余 浩，程 科，張自強(qiáng)

（江蘇科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212100）

火災(zāi)指的是在人為不可控制的情況下，發(fā)生的一種自由蔓延、產(chǎn)生一定危害的行為。根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]對(duì)我國(guó)城鎮(zhèn)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究，說(shuō)明了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防控的必要性，以及通過火災(zāi)探測(cè)器技術(shù)降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的可行性。

現(xiàn)有的火災(zāi)探測(cè)器原理[4-9]主要有煙霧檢測(cè)、輻射監(jiān)測(cè)、溫度檢測(cè)、氣體檢測(cè)、圖像分析和聲音檢測(cè)。其中基于聲音檢測(cè)的火災(zāi)探測(cè)器因?yàn)榧夹g(shù)不成熟一直未被市場(chǎng)應(yīng)用。該文根據(jù)火災(zāi)燃燒發(fā)出的聲音（燃燒音）特征設(shè)計(jì)一種火災(zāi)探測(cè)器，結(jié)合燃燒試體實(shí)驗(yàn)分析，該探測(cè)器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、誤報(bào)率低等特點(diǎn)，相較于其他類型的火災(zāi)探測(cè)器，具有更強(qiáng)的實(shí)用性價(jià)值，也為今后這方面的研究提供有用的參考價(jià)值。

1 燃燒產(chǎn)生的聲音特征

在燃燒時(shí)，燃燒介質(zhì)內(nèi)部分子受熱碰撞產(chǎn)生的聲壓激發(fā)周圍的空氣媒質(zhì)產(chǎn)生各種頻率的震動(dòng)，即聲音。該設(shè)計(jì)根據(jù)這些聲音特征判斷分析火災(zāi)是否發(fā)生，因此需要有效區(qū)分這些聲音與其他聲音，以便分離它們，讓探測(cè)器不誤報(bào)警。因此需要把握這些聲音的特征，具體做法是將燃燒產(chǎn)生的聲音頻帶作為對(duì)象進(jìn)行研究和考慮。在研究之前，通過對(duì)這些聲音的頻譜分析，發(fā)現(xiàn)頻率范圍較為豐富，大致分為三部分：

1）可聽域，人耳可以聽到的聲音頻帶，通常頻率范圍為20～20 000 Hz，日常生活環(huán)境中的各種雜音在這個(gè)頻帶，如果在這個(gè)頻帶要將燃燒的聲音與這些雜音分離出來(lái)非常困難，因此不考慮這個(gè)頻帶的聲音。

2）超聲波域，頻率大于20 000 Hz 的聲音頻帶，是一種人耳不能聽到的聲波頻帶。在這個(gè)頻帶中，日常雜音非常少，但是由于波形頻率高、波長(zhǎng)短導(dǎo)致傳播距離短、抗干擾能力弱等缺點(diǎn)，且有的物質(zhì)燃燒不產(chǎn)生在該頻帶的聲音，所以這個(gè)頻帶的聲音也不適用于火災(zāi)探測(cè)分析。

3）次聲波域，頻率小于20 Hz 的聲音頻率，同超聲波一樣也是一種人耳不能聽到的聲波頻帶，日常雜音也很少。由于波形長(zhǎng)、頻率低的特點(diǎn)，波形具有傳播距離遠(yuǎn)、能繞過障礙物等優(yōu)點(diǎn)。另外，次聲波還具有極強(qiáng)的穿透性，能夠穿透鋼筋水泥構(gòu)成的建筑。在不同物質(zhì)燃燒時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生這個(gè)頻帶的聲音。因此，結(jié)合這些優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于次聲波檢測(cè)的火災(zāi)探測(cè)器是一種最有效的方法。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體可以看成由信號(hào)采集、信號(hào)處理、報(bào)警輸出、電源管理四個(gè)部分組成。信號(hào)采集部分使用高精度麥克風(fēng)作為探頭，由A/D 轉(zhuǎn)換芯片將采集的模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。信號(hào)處理部分以STM32 單片機(jī)作為處理單元，分析由A/D 轉(zhuǎn)換芯片輸出的數(shù)字信號(hào)，判斷火災(zāi)是否發(fā)生。報(bào)警輸出部分由蜂鳴器模塊和RS485 總線構(gòu)成，蜂鳴器以聲音形式報(bào)警，RS485 總線輸出波形及其他數(shù)據(jù)。除了硬件部分，該系統(tǒng)還包含基于Qt[10-11]開發(fā)的上位機(jī)部分，用于波形顯示和數(shù)據(jù)查看。系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

3 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件電路設(shè)計(jì)主要包括各模塊電路設(shè)計(jì)和整體電源電路設(shè)計(jì)。

3.1 主控電路

系統(tǒng)核心處理單元采用高性能ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6 微控制器，工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置64 kB ROM 和20 kB RAM，具有豐富的外設(shè)，且還有功耗低、成本低等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)主控電路時(shí)，不僅滿足最小系統(tǒng)要求，還增加串口、SWD 等調(diào)試下載接口。主控電路圖如圖2 所示。

圖2 主控電路圖

3.2 信號(hào)采集電路

麥克風(fēng)探頭型號(hào)采用GRAS 的47AC，該探頭專為次聲波設(shè)計(jì)，在1 dB 情況下，頻率檢測(cè)范圍為1 Hz～10 kHz，在3 dB情況下，頻率檢測(cè)范圍為0.09 Hz～20 kHz，前置放大器用于自動(dòng)傳感器的TEDS 識(shí)別和讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。另外還需要數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，用來(lái)將麥克風(fēng)采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。該電路采用德州儀器（TI）公司的一款用于小信號(hào)傳感器的低功耗、低噪聲的24 位ADC 芯片，型號(hào)為ADS1220。該芯片有兩個(gè)差分輸入或四個(gè)單端輸入，內(nèi)部具有2.048 V基準(zhǔn)電壓，其漂移為5 ppm/℃。可通過標(biāo)準(zhǔn)SPI 接口更改芯片內(nèi)部的增益、采集模式、采樣周期等，其可與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)應(yīng)的信號(hào)采集電路如圖3 所示。

圖3 信號(hào)采集電路圖

3.3 報(bào)警及輸出電路

報(bào)警部分由蜂鳴器組成，蜂鳴器由PNP 三極管（型號(hào)S8550）和NPN 三極管（型號(hào)S8050）組成的放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)IO 口進(jìn)行輸出。除了聲音報(bào)警，還添加了RS485 接口用于數(shù)據(jù)輸出，采用了MAX13487 芯片，該芯片具有自動(dòng)收發(fā)功能，相較于其他芯片，可以不用單片機(jī)IO 控制收發(fā)器狀態(tài)。RS485 通信接口是嵌入式領(lǐng)域中最流行的異步串行通信接口之一，只需AB 兩根線。

3.4 電源電路

電源給整個(gè)電路供給能量，電源電路設(shè)計(jì)的好壞會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，穩(wěn)定平滑的直流電源可使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。該設(shè)計(jì)中，需要對(duì)麥克風(fēng)、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)等供電，每個(gè)部分供電需求不相同，因此電源可分為五個(gè)部分設(shè)計(jì)，分別為：電源輸入濾波電路，起到EMC 濾波、抑制浪涌、防止反接的作用；主電源變換電路，實(shí)現(xiàn)將輸入的6～16 V 直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5 V 電源，供給各部分電路使用；數(shù)模轉(zhuǎn)換電源電路，作用是將5 V 直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的正負(fù)2.5 V 電源，給AD 芯片供電；單片機(jī)電源電路，作用是將5 V 直流電轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可用的3.3 V 穩(wěn)定直流電；麥克風(fēng)電源電路，由于麥克風(fēng)的供電是30 V，需要升壓電路將5 V 直流電壓升壓到30 V，同時(shí)滿足2 mA 的輸出能力，并將信號(hào)隔離直流后提供給AD 芯片。其中麥克風(fēng)電源及信號(hào)取出電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 麥克風(fēng)電源及信號(hào)取出電路

4 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)使用Keil MDK-ARM 開發(fā)環(huán)境編寫程序，Keil MDK-ARM 是美國(guó)Keil 軟件公司出品的支持ARM 微控制器的一款I(lǐng)DE（集成開發(fā)環(huán)境），包含了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Keil C 編譯器、宏編譯器、調(diào)試器、實(shí)時(shí)內(nèi)核等組件。單片機(jī)開發(fā)語(yǔ)言使用C 語(yǔ)言，C 語(yǔ)言是一種面向過程的語(yǔ)言，多用于應(yīng)用底層開發(fā)，所以在單片機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。系統(tǒng)運(yùn)行FreeRTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)運(yùn)行，充分使用單片機(jī)資源，讓程序高效運(yùn)行。另外該實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有占用內(nèi)存小、開源免費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍越來(lái)越大。

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行包括信號(hào)采集、信號(hào)處理、報(bào)警輸出三個(gè)部分。信號(hào)采集部分是單片機(jī)控制A/D 芯片連續(xù)采集1 024 個(gè)數(shù)據(jù)，采樣頻率為10 Hz。信號(hào)處理部分對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷。報(bào)警輸出部分對(duì)分析結(jié)果做出相應(yīng)的預(yù)警提示。具體的軟件流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件流程圖

系統(tǒng)需要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，包括時(shí)域分析和頻域分析。時(shí)域分析，即對(duì)采集的聲波信號(hào)的幅值和時(shí)間之間的關(guān)系進(jìn)行分析，主要分析的內(nèi)容有幅值、平均值、均方差、最大可能值等。由于燃燒聲音信號(hào)是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，因此不具備實(shí)際研究意義。從文獻(xiàn)[12-14]了解到，對(duì)信號(hào)頻域分析更具有意義，這需要對(duì)采集的聲波信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換[15]，傅里葉變換的原理：任何連續(xù)測(cè)量的時(shí)序或信號(hào),都可以表示為不同頻率的正弦波信號(hào)的無(wú)限疊加，如式（1）所示：

通過對(duì)燃燒產(chǎn)生的次聲波信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到線性頻譜，通過分析頻譜特性，最終達(dá)到火災(zāi)探測(cè)的目的。在分析次聲波頻譜的過程中，環(huán)境中也存在其他次聲波的干擾，稱為背景噪音，背景噪音能量變化一般不大，而在燃燒過程中，隨著火勢(shì)越來(lái)越劇烈，產(chǎn)生的次聲波能量越來(lái)越大，隨著時(shí)間的推移，燃燒時(shí)和不燃燒時(shí)，在強(qiáng)度上會(huì)產(chǎn)生越來(lái)越大的差異。可以比較對(duì)能量譜進(jìn)行積分后的變化曲線，來(lái)排除環(huán)境噪音的影響。

5 上位機(jī)設(shè)計(jì)

Qt 作為一種跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，支持的平臺(tái)包括Windows、Linux、Mac 等桌面操作系統(tǒng)，還支持移動(dòng)開發(fā)平臺(tái)，如安卓、IOS等，這對(duì)嵌入式行業(yè)的開發(fā)者來(lái)說(shuō)，能夠做到在不同平臺(tái)編譯開發(fā)只需一套代碼。

該設(shè)計(jì)需要對(duì)采集的次聲波波形進(jìn)行分析調(diào)試，離不開波形數(shù)據(jù)的輸出顯示，所以基于Qt 開發(fā)一種GUI界面，用于探測(cè)器波形數(shù)據(jù)顯示是必不可少的。

Qt 是面向?qū)ο箝_發(fā)[16]，面向?qū)ο蠓椒ㄊ菍⑾嚓P(guān)的數(shù)據(jù)和方法封裝成一個(gè)整體，通常稱為對(duì)象。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能時(shí)，只需調(diào)用對(duì)應(yīng)功能對(duì)象方法即可。在該設(shè)計(jì)中，探測(cè)器輸出使用RS485 接口，使用的是串口(UART)通信協(xié)議，UART 是一種串行異步通信收發(fā)協(xié)議，應(yīng)用十分廣泛，其工作原理是將數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位一位一位進(jìn)行傳輸，UART 傳輸過程中，接收雙方需要約定好傳輸速率和一些數(shù)據(jù)位。在Qt 開發(fā)中，不需要考慮這些參數(shù)，因?yàn)镼t 自帶QSerialPort 類(Qt5 封裝的串口類)[17]，通過配置這個(gè)類的名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位等參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)串口通信，不需要考慮通信的具體方式。

要實(shí)現(xiàn)探測(cè)器與Qt 通信，不僅在協(xié)議上要約定一致，還需要在電氣特性標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致。探測(cè)器使用RS485 接口，這需要借助RS485 收發(fā)器作為計(jì)算機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與探測(cè)器的數(shù)據(jù)傳輸。RS485 收發(fā)器是一種USB 轉(zhuǎn)RS485 的硬件設(shè)備，通常只需將USB 端與計(jì)算機(jī)連接，安裝好相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)就能使用。

6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

6.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備兩個(gè)房間，分別作為燃燒室和檢測(cè)室，將探測(cè)器安裝在檢測(cè)室，探測(cè)器與電腦上位機(jī)通過RS485 連接，電腦上位機(jī)用于波形顯示。實(shí)驗(yàn)中所用到的燃燒物品如下：

1）報(bào)紙：6 cm 厚疊放在燃燒室中間臺(tái)架上。

2）棉條：一捆，放在燃燒室中間油盤內(nèi)。

3）木條：16 根15 cm×5 cm×5 cm 交錯(cuò)疊放在燃燒室中間臺(tái)架上，共四層。

6.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，門窗全部打開。

實(shí)驗(yàn)過程中，在各個(gè)試體燃燒20 s 和40 s 時(shí)記錄波形，并保存分析。

6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，由于背景噪音不具備能量累加特性，所以只采集一次用來(lái)作比較。在不同試體燃燒時(shí)，分別在20 s 和40 s 兩個(gè)時(shí)刻進(jìn)行一段波形采集，通過對(duì)比兩次數(shù)據(jù)，不僅能夠看出背景噪音頻譜的不同，也能分析物體燃燒在能量上的變化。背景噪音采集波形如圖6（a）所示。

圖6 采集結(jié)果

接下來(lái)進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，分別燃燒報(bào)紙、棉條和木條，在燃燒后的20 s和40 s兩個(gè)時(shí)刻進(jìn)行一段波形采集，觀察兩個(gè)波形在能量分布上的變化情況。采集后的波形分別如圖6（b）（c）（d）所示。可以看出，報(bào)紙燃燒頻率主要集中在4 Hz和7 Hz，棉條燃燒頻率主要集中在在7 Hz 和11 Hz，而木條燃燒頻率主要集中在7 Hz。它們有一個(gè)共性，都在7 Hz 有一定的頻率分布，且隨著時(shí)間推移，能量也隨著增長(zhǎng)，符合初期的猜想。系統(tǒng)通過對(duì)能量積分變換，正確做出了報(bào)警。

7 結(jié)論

該次研究結(jié)果說(shuō)明了基于燃燒產(chǎn)生的次聲波聲音特征來(lái)判斷火災(zāi)是一種可行且效果不錯(cuò)的探測(cè)方式，得出了火焰燃燒產(chǎn)生的次聲波變化規(guī)律，能夠明顯縮短火災(zāi)預(yù)警時(shí)間，為消防員贏得更多救援時(shí)間。相對(duì)于其他方式的火災(zāi)探測(cè)器，基于次聲波的火災(zāi)探測(cè)器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、響應(yīng)速度快、可穿透墻體等優(yōu)點(diǎn)，利于探測(cè)器在更復(fù)雜的樓層應(yīng)用，且探測(cè)范圍更廣。