報(bào)警器在檢測(cè)火災(zāi)環(huán)境時(shí)，除了需要探測(cè)煙霧之外，要是利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度。在應(yīng)用之前，模糊量A和溫度之間的關(guān)系已經(jīng)儲(chǔ)存在單片機(jī)中，在監(jiān)測(cè)溫度時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)對(duì)照關(guān)系表，從而確定模糊量的具體值。另外，智能火災(zāi)探測(cè)器中的B0、B1、K03個(gè)閾值直接影響智能火災(zāi)報(bào)警器的精確程度，因此需要進(jìn)行科學(xué)、合理的設(shè)置，保障智能報(bào)警的精度完全符合國(guó)家的相關(guān)規(guī)定，最大限度的降低火災(zāi)的誤報(bào)率。

3.3 模糊算法在聲光報(bào)警器中的應(yīng)用

通常情況下，聲光報(bào)警器會(huì)使用SL-200B防水性設(shè)備，同時(shí)采用具有抗老化效果的ABS阻燃外殼與高亮度閃燈管，具有低功耗、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于火災(zāi)嚴(yán)重、煙霧濃度高等事故場(chǎng)所。聲光報(bào)警器的額定電壓為DC-12V，電流大小為300mA，響度為110db，而燈管實(shí)際的閃爍頻率為60次/s。運(yùn)用模糊算法，只要聲光報(bào)警器中的電壓等于12V或者電流為300mA，都會(huì)立即發(fā)出火災(zāi)警報(bào)。但在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，單片機(jī)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)大功率的聲光報(bào)警器，因此需要將9013型號(hào)的三極管與PAO相連，以此驅(qū)動(dòng)繼電器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制聲光報(bào)警器的目的，提高火災(zāi)警報(bào)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智能火災(zāi)報(bào)警器中各個(gè)部件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)，都是為了采集相關(guān)數(shù)據(jù)，為模糊算法提供必要的參數(shù)。以此為基礎(chǔ)，將模糊算法應(yīng)用在智能火災(zāi)報(bào)警器中，能夠有效的縮短火災(zāi)的報(bào)警時(shí)間，自動(dòng)完成語(yǔ)音報(bào)警，減少誤報(bào)率，降低經(jīng)濟(jì)、物質(zhì)以及人員的損失。所以，為了能夠在最短的時(shí)間完成自動(dòng)報(bào)警，可以將模糊算法應(yīng)用在智能火災(zāi)報(bào)警器中。

[1]王迪,郭莉莉,李晶晶,肖博仁．RFID射頻識(shí)別技術(shù)在智能建筑火災(zāi)檢測(cè)中的應(yīng)用[J]．電子技術(shù)與軟件工程,2016,24：135．

[2]陳虎,畢飛．獨(dú)立式光電感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器技術(shù)在居住場(chǎng)所中的應(yīng)用[J]．建設(shè)科技,2017,03：78-79．