紅外線和煙感雙保險報警器的研制

田淑芬， 董軍軍， 邱俊彥， 侯志堅， 李 康， 張 璐， 范鑫榮

(1. 北京科技大學 高等工程師學院， 北京 100083； 2. 北京科技大學 自然科學基礎實驗中心，北京 100083)

在 “大眾創業,萬眾創新”的政策背景下,結合貫徹落實《國務院關于進一步加強消防工作的意見》(國發[2006]第15號)提出的“堅持科技先行,依靠科技進步不斷提升防火、滅火和救援能力”的要求,在“防火”方面,研制出有效的、全面的、智能的報警器是社會所需。火災是人類生活中主要的事故之一,會造成巨大的人員傷亡和財產損失。火災報警器主要用于早期疏散、管理及消防部門的及時準確告警和火災的早期撲滅[1-2]。然而,市面上的火災報警器誤報率高,瑞士西伯樂斯公司根據1974年至1994年20年間收集的有關誤報資料分析[3],得出誤報比為7∶1(誤報比警次數:真實報警次數)。1995年調查,感煙探測器誤報比為4:1。對1990年至1995年間安裝的火災報警系統誤報監視,結果表明(按每個系統平均100只探測器計算,1990年誤報率是95%；1995年是69%。雖然數據較早,但是國內報警器起步遠遠晚于其他國家,這個數據也足以表明傳統報警器的不足。由此會產生經濟效益損失,攪擾社會秩序,減低人們對火災的警惕性等不良影響,因此研制多路報警器降低火災誤報率是十分必要的。

1 火災溫度和煙霧濃度分析及傳感器的選擇

火災的發生和發展是一個非常復雜的非平穩過程,除了自身的物理化學變化以外還會受到許多外界的干擾,火災一旦發生便以接觸式(物質流)和非接觸式(能量流)的形式向外釋放能量。接觸式形式包括氣體、煙霧、氣溶膠等。非接觸式如聲音、輻射等[4-5]。

1.1 溫度,煙霧濃度

根據室內火災溫度隨時間的變化特點,可將火災發展過程分為3個階段,即火災初起階段、火災全面發展階段、火災熄滅階段。3個階段溫度和煙霧濃度隨時間變化曲線如圖1和圖2所示。(以家庭普通室內起火為例)

圖1 火災過程溫度隨時間變化曲線

圖2 火災過程煙霧濃度隨時間變化曲線

根據資料表明[6],火災過程煙霧濃度變化明顯,從圖2我們可以看出,在火災初期,煙霧濃度很快地上升到了一個較大值；待火勢蔓延開來,可燃物充分燃燒,雖溫度增高但煙霧濃度有所下降；到了火災后期,煙霧濃度又達到一個較大數值。

根據3個階段的特點可見,早期階段是滅火的最有利時機,應設法爭取盡早發現火災,把火災及時控制消滅在起火點。初起階段也是人員疏散的有利時機,設置及時發現火災和報警的裝置是很有必要的。同時根據火災初期物理化學現象,我們可以選擇更適宜的傳感器,分析火災初期各參數所占比重變化,從而對火勢進行精確的判斷。

1.2 傳感器選型

火災探測器按其探測火災不同理化現象可分為感煙探測器、感溫探測器、感光探測器、可燃氣體探測器以及復合式探測器。

根據我們對于火災現場火情參數的研究,溫度報警器受環境(溫濕度)影響較大,溫度存在時滯,且在火災中期才表現出異常升溫趨勢,并不符合我們對于火災初期就報警的要求。紅外火焰探測器是探測火災燃燒火焰的探測器,是繼感溫、感煙探測器后,較晚出現的一種火災探測器。由于其感應火焰輻射電磁波,因而具有響應速度快、探測范圍廣等優點[7]。紅外傳感器檢測靈敏,且存在于火災各個階段,對火焰十分敏感,符合我們的要求。煙霧傳感器可以檢測的信號(煙霧顆粒、可燃氣體)數據大,屬于火災早期最易于探測的信號之一,對于檢測火情具有較高的靈敏度。然而由于其干擾因素復雜、干擾源多,產生誤報的可能性大。因此我們在此基礎上選擇紅外傳感器和煙霧傳感器進行雙路保險,避免誤報警現象的發生。

2 遠程監測及智能化

我國報警器起步晚,技術不成熟,存在智能化程度低等問題。我國使用的火災探測器雖然都進行了智能化設計,但由于傳感器件探測的參數較少、支持系統的軟件開發不成熟、各種算法的準確性缺乏足夠驗證、火災現場參數數據庫不健全等,火災自動報警系統難以準確判定粒子(煙氣)的濃度、現場溫度、光波的強度以及可燃氣體的濃度、電磁輻射等指標,造成遲報、誤報、漏報情況較多[8]。

我們采用的是單片機及藍牙等遠程通信模塊,智能采集以及處理信息,不僅能通過比對算法,實現更高精度的報警閾值,還能將信息進行傳輸,藍牙的穿墻功能以及與手機等通信設備的良好溝通,信號傳輸距離達十米,讓我們在聽不到報警蜂鳴器報警的情況下還能收到手機發出的警報。

3 算法處理

火災發生時,伴隨很多特征參數的變化,傳統火災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合,誤判概率極大。本報警器采用多傳感器概率綜合判斷[9],綜合考慮分析光強、煙霧離子、溫度3類監測特征值,確定火災發生概率,結合實際情況確定靈敏度,驅動系統動作。

P=∑Pλ=P1λ1+P2λ2+P3λ3+…

(Pn=參數貢獻率,λn=設定閾值。如P1紅外貢獻率,λ1紅外閾值,P2煙霧貢獻率,λ2煙霧閾值)

在火災發展過程的3個階段,包括溫度,紅外線強度,煙霧濃度在內的各個參數都以不同的比重,不同的參數變化速率變動著。我們針對的是火災初期,那么根據上文研究,煙霧濃度將達到較高值,溫度較低,紅外線強度也較低。在監測范圍為30 m2時,煙霧濃度體積分數達到2%可以判定達到火災危險,因此我們根據多次測量研究,設定煙霧閾值為2%。

紅外火焰傳感器方面我們借鑒技術較為先進的三波段紅外火焰探測器的原理設計紅外傳感器[10],各種不同材料的碳氫化合物燃燒產生的火焰輻射光譜各不相同。在火焰紅外波段內的4.3 μm附近能夠觀察到峰值,這是被稱為 CO2原子團的發光光譜,為火焰所特有,且比其他頻段具有大得多的強度(見圖3)[11],因此我們選擇靠近火焰輻射峰值波段作為參考波段,4.0 μm是最接近峰值的波段,常常用這一波段的傳感器作為參考傳感器，并設置煙霧貢獻率0.7,紅外貢獻率0.3(具體貢獻率可根據不同火災環境及條件變化)的權重進行了實驗,并取得了良好效果。

圖3 碳氫化合物火焰輻射譜圖

具體實驗步驟如下:

(1) 將煙霧傳感器置于密閉空間(紙盒),放置燃燒的紙條物,隨時間變化,密閉空間紙盒內煙霧濃度將根據燃燒時間呈線性增長趨勢,通過單片機串口監視器記錄煙霧傳感器模擬量輸出。

(2) 將紅外傳感器置于陰暗條件下,以避免其他光源的干擾；將打火機由1.5 m(打火機火源較小,遠距離檢測不到)外由遠及近向紅外探頭移動,觀察紅外傳感器模擬量輸出。

通過查詢相關資料,并將真實火災情況等比例縮小至實驗環境,進行實驗數據分析。

實驗結果及分析:由圖4可見,煙霧傳感器根據煙霧濃度線性變化；火焰傳感器根據檢測到火焰大小呈跳變。對比數據可知,單片機可以準確實現原定計算功能,精確報警。

圖4 實驗過程曲線

4 整體設計

該火災報警器能夠根據環境中煙霧濃度以及溫度變化,在達到報警條件的情況下引發蜂鳴器蜂鳴,指示燈亮起,同時通過藍牙向手機發送報警信息。報警器共分為電源模塊、煙霧檢測模塊、紅外火焰檢測模塊、藍牙模塊、單片機模塊以及報警模塊。

以LM2940穩壓模塊以及100 μF和0.1 μF兩種電容組成的電源模塊,因為實際產品為獨立工作狀態,我們要將電池9 V電壓轉為5 V單片機以及各模塊工作電壓。

中間是以Atmel Atmega328P-AU單片機為核心的信號處理部分,各傳感器模塊之間自帶AD轉換,極大地簡化了程序以及電路。傳感器模塊共享電源模塊的5 V供電電壓,并將檢測到的信息通過輸出接口傳輸至單片機輸入接口,傳感器模塊輸出采用更為精確的模擬量輸出,根據不同情況我們可以選擇不同信號進行處理。

接下來是遠程信號傳輸模塊——藍牙模塊,藍牙模塊通過與單片機串口通信,將單片機處理后得出的結果傳輸至手機等通信設備,實現報警器的智能化,并為報警系統的網絡化提供了一個良好的平臺[12-13]。

單片機處理后的結果以數字量的形式送到蜂鳴器、指示燈等設備,發出警報,完成報警工作。同時留出消防聯動輸出口,以備投入使用時單點報警輸出觸發公共區門禁與機房門禁系統全部打開[14]。

整個智能報警系統電路簡潔,排布有序,并且基本實現預計的所有功能。

5 研究成果

(1) 開發了一套可測試火災報警的新式裝置,各項數據基本達到預計的要求。

(2) 對火災監控采用兩種信號源同時檢測并比較,可增強火災報警可信度,降低誤報率,減少人為損失。

(3) 新報警器增加了遠程報警功能,安全負責人不在現場時能夠盡早得到信息。

(4) 數據采用模擬量輸出,可提高輸出信號精度與準確率。

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