基于多傳感器數(shù)據(jù)的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

作者簡介：尹軼夙（1976— ），男，漢族，上海人，本科，高級工程師，研究方向：電氣柜火災(zāi)預(yù)警。

摘要：隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和人們生活水平的提升，電子設(shè)備被大量應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，在電子設(shè)備長時間運行過程中不免會出現(xiàn)過載、過熱以及短路等問題，從而引發(fā)火災(zāi)，造成嚴重的人員財產(chǎn)損失。火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)可以實現(xiàn)對火災(zāi)的早期探測，及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱情，將火災(zāi)遏制在萌芽階段。本文結(jié)合火災(zāi)早期探測的需求，應(yīng)用多傳感器融合技術(shù)設(shè)計了一種火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，有效提升了火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與安全性。

關(guān)鍵詞：多傳感器融合；火災(zāi)預(yù)警；系統(tǒng)；設(shè)計

引言

火災(zāi)是現(xiàn)代社會中常見的災(zāi)害之一。為了確保人民生命財產(chǎn)安全，對火災(zāi)進行監(jiān)測具有重要意義。傳統(tǒng)的火災(zāi)探測報警器雖然能夠在一定程度上檢測到火災(zāi)的發(fā)生，但存在靈敏度低、誤報率高等問題，難以滿足現(xiàn)代消防安全需求。因此，開發(fā)一種能夠提前預(yù)警、高靈敏度、低誤報率的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)顯得尤為重要。近年來，隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在各行各業(yè)之中得到了廣泛應(yīng)用。對于火災(zāi)監(jiān)控來講，采用計算機技術(shù)對多傳感器數(shù)據(jù)進行觀測和分析，可以克服單個傳感器的不確定性和局限性，提高整個火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的智能性和可靠性。

一、數(shù)據(jù)融合方法

多傳感器數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵在于應(yīng)用多個傳感器數(shù)據(jù)資源，利用中央處理器對數(shù)據(jù)信息進行分析處理，以實現(xiàn)對被測對象的解釋^[1]。通常來講，多傳感器數(shù)據(jù)融合包括數(shù)據(jù)收集、特征提取、模式識別、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)融合等步驟。其中，數(shù)據(jù)融合指的是利用融合算法將目標的各傳感器數(shù)據(jù)進行合成，得到該目標的一致性解釋與描述。該步驟是多傳感器數(shù)據(jù)融合的核心，主要通過將多個傳感器的數(shù)據(jù)進行綜合處理，得到比單個傳感器更全面、更準確的信息。

常見的數(shù)據(jù)融合方法包括加權(quán)平均法、卡爾曼濾波、貝葉斯估計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。其中，自適應(yīng)加權(quán)融合估計算法因其不要求知道傳感器測量數(shù)據(jù)的任何先驗知識，僅依靠傳感器提供的測量數(shù)據(jù)即可得出均方誤差最小的數(shù)據(jù)融合值，因此被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中。在本系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用自適應(yīng)加權(quán)融合估計算法，對多個傳感器的數(shù)據(jù)進行綜合分析和處理，自適應(yīng)加權(quán)融合估計算法模型如圖1所示。在火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中，由于各個傳感器都有自己的加權(quán)數(shù)，因此在總均方誤差最小這一條件下，結(jié)合各個傳感器得出的測量值會通過自適應(yīng)方式來找到和其對應(yīng)的權(quán)重值，確保融合后得出最優(yōu)值。

設(shè)定火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中各個傳感器的方差分別為σ₁，σ₂，……，σ_n，傳感器測量值為X₁，X₂，…X_n，傳感器加權(quán)因子為W₁，W₂，…，W_n，在引入加權(quán)因子之后得出傳感器數(shù)據(jù)融合值表達式為：

總均方差為：

σ²=E[（X-）²]=E∑ni=1W_i（X-X_i）²+2E∑ni=j=1W_iW_j（X-X_i）（X-X_j）

式中，σ²為加權(quán)因子Wi的多元二次函數(shù)，其最小值即為加權(quán)因子滿足歸一化約束條件下的多元函數(shù)極值。

二、智能火災(zāi)預(yù)警硬件設(shè)計

本文所設(shè)計的融合多傳感器數(shù)據(jù)的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)框架如圖2所示。由此圖可以看出，該系統(tǒng)主要是由單片機、溫度傳感器、煙霧傳感器、LCD液晶顯示器、電源以及蜂鳴報警器等部分組成。

在出現(xiàn)火災(zāi)險情時，安裝在現(xiàn)場的溫度傳感器以及煙霧傳感器會自動對火災(zāi)現(xiàn)場的溫度以及煙霧數(shù)據(jù)進行采集，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，再通過放大電路對電信號進行處理^[2]。最終轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，發(fā)送至主控制器，控制器會將該數(shù)據(jù)和設(shè)定的報警閾值進行比較，如果該數(shù)據(jù)超出了閾值范圍，系統(tǒng)會自動發(fā)出警報，并同時將采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在LED液晶顯示屏上。

（一）單片機

本文所設(shè)計的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)使用的單片機型號為STM32F103C8T6，其具有功耗較低、性能優(yōu)異等優(yōu)點，基于ARM Cortex-M3的32位RISC內(nèi)核，并與之完全兼容，主頻最高可達72MHz，擁有強大的處理能力。該單片機的工作電壓范圍為2.0V—3.6V，標準電壓為3.3V，支持在線編程、串口下載、JTAG仿真等多種編程方式，全雙工串行通信口具有強大、可靠的通信功能，足以勝任智能火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計工作。

在進行本文實例設(shè)計工作中，結(jié)合分析實例電路的各種具體邏輯設(shè)計及其功能需求，單片機可以實現(xiàn)接收讀盤卡模塊所接收發(fā)送的反饋過來的數(shù)據(jù)，并通過邏輯運算并處理其輸出數(shù)據(jù)。單片機可以通過控制蜂鳴器進行動作，并同時控制1602LCD顯示器的視頻輸出信號與音頻顯示的輸出信號以及同步處理從鍵盤屏幕上反饋過來的音頻數(shù)據(jù)等，單片機引腳如圖3所示。

（二）傳感器

本系統(tǒng)設(shè)計所使用的傳感器主要為溫度傳感器、煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳌．?dāng)溫度升高所導(dǎo)致相應(yīng)材料逸散出有害氣體時，所采用的傳感材料的電阻阻值會隨著氣體濃度的升高而降低，此時利用IM1253B電流電壓檢測計模塊采集氣體傳感材料的電壓及電流，進而通過計算可得到傳感材料的阻值，將阻值記錄并收集，便于主控電路進行后續(xù)操作。

1.溫度傳感器

溫度傳感器采用的為LM-PT100，具有反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性強的優(yōu)點，具體的參數(shù)如表1所示。

2.煙霧傳感器

對于煙霧傳感器，本文采用了型號為C-Pro-P1型吸氣式感煙探測器，是一種通過空氣采樣管將保護區(qū)的空氣吸入探測器進行分析，從而進行火災(zāi)早期預(yù)警的裝置，具有成本低、壽命長的特點。該型號的傳感器可以探測50nm及以上粒徑的煙霧粒子，隨濃度的升高有良好的正向線性表現(xiàn)，完全可以滿足本系統(tǒng)的使用需求^[3]。在系統(tǒng)設(shè)計中，TGS800傳感器為一個具有6引腳的元器件，用于煙霧采集控制。

3.火焰?zhèn)鞲衅?/p>

本系統(tǒng)設(shè)計采用So1-V A2型火焰?zhèn)鞲衅鲗鹪春突鹧孢M行感知采集，該型號的傳感器基于鉅酸鋰單晶熱釋電效應(yīng)，配合超低噪聲場效應(yīng)管和硅襯底窄帶濾光片，保證探測器高響應(yīng)率和低噪聲。

（三）LCD1602液晶顯示屏

LCD1602液晶顯示屏具有功耗較低、體積小等優(yōu)點，因而可以利用其功能來實現(xiàn)字母、數(shù)字或者特殊字符的顯示功能^[4]。該款顯示屏可以同時連續(xù)顯示數(shù)字的兩行，每列四行都是有16個字符輸入的液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。這些字符中還可以包括最常見的阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號等。

（四）電源

電源采用基于ASM1117芯片的電源電路。ASM1117電路是個正向低壓穩(wěn)壓器，精度為±1%，包括輸入電源濾波、穩(wěn)壓電路和輸出電源濾波等，具有穩(wěn)定輸出電壓的特點。電源模塊的電路圖如圖4所示。

（五）蜂鳴器

蜂鳴報警器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，通過電流的變化使內(nèi)部的振動片快速振動，進而產(chǎn)生聲音。根據(jù)工作原理和供電方式的不同，蜂鳴報警器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。本系統(tǒng)設(shè)計采用了型號為FT-10.5T-9.0A1的常規(guī)壓電式蜂鳴器，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

三、智能火災(zāi)預(yù)警軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包含了從對溫度、煙霧、火焰的采集、數(shù)據(jù)信息傳輸、多傳感器數(shù)據(jù)融合到LCD顯示以及蜂鳴器報警整個環(huán)節(jié)，火災(zāi)報警系統(tǒng)流程如圖5所示。

本文所設(shè)計的智能火災(zāi)報警系統(tǒng)程序工作流程如下。對系統(tǒng)進行初始化，準備對溫度、煙霧以及火焰等數(shù)據(jù)信息進行采集^[5]。在現(xiàn)場溫度快速升高，出現(xiàn)煙霧和火焰時，傳感器會將采集得到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號之后發(fā)送至中央處理器，對多數(shù)據(jù)進行融合處理后，再將其和設(shè)定的報警閾值進行比對，如果該值低于報警閾值，系統(tǒng)會重新返回至初始化環(huán)節(jié)進行新一輪的采集工作。如果多傳感器數(shù)據(jù)融合數(shù)值高于了設(shè)定閾值，會在LCD顯示屏上顯示報警信息，同時蜂鳴器發(fā)出報警，提醒相關(guān)人員注意火災(zāi)情況。

結(jié)語

綜上所述，針對我國城市建筑火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)存在的靈敏度低、誤報率高等問題，本文基于多傳感器融合技術(shù)設(shè)計了一款智能火災(zāi)報警系統(tǒng)。該火災(zāi)報警系統(tǒng)可以實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)、煙霧數(shù)據(jù)以及火焰數(shù)據(jù)的采集和分析，在最大程度上降低火災(zāi)報警系統(tǒng)靈敏度較低以及存在誤報警的情況，提升了火災(zāi)報警系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和精準度，實現(xiàn)了對早期火災(zāi)的智能化監(jiān)測，在智慧消防以及智慧樓宇建設(shè)方面具有一定的實用價值。

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