于 標(biāo), 王 月

(揚州職業(yè)大學(xué), 江蘇 揚州 225009)

火焰探測一直以來是一個未完全解決好的問題,雖有溫度探測法、煙霧探測法、紅外線探測法、溫度與煙霧綜合探測法等多種探測方法,但都存在一定的局限性,影響火情探測的準(zhǔn)確性[1]。目前,火焰探測器的技術(shù)較領(lǐng)先的是美國、日本、歐洲。近年來，我國的火焰探測器技術(shù)研究與產(chǎn)品化也有長足發(fā)展,國內(nèi)許多企業(yè)生產(chǎn)了不少品質(zhì)優(yōu)良的火焰探測器。

火焰的熱輻射光譜同時表現(xiàn)有固體輻射的連續(xù)光譜和氣體輻射的離散光譜。不同可燃物產(chǎn)生的火焰輻射強度與對應(yīng)光譜波長分布是不完全相同的,一般認(rèn)為其對應(yīng)火焰光譜1～2μm近紅外光波域擁有最強的輻射能量[1]。發(fā)熱物體可以輻射出紅外線,一般的低溫物體通常不會輻射紫外線。只有火焰既輻射出紫外線,又輻射出紅外線,含碳物質(zhì)燃燒時發(fā)出的輻射在特定波長4.3μm處與熱物體輻射的紅外線有明顯的區(qū)分,依據(jù)該區(qū)分,雙波長火焰?zhèn)鞲衅骺商岣呒t外探測的可靠性,增加紫外探測判據(jù)就大幅提高了火焰?zhèn)鞲衅魈綔y的可靠性[2]。雙波段紅外火焰探測器的檢測原理是通過檢測火焰輻射出的紅外線來識別火災(zāi)。兩個不同波長的傳感器相結(jié)合,能有效區(qū)分發(fā)熱體發(fā)出的紅外線與火焰輻射的紅外線,避免了火災(zāi)的誤報警[3]。三波段紅外火焰探測器比二波段紅外火焰探測器增加了一個紅外波長的探測,仍是通過檢測火焰輻射出的紅外線來識別火災(zāi)。其原理是選用兩個熱釋電紅外傳感器檢測火焰輻射的兩個特定波長范圍的紅外光譜的變化,另一個熱釋電傳感器檢測火焰輻射的紅外線能量。三個不同波長的傳感器相結(jié)合,有效地區(qū)分了發(fā)熱體與火焰的紅外線譜[4]。

采用技術(shù)手段檢測火災(zāi)隱患,對防止實驗室意外發(fā)生火災(zāi)有重要的現(xiàn)實意義。點型多波段紅外火焰探測技術(shù)是目前火災(zāi)及時預(yù)警的最佳方案之一,本火警檢測無線傳感器節(jié)點選用的火焰探測器是LVF001-C火焰檢測傳感器。對火焰的特征紅外線進(jìn)行檢測,依此判斷火災(zāi)是否發(fā)生,具有響應(yīng)速度更快,判斷更準(zhǔn)確的優(yōu)點。該火焰檢測傳感器與通信模塊及CPU構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,并組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳送實驗室環(huán)境參數(shù)至數(shù)據(jù)終端,供實驗室管理者實時了解實驗室的狀況,及時處理火災(zāi)險情。

1 實驗室火焰檢測電路設(shè)計

1.1 火焰檢測傳感器LVF001-C

對實驗室是否有火警事件發(fā)生,有多種技術(shù)手段可以檢測火情。本設(shè)計為了簡單可靠,選用LVF001-C火焰檢測傳感器。LVF001-C火焰檢測傳感器是通過火焰燃燒時產(chǎn)生的特征紅外線來檢測是否發(fā)生了火災(zāi),比傳統(tǒng)感煙型與感溫型傳感器響應(yīng)速度更快,更準(zhǔn)確?；鹧嫒紵龝r會發(fā)出特定的紅外線譜,約在4000～4500nm之間,LVF001-C的中心波長4480±90nm,半高寬620±10nm。LVF001-C由低噪聲結(jié)型場效應(yīng)管、超薄鉭酸鋰單晶敏感元、高透過率窄帶濾光片等部件組成。廣泛用于各種中大型倉儲與高檔住宅等場所,是點型多波段紅外探測技術(shù),其響應(yīng)率高,響應(yīng)時間快,抗干擾能力強,是目前火災(zāi)預(yù)警技術(shù)最佳方案之一。

1.2火焰檢測傳感器LVF001-C調(diào)理電路設(shè)計

LVF001-C的電氣參數(shù)如下:工作電壓Vd=2～15V,偏置電壓Vs=0.4～0.8V。典型測試條件下源極輸出電流28μA,R10取47kΩ,會有一微小的信號us=1.316mV的電壓產(chǎn)生。

圖1是LVF001-C調(diào)理電路圖,電阻R10上的電壓為Vs+1.316mV,其背景電壓數(shù)值為0.4～0.8V,該背景電壓不是信號電壓,所以第一級放大器放大倍數(shù)取5,輸出電壓在2～4V，有效信號放大后為6.58mV,由100μF的電容耦合到下一級。第二級放大器放大倍數(shù)取200,信號被放大為1.316V,一級放大器的放大倍數(shù)不宜取得太大,否則極易造成放大器工作不穩(wěn)定。第三級放大器放大倍數(shù)取3,信號放大為3.948V,滿足TTL電平的單片機對接口電平的要求。各電阻取值如下:R1=100kΩ,R2=R3=20kΩ,R4=510kΩ,R5=R6=2.5kΩ,R7=100kΩ,R8=R9=32kΩ。三級放大倍數(shù)理論計算值分別為:5、204、3.125,滿足使用要求。

圖1 LVF001-C調(diào)理電路

2 實驗室火警檢測節(jié)點電路設(shè)計

圖2是火焰檢測節(jié)點電路圖。無線模塊選用基于nRF24L01構(gòu)成的無線模塊產(chǎn)品,通信范圍在30～40m左右,帶天線型的通信范圍可達(dá)100m。該無線通信模塊有125個工作頻道,6個數(shù)據(jù)接收通道,每個頻道可有5B地址配置,工作模式有6種,可配置成數(shù)據(jù)傳送硬件自動應(yīng)答與重發(fā)功能,具有低功耗和低價格的優(yōu)點。

圖2 火焰檢測節(jié)點電路

2.1 nRF24L0的SPI串行通信協(xié)議

nRF24L01芯片是SPI串行通信協(xié)議。SPI串行通信協(xié)議是四線式串行通信方式,CSN為使能信號,低電平有效,SCK是時鐘節(jié)拍,同步收發(fā)雙方數(shù)據(jù)位接收的時刻[5]。

圖3 nRF24L0寫操作時序圖,nRF24L0的SPI寫操為有指令位、數(shù)據(jù)位、狀態(tài)位,分別為Ci、Di、Si。第一個讀出的字節(jié)是狀態(tài)寄存器字節(jié),一個字節(jié)長。主機向nRF24L01寫入第一個操作命令時,nRF24L01會同時在MISO引腳回送1B的狀態(tài)寄存器字節(jié),必須要讀出,可棄用。nRF24L0的SPI協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)傳送的順序是從數(shù)據(jù)低字節(jié)的高位進(jìn)行讀操作,或者寫操作。

圖3 nRF24L0寫操作時序圖

2.2無線通信電路設(shè)計

控制器選用Atmel公司的Mega8L單片機,工作電壓是3.3V,其硬件SPI協(xié)議接口可與nRF24L01模塊直接電氣聯(lián)接,兩者信號線之間串接1kΩ的電阻起限流作用,無線模塊信號引腳可與5V電平的單片機引腳直接連接[6]?；鹧鏅z測節(jié)點電路為圖2所示,高電平表示有火情,低電平表示無火情。本節(jié)點地址有5位跳線,可有32個不同的編址,配置給32個實驗室使用。一旦有火情發(fā)生,程序則不間斷地報警,直到按下Key鍵后,由程序判斷是否停止報警。

3 實驗室火警檢測節(jié)點程序設(shè)計

實驗室火警檢測對程序功能有兩個要求,一是實時檢測室內(nèi)火警情況并主動上傳報警數(shù)據(jù),二是室內(nèi)主節(jié)點間數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

3.1 nRF24L01配置程序設(shè)計

nRF24L01是可程序配置的無線通信芯片,其工作方式和功能均由配置字決定。由于nRF24L01模塊的配置字長短不一,命令格式為:1B指令代碼+1B參數(shù)與1B指令代碼+5B參數(shù)，為了方便配置功能實現(xiàn),編制了2字節(jié)長的配置字程序void wwrite(char addr,char command,char i)函數(shù)和6字節(jié)長的配置字程序void wwwrite(char addr, char pp)函數(shù)。解決了nRF24L01模塊的配置工作,并方便模塊發(fā)射與接收功能轉(zhuǎn)換時收發(fā)信道的切換操作。由void cconfig(void)配置函數(shù)調(diào)用這兩個函數(shù)完成模塊的配置工作。

3.2 火焰檢測程序設(shè)計

實驗室中可能引起火災(zāi)的隱患很多,如儀器設(shè)備絕緣老化破損，或者儀器設(shè)備中的元器件老化失效引起電打火,或者易燃易爆的化學(xué)物品泄漏等。對電子器件與電工器材而言,都有一定的使用期限,有一定的生命期,不確定何時何物會出什么問題。因此，火警檢測程序必須不間斷地檢測單片機PD4引腳上的信號電平。此信號電平已由火焰檢測調(diào)理電路處理成了TTL邏輯信號1與0。

3.3 火警檢測主程序設(shè)計

火警檢測主程序的結(jié)構(gòu)是一個無限循環(huán)結(jié)構(gòu),當(dāng)發(fā)生實驗室火警事件后,每隔約2.5s發(fā)一次報警信息,實驗室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要以事件驅(qū)動方式工作[7]。由實驗室主節(jié)點存儲該數(shù)據(jù),然后通過WSN網(wǎng)絡(luò)上傳至數(shù)據(jù)終端,供實驗室管理人員及時了解并進(jìn)行有效處理,提高了維護(hù)實驗室安全的及時性與科學(xué)性。

3.4 節(jié)點通信程序設(shè)計

節(jié)點通信程序要完成的功能有兩個：一是待機接收主節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)幀,二是向主節(jié)點發(fā)送火警數(shù)據(jù)幀。向主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時,程序需要重新配置一下收發(fā)信道的地址,即將接收時的收發(fā)信道地址交換一下,并將模塊配置成發(fā)射狀態(tài)。一旦完成發(fā)射工作后,程序再配置模塊為接收狀態(tài)。

由于火警檢測與接收主節(jié)點的數(shù)據(jù)幀是兩個都要完成的任務(wù),單CPU的應(yīng)用電路是一個串行的任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng),為了完成雙任務(wù)的工作要求,本程序采用兩個時間段輪巡的工作方式,分時復(fù)用CPU資源。兩個任務(wù)都用查詢的方式占用CPU的控制權(quán)。圖4是火警檢測主程序流程圖。

圖4 火警檢測主程序流程

4 結(jié)論

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選用了32個主節(jié)點,3個中繼節(jié)點,1個數(shù)據(jù)終端節(jié)點,每個主節(jié)點配置5個子節(jié)點,構(gòu)成一個星型層次結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了實驗室用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。1個主節(jié)點對應(yīng)一個實驗室,5個子節(jié)點作為實驗室內(nèi)5種環(huán)境參數(shù)檢測與數(shù)據(jù)傳送的節(jié)點使用,它們與主節(jié)點構(gòu)成星型通信結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用事件驅(qū)動方式為主要工作方式,時間驅(qū)動方式為輔助工作方式。網(wǎng)絡(luò)通信軟件功能正?？山M網(wǎng)運行。火焰檢測調(diào)理電路經(jīng)調(diào)試可正常工作,由CPU檢測其火警信號有無,能對火警做出正確判斷。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?？梢詳U(kuò)展,數(shù)量上能滿足高校一個學(xué)院的實驗室要求,中繼節(jié)點數(shù)量也可擴(kuò)展,滿足信息傳送距離變化的要求,技術(shù)應(yīng)用上具有一定的先進(jìn)性,易于工程實現(xiàn)。