吳海潮

摘要：隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)汽車(chē)的需求逐年增加，在汽車(chē)數(shù)量增多的同時(shí)，汽車(chē)火災(zāi)事故的發(fā)生幾率也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。汽車(chē)火災(zāi)事故不僅會(huì)給人們?cè)斐删薮蟮呢?cái)產(chǎn)損失，更重要的是嚴(yán)重威脅著人們的生命安全。傳統(tǒng)的汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)使用單個(gè)傳感器，探測(cè)效率低下，因此，采用多傳感器信息融合的方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)火災(zāi)及時(shí)、準(zhǔn)確的探測(cè)與報(bào)警。首先簡(jiǎn)析汽車(chē)火災(zāi)的發(fā)生原因，確定了汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)研究思路，設(shè)計(jì)了多傳感器信息融合的車(chē)輛火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

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(guān)鍵詞：多傳感器信息融合;汽車(chē)火災(zāi);探測(cè)報(bào)警;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.1????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0212-02

0? 引言

如今，汽車(chē)是人們使用最多的出行交通工具，這些年來(lái)汽車(chē)火災(zāi)事故數(shù)量在不斷增加，由于汽車(chē)設(shè)備和系統(tǒng)的復(fù)雜，使得汽車(chē)火災(zāi)的探測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)難度較大。多傳感器信息融合技術(shù)，可從多方收集傳感器數(shù)據(jù)和信息，進(jìn)行綜合處理與分析，獲得準(zhǔn)確、全面、可靠的信息，以提高汽車(chē)火災(zāi)系統(tǒng)探測(cè)準(zhǔn)確性。汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)主要依據(jù)多個(gè)傳感器來(lái)推斷是否有火災(zāi)的發(fā)生，依靠蜂鳴器實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警。多傳感器信息融合的汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)也有助于火災(zāi)撲救和預(yù)防工作的進(jìn)行[1]。

1? 汽車(chē)火災(zāi)發(fā)生原因

1.1 電氣電路故障

是汽車(chē)火災(zāi)中最常見(jiàn)的一種起火原因，很多時(shí)候是因?yàn)槠?chē)啟動(dòng)和發(fā)動(dòng)的時(shí)候，電氣電路發(fā)生短路接觸不良，之后出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。另外電氣電路故障中最常見(jiàn)的就是電瓶故障，當(dāng)汽車(chē)電瓶存在故障后，無(wú)法正常充電和正常啟動(dòng)，導(dǎo)致電池內(nèi)的熱量不斷增加，通電的瞬間，會(huì)導(dǎo)致電氣線路溫度上身，很容易燒毀線路，引起汽車(chē)火災(zāi)事故，另外在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的一瞬間會(huì)因?yàn)檩^高的電壓導(dǎo)致了電氣電路的故障，最后引發(fā)火災(zāi)的發(fā)生。

1.2 油路故障

汽車(chē)的運(yùn)行離不開(kāi)燃油，但是燃油屬于可燃物品。在汽車(chē)的運(yùn)行過(guò)程中，燃油在相對(duì)封閉的油箱和油管中運(yùn)動(dòng)。汽車(chē)啟動(dòng)之后，汽車(chē)的發(fā)動(dòng)艙排氣系統(tǒng)和車(chē)輪等各個(gè)系統(tǒng)的溫度都會(huì)很高，會(huì)引發(fā)汽油的揮發(fā)。這些高溫度的系統(tǒng)部件會(huì)使油氣相遇，從而引發(fā)火災(zāi)。另外油路堵塞、卸油等問(wèn)題也會(huì)引發(fā)不同程度的火災(zāi)，但是比較嚴(yán)重火災(zāi)的發(fā)生位置一般是集中在汽車(chē)的油管周邊的。

1.3 機(jī)械故障

也是汽車(chē)發(fā)生火災(zāi)的主要原因之一。汽車(chē)在運(yùn)行的過(guò)程中最容易出現(xiàn)的問(wèn)題就是發(fā)動(dòng)機(jī)故障。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是汽車(chē)行駛中非常重要的系統(tǒng)，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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不利影響，無(wú)法及時(shí)、科學(xué)調(diào)整溫度，造成發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高，很多汽車(chē)運(yùn)行的時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱起火，再加上一直處于長(zhǎng)時(shí)間高速高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)高溫起火[2]。

1.4 人為與環(huán)境影響

也不排除人為因素造成汽車(chē)火災(zāi)，如果吸煙者沒(méi)有及時(shí)將煙頭處理，當(dāng)煙頭接觸到汽車(chē)上易燃物品時(shí)將很有可能引起汽車(chē)火災(zāi)。另外，周?chē)h(huán)境也有可能引起汽車(chē)火災(zāi)事故的發(fā)生，空氣指數(shù)、外界氣溫、嚴(yán)重氣候等環(huán)境因素有可能會(huì)引發(fā)微小的電氣故障，加上汽車(chē)內(nèi)部各設(shè)備和線路之間接觸較為緊密，當(dāng)某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障以后也可能會(huì)引起其他設(shè)備的故障，從而對(duì)汽車(chē)的正常狀態(tài)產(chǎn)生影響，容易引起火災(zāi)。

2? 多傳感器融合的汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

2.1 汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)特征量的確定

汽車(chē)發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候會(huì)有很多明顯的特征，對(duì)這些特征信息的全面測(cè)量可實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)情況的準(zhǔn)確、可靠判斷，為控制探測(cè)成本和降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，無(wú)法做到對(duì)眾多信息的探測(cè)，因此，對(duì)汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)特征量的選擇，要適用于不同種類(lèi)汽車(chē)的探測(cè)，且探測(cè)數(shù)量不應(yīng)過(guò)多。雖然不同物品燃燒產(chǎn)生的氣體不同，但不充分燃燒情況下都會(huì)有一氧化碳?xì)怏w和煙霧的產(chǎn)生，同時(shí)燃燒會(huì)導(dǎo)致溫度升高，因此，進(jìn)行汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)可選擇一氧化碳?xì)怏w、煙霧以及溫度這三個(gè)特征量。

2.2 多傳感器信息融合過(guò)程

汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)采用了多傳感器信息融合技術(shù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息的獲取、預(yù)處理，進(jìn)行特征的提取，之后對(duì)多傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算，得出融合結(jié)果。對(duì)環(huán)境中一氧化碳、煙霧以及溫度特征量進(jìn)行采集，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子設(shè)備可識(shí)別的電信號(hào)，然后再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，供微處理器識(shí)別、計(jì)算。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中會(huì)有干擾信號(hào)和噪聲對(duì)信號(hào)處理造成影響，因此需要添加信息的預(yù)處理過(guò)程，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行除噪和濾波以后再提取特征，這樣處理得到的融合結(jié)果較為準(zhǔn)確[3]。

2.3 多傳感器報(bào)警過(guò)程

采用多傳感器分別對(duì)汽車(chē)火災(zāi)特征信息進(jìn)行收集，獲得現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后經(jīng)系統(tǒng)核心板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，數(shù)據(jù)分析模塊通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相關(guān)數(shù)值，和設(shè)定的正常數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，得出兩種數(shù)據(jù)的差值，若判定發(fā)生火災(zāi)，則觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，也可將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)顯示屏顯示，并且同時(shí)將系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到用戶智能設(shè)備中，起到預(yù)報(bào)提醒和火災(zāi)報(bào)警的作用。

3? 多傳感器信息融合的汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)思路分析和多傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)核心控制器選用的是MC9S12XS128型號(hào)的主控板，按照汽車(chē)火災(zāi)特征信息，在傳感器模塊的設(shè)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(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)信息可通過(guò)液晶屏顯示出來(lái)，此模塊選擇了LCD12864點(diǎn)陣液晶顯示模塊，還通過(guò)與主控板的接口相連，設(shè)計(jì)了蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。首先汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)模塊與主控板內(nèi)置的ATD模塊相連，可將各個(gè)傳感器收集的溫度、CO和煙霧等數(shù)據(jù)信息傳遞到核心控制板中，通過(guò)直流電源為主控板提供5V的工作電壓，單片機(jī)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(jī)I/O口連接，當(dāng)探測(cè)數(shù)值達(dá)到一定高度時(shí)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，其實(shí)時(shí)探測(cè)數(shù)據(jù)也可通過(guò)液晶顯示模塊顯示出來(lái)。

3.2 主要硬件模塊的選型與設(shè)計(jì)

3.2.1 MC9S12XS128主控板

單片機(jī)是整個(gè)汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的核心控制板，其上邊可以集成各種設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)探測(cè)與報(bào)警功能，因此，主控板的質(zhì)量關(guān)乎著系統(tǒng)的運(yùn)行效果，系統(tǒng)選擇飛思卡爾公司的S12XS系列MC9S12XS128單片機(jī)，是一款增強(qiáng)型的16位單片機(jī)，此主控板擁有豐富的外部I/O接口和內(nèi)部存儲(chǔ)器，在存儲(chǔ)器的容量上具有8KB數(shù)據(jù)Flash和128KB程序Flash。此型號(hào)單片機(jī)因其優(yōu)越性能已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域。

在MC9S12XS128主控板的電源電路設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化為12VDC的直流電壓，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部LM2940芯片將12V轉(zhuǎn)化為5VDC后才能為單片機(jī)供電。

在蜂鳴器電路的設(shè)計(jì)上：蜂鳴器采用NPN型三級(jí)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，三極管在此起到開(kāi)關(guān)的作用，當(dāng)蜂鳴器輸入為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器蜂鳴報(bào)警;當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器則就會(huì)停止蜂鳴[4]。

3.2.2 傳感器模塊

當(dāng)汽車(chē)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于不充分燃燒會(huì)造成一氧化碳濃度增加，同時(shí)伴隨大量的煙霧，燃燒以及煙霧導(dǎo)致環(huán)境溫度升高，因此，汽車(chē)火災(zāi)的探測(cè)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(duì)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(shí)間，其檢測(cè)煙霧的范圍在100ppm到10000ppm之間，具有響應(yīng)快、靈敏度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)?；馂?zāi)產(chǎn)生的煙霧會(huì)影響MQ-2煙霧傳感器的導(dǎo)電率，煙霧越大，導(dǎo)電率越小，輸出模擬信號(hào)就越大，將其門(mén)限電壓與輸出電壓相比，就可完成汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)模塊的檢測(cè)功能。

②一氧化碳傳感器。此系統(tǒng)選擇MQ-7型號(hào)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(guò)氣體電離獲得不同等效電阻，由此計(jì)算出一氧化碳?xì)怏w的濃度。適用于家庭、工業(yè)上的一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)與報(bào)警，可檢測(cè)濃度在10ppm到1000ppm之間的CO氣體，測(cè)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(yù)熱，且在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(hào)溫度傳感器，其擁有獨(dú)特的單線模式，即通過(guò)一條總線即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，與上述兩個(gè)傳感器都有著體型小的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于機(jī)房、汽車(chē)甚至空間狹小的場(chǎng)地。其對(duì)溫度的檢測(cè)范圍在零下55度和125度之間，固有檢測(cè)范圍精度大概在0.5度，測(cè)量結(jié)果是以9到12位的數(shù)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(diǎn)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(shí)序，在此系統(tǒng)中采用并口通訊，在液晶顯示屏上，英文字符占一個(gè)字節(jié)，中文占兩個(gè)字節(jié)，通過(guò)忙檢查、寫(xiě)數(shù)據(jù)、寫(xiě)指令、初始化這四個(gè)控制函數(shù)，就可以完成LCD12864顯示屏將對(duì)汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的呈現(xiàn)。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，人們對(duì)于汽車(chē)的使用已經(jīng)較為普遍，但汽車(chē)火災(zāi)事故原因復(fù)雜，發(fā)生幾率也在逐年上升。多傳感器信息融合技術(shù)的應(yīng)用，可有效減少傳統(tǒng)單一傳感器系統(tǒng)存在的汽車(chē)火災(zāi)險(xiǎn)情的誤報(bào)、漏報(bào)等情況，通過(guò)對(duì)核心單片機(jī)、傳感器等模塊的選型與研究，設(shè)計(jì)了多傳感器信息融合的汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，提高了汽車(chē)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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