多傳感器信息融合的汽車火災探測報警系統設計研究

吳海潮

摘要：隨著科技的發展和生活水平的提高，人們對汽車的需求逐年增加，在汽車數量增多的同時，汽車火災事故的發生幾率也呈現上升趨勢。汽車火災事故不僅會給人們造成巨大的財產損失，更重要的是嚴重威脅著人們的生命安全。傳統的汽車火災探測系統使用單個傳感器，探測效率低下，因此，采用多傳感器信息融合的方式，可實現對汽車火災及時、準確的探測與報警。首先簡析汽車火災的發生原因，確定了汽車火災探測報警系統研究思路，設計了多傳感器信息融合的車輛火災探測報警系統。

Abstract： With the development of science and technology and the improvement of living standards， people's demand for cars is increasing year by year. With the increase of the number of cars， the incidence of car fire accidents is also on the rise. Car fire accident will not only cause huge property loss to people， but also seriously threaten people's life safety. The traditional automobile fire detection system uses a single sensor， which has low detection efficiency. Therefore， the way of multi-sensor information fusion can realize the timely and accurate detection and alarm of automobile fire. Firstly， the cause of automobile fire is analyzed， the research idea of automobile fire detection and alarm system is determined， and the vehicle fire detection and alarm system based on multi-sensor information fusion is designed.

關鍵詞：多傳感器信息融合;汽車火災;探測報警;系統設計

Key words： multi-sensor information fusion;car fire;detection and alarm;the system design

中圖分類號：U463.1????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0212-02

0? 引言

如今，汽車是人們使用最多的出行交通工具，這些年來汽車火災事故數量在不斷增加，由于汽車設備和系統的復雜，使得汽車火災的探測與報警系統難度較大。多傳感器信息融合技術，可從多方收集傳感器數據和信息，進行綜合處理與分析，獲得準確、全面、可靠的信息，以提高汽車火災系統探測準確性。汽車火災探測與報警系統主要依據多個傳感器來推斷是否有火災的發生，依靠蜂鳴器實現火災報警。多傳感器信息融合的汽車火災探測報警系統也有助于火災撲救和預防工作的進行[1]。

1? 汽車火災發生原因

1.1 電氣電路故障

是汽車火災中最常見的一種起火原因，很多時候是因為汽車啟動和發動的時候，電氣電路發生短路接觸不良，之后出現拉弧現象。另外電氣電路故障中最常見的就是電瓶故障，當汽車電瓶存在故障后，無法正常充電和正常啟動，導致電池內的熱量不斷增加，通電的瞬間，會導致電氣線路溫度上身，很容易燒毀線路，引起汽車火災事故，另外在發動機啟動的一瞬間會因為較高的電壓導致了電氣電路的故障，最后引發火災的發生。

1.2 油路故障

汽車的運行離不開燃油，但是燃油屬于可燃物品。在汽車的運行過程中，燃油在相對封閉的油箱和油管中運動。汽車啟動之后，汽車的發動艙排氣系統和車輪等各個系統的溫度都會很高，會引發汽油的揮發。這些高溫度的系統部件會使油氣相遇，從而引發火災。另外油路堵塞、卸油等問題也會引發不同程度的火災，但是比較嚴重火災的發生位置一般是集中在汽車的油管周邊的。

1.3 機械故障

也是汽車發生火災的主要原因之一。汽車在運行的過程中最容易出現的問題就是發動機故障。汽車發動機冷卻系統是汽車行駛中非常重要的系統，冷卻液的溫度偏低或者偏高以及冷卻液滲漏等都很容易對發動機產生不利影響，無法及時、科學調整溫度，造成發動機溫度過高，很多汽車運行的時候發動機可能會出現發熱起火，再加上一直處于長時間高速高負荷的運轉狀態，就會導致發動機高溫起火[2]。

1.4 人為與環境影響

也不排除人為因素造成汽車火災，如果吸煙者沒有及時將煙頭處理，當煙頭接觸到汽車上易燃物品時將很有可能引起汽車火災。另外，周圍環境也有可能引起汽車火災事故的發生，空氣指數、外界氣溫、嚴重氣候等環境因素有可能會引發微小的電氣故障，加上汽車內部各設備和線路之間接觸較為緊密，當某個設備出現故障以后也可能會引起其他設備的故障，從而對汽車的正常狀態產生影響，容易引起火災。

2? 多傳感器融合的汽車火災探測報警系統設計思路

2.1 汽車火災探測特征量的確定

汽車發生火災的時候會有很多明顯的特征，對這些特征信息的全面測量可實現對火災情況的準確、可靠判斷，為控制探測成本和降低系統的復雜程度，無法做到對眾多信息的探測，因此，對汽車火災探測特征量的選擇，要適用于不同種類汽車的探測，且探測數量不應過多。雖然不同物品燃燒產生的氣體不同，但不充分燃燒情況下都會有一氧化碳氣體和煙霧的產生，同時燃燒會導致溫度升高，因此，進行汽車火災探測報警系統的設計時可選擇一氧化碳氣體、煙霧以及溫度這三個特征量。

2.2 多傳感器信息融合過程

汽車火災探測報警系統采用了多傳感器信息融合技術，通過對數據信息的獲取、預處理，進行特征的提取，之后對多傳感器得到的數據進行融合計算，得出融合結果。對環境中一氧化碳、煙霧以及溫度特征量進行采集，將模擬信號轉化為電子設備可識別的電信號，然后再轉化為數字信號，供微處理器識別、計算。數據傳輸過程中會有干擾信號和噪聲對信號處理造成影響，因此需要添加信息的預處理過程，對數字信號進行除噪和濾波以后再提取特征，這樣處理得到的融合結果較為準確[3]。

2.3 多傳感器報警過程

采用多傳感器分別對汽車火災特征信息進行收集，獲得現場的實時數據，然后經系統核心板對數據進行分析和判斷，數據分析模塊通過采集現場環境相關數值，和設定的正常數值進行實時對比，得出兩種數據的差值，若判定發生火災，則觸發蜂鳴器進行報警，也可將現場數據通過顯示屏顯示，并且同時將系統檢測到的數據信息發送到用戶智能設備中，起到預報提醒和火災報警的作用。

3? 多傳感器信息融合的汽車火災探測報警系統設計

3.1 系統總體方案設計

根據對汽車火災探測報警系統思路分析和多傳感器信息融合技術的應用，設計了汽車火災探測報警系統，系統核心控制器選用的是MC9S12XS128型號的主控板，按照汽車火災特征信息，在傳感器模塊的設定上選擇了一氧化碳傳感器、溫度傳感器以及煙霧傳感器，最后的現場環境數據信息可通過液晶屏顯示出來，此模塊選擇了LCD12864點陣液晶顯示模塊，還通過與主控板的接口相連，設計了蜂鳴器進行報警。首先汽車火災探測模塊與主控板內置的ATD模塊相連，可將各個傳感器收集的溫度、CO和煙霧等數據信息傳遞到核心控制板中，通過直流電源為主控板提供5V的工作電壓，單片機也可為傳感器模塊供電，蜂鳴器、LCD液晶顯示模塊均與單片機I/O口連接，當探測數值達到一定高度時蜂鳴器進行報警，其實時探測數據也可通過液晶顯示模塊顯示出來。

3.2 主要硬件模塊的選型與設計

3.2.1 MC9S12XS128主控板

單片機是整個汽車火災探測報警系統的核心控制板，其上邊可以集成各種設備，以實現相關探測與報警功能，因此，主控板的質量關乎著系統的運行效果，系統選擇飛思卡爾公司的S12XS系列MC9S12XS128單片機，是一款增強型的16位單片機，此主控板擁有豐富的外部I/O接口和內部存儲器，在存儲器的容量上具有8KB數據Flash和128KB程序Flash。此型號單片機因其優越性能已被廣泛應用于汽車領域。

在MC9S12XS128主控板的電源電路設計上，因主控板的工作電壓在5V，因此需要利用適配器將外部220V的交流電壓轉化為12VDC的直流電壓，經單片機內部LM2940芯片將12V轉化為5VDC后才能為單片機供電。

在蜂鳴器電路的設計上：蜂鳴器采用NPN型三級管進行驅動控制，三極管在此起到開關的作用，當蜂鳴器輸入為高電平時，三極管導通，蜂鳴器蜂鳴報警;當輸入端為低電平時，三極管截止，蜂鳴器則就會停止蜂鳴[4]。

3.2.2 傳感器模塊

當汽車發生火災時，由于不充分燃燒會造成一氧化碳濃度增加，同時伴隨大量的煙霧，燃燒以及煙霧導致環境溫度升高，因此，汽車火災的探測功能模塊由煙霧傳感器、一氧化碳傳感器以及溫度傳感器組成。

①煙霧傳感器。MQ-2傳感器對煙霧較為敏感，其與主控板相同，采用直流5V的工作電壓，使用前需要加熱等待一段時間，其檢測煙霧的范圍在100ppm到10000ppm之間，具有響應快、靈敏度高、壽命長等優勢?；馂漠a生的煙霧會影響MQ-2煙霧傳感器的導電率，煙霧越大，導電率越小，輸出模擬信號就越大，將其門限電壓與輸出電壓相比，就可完成汽車火災探測模塊的檢測功能。

②一氧化碳傳感器。此系統選擇MQ-7型號的傳感器，此傳感器的工作電壓也是直流5V，工作原理為：將電熱絲加熱，通過氣體電離獲得不同等效電阻，由此計算出一氧化碳氣體的濃度。適用于家庭、工業上的一氧化碳氣體檢測與報警，可檢測濃度在10ppm到1000ppm之間的CO氣體，測量精確度為差值5ppm加減百分之六的范圍，在使用前也需要預熱，且在標準測試條件下，電壓的范圍在4.9到5.1伏特之間。

③溫度傳感器。采用DS18B20型號溫度傳感器，其擁有獨特的單線模式，即通過一條總線即可進行數據傳輸，與上述兩個傳感器都有著體型小的優點，可應用于機房、汽車甚至空間狹小的場地。其對溫度的檢測范圍在零下55度和125度之間，固有檢測范圍精度大概在0.5度，測量結果是以9到12位的數字量方式串行傳送[5]。

3.2.3 液晶顯示模塊

此模塊采用LCD12864點陣液晶顯示屏，工作電壓在3.3V到5V之間，有串口和并口兩種控制時序，在此系統中采用并口通訊，在液晶顯示屏上，英文字符占一個字節，中文占兩個字節，通過忙檢查、寫數據、寫指令、初始化這四個控制函數，就可以完成LCD12864顯示屏將對汽車火災探測與報警系統相關數據信息的呈現。

4? 結語

綜上所述，人們對于汽車的使用已經較為普遍，但汽車火災事故原因復雜，發生幾率也在逐年上升。多傳感器信息融合技術的應用，可有效減少傳統單一傳感器系統存在的汽車火災險情的誤報、漏報等情況，通過對核心單片機、傳感器等模塊的選型與研究，設計了多傳感器信息融合的汽車火災探測報警系統，提高了汽車火災探測報警系統的準確性與可靠性。

參考文獻：

[1]馮潤根，楊清虎.火災檢測報警與自動滅火系統的設計與實現[J].科技通報，2019，35（06）：173-176.

[2]李洋，趙雪琪.基于汽車構造的汽車火災事故原因分析[J]. 安全與環境工程，2018，25（04）：134-138.

[3]李珉澄，李泓.一種車載煙霧報警系統的設計[J].電子產品世界，2020，27（01）：81-83，86.

[4]陳培豪，肖鐸，李晨輝.多傳感器融合的火災識別算法研究[J].消防科學與技術，2020，39（06）：810-813.

[5]孫曉通，張超，紀仕鵬.多傳感器融合報警器設計[J].科學技術創新，2020（18）：93-94.