胡保玲 王全樂 任坤

摘 要：針對智能樓宇發(fā)生火災(zāi)率較高、安全隱患較大的問題，設(shè)計了一種多源信息融合的智能樓宇火災(zāi)報警系統(tǒng)，以快速精確地實現(xiàn)火災(zāi)報警。分析了智能樓宇火災(zāi)報警系統(tǒng)的需求，并對其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，搭建該系統(tǒng)的硬件功能模塊，包含單片機(jī)及其最小系統(tǒng)單元、溫度檢測模塊、煙霧檢測模塊、數(shù)碼管顯示模塊、聲光報警模塊和按鍵模塊。并對不同功能模塊的軟件進(jìn)行分析設(shè)計，以驅(qū)動該系統(tǒng)正常工作。再通過軟件仿真驗證了系統(tǒng)可行性，并對所設(shè)計的實物裝置進(jìn)行了溫度與煙霧檢測試驗。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的多源信息融合火災(zāi)報警系統(tǒng)具有靈敏度強(qiáng)與準(zhǔn)確度高的特性。

關(guān)鍵詞：多源信息融合；火災(zāi)報警；煙霧檢測；溫度檢測

中圖分類號：TU892 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：1674-0033（2023）02-00５３-0９

引用格式：胡保玲，王全樂，任坤.多源信息融合的智能樓宇火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計[J].商洛學(xué)院學(xué)報，2023，37（2）：５３-６１.

Abstract： The intelligent building fire alarm system based on multi-source information fusion was designed to solve the problem of high fire rates in intelligent buildings and reduce people's property losses effectively. Ｔhe demand for the fire alarm system of the intelligent building was analyzed to plan its overall structure. Based on this， the hardware module of the system is established， including the single-chip microcomputer and its minimum system unit， temperature detection module， smoke detection module， digital display module， sound light alarm module， and button module. Ｔhe software of different modules is designed to drive the system. Ｔhe feasibility of the system is verified by software simulation， and the testing experiments of temperature and smoke are executed by the designed physical device. The experimental results show that the designed fire alarm system has the characteristics of strong sensitivity and high accuracy.

Key words： multi-source information fusion; fire alarm; smoke detection; temperature detection

隨著我國建筑樓宇向多功能、高層化方向發(fā)展，火災(zāi)已成為出現(xiàn)頻率較高的一類社會災(zāi)害，被人們廣泛關(guān)注。樓宇火災(zāi)不僅會燒毀建筑物內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施，也會破壞建筑物的結(jié)構(gòu)，甚至引發(fā)建筑物整體倒塌等嚴(yán)重事故。因此，設(shè)計出及時有效的智能樓宇火災(zāi)報警系統(tǒng)，對降低樓宇火災(zāi)造成的人們生命財產(chǎn)的損失，具有十分重要的意義。國內(nèi)外學(xué)者對其研究較多，喬學(xué)增[1]采用了STC89C52單片機(jī)為控制核心，設(shè)計了一種溫度報警器來實現(xiàn)溫度的精確檢測。時昊等[2]設(shè)計了一種基于單片機(jī)的紅外熱成像測溫設(shè)備，以提高溫度檢測的精度。秦莉艷[3]提出了一種新型無線通信性能調(diào)試方法，通過綜合分析煙霧檢測等數(shù)據(jù)來提高調(diào)試比特率，從而有效地避免了因調(diào)試比特率低而造成無線通信性能差的問題。彭建英等[4]設(shè)計了一種STC89C52單片機(jī)主體架構(gòu)的智能煙霧報警系統(tǒng)，可以有效地監(jiān)測空氣中的煙霧濃度數(shù)值，達(dá)到煙霧示警效果。李宗灝[5]設(shè)計了一種智能煙霧報警系統(tǒng)，并結(jié)合超低功耗的OLED液晶顯示屏來實時顯示煙霧數(shù)值。許中璞[6]設(shè)計了一種溫度報警控制系統(tǒng)，通過數(shù)碼管顯示模塊方便人機(jī)交互，有效地實現(xiàn)了溫度的智能化檢測。周曦國等[7]設(shè)計了一種溫度檢測方式的火災(zāi)報警系統(tǒng)，通過GSM技術(shù)將所采集信息傳輸給用戶，用戶根據(jù)接收到的信息對環(huán)境溫度進(jìn)行實時監(jiān)控。白偉華[8]設(shè)計了一種由計數(shù)電路、譯碼電路和溫控電路所組成的溫度警報系統(tǒng)，有效地提高了溫度檢測效率。田純[9]設(shè)計了一種基于LoRa的智能建筑火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，并對數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行設(shè)定，實現(xiàn)了智能建筑火災(zāi)自動報警。車文超[10]將煙霧、CO和溫度探測數(shù)據(jù)相融合，設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的火災(zāi)報警系統(tǒng)，從而有效克服了傳統(tǒng)方式布線難度大、采集信號單一等問題?，F(xiàn)有研究對火災(zāi)報警系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究與設(shè)計，并取得了一定的研究成果，但系統(tǒng)的檢測方式單一，且檢測的精確度相對不高等因素制約著其智能化的發(fā)展趨勢。為了克服上述存在問題，在以上研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種融合多源信息的智能樓宇火災(zāi)報警系統(tǒng)，采用溫度傳感器與煙霧傳感器同步檢測并預(yù)警火災(zāi)信息的方式，同時配置數(shù)碼管顯示模塊與聲光報警模塊，從而有效地滿足人們對火災(zāi)檢測與報警的需求。

1? 系統(tǒng)設(shè)計及硬件設(shè)計

智能樓宇的火災(zāi)報警系統(tǒng)主要具備溫度數(shù)值與煙霧濃度的檢測功能，并能將檢測結(jié)果通過顯示模塊與報警模塊輸出，以達(dá)到實時警示人們是否發(fā)生火災(zāi)的目的?；趯馂?zāi)報警系統(tǒng)的功能需求分析，本設(shè)計系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)控制器為內(nèi)核控制器，并搭配MQ-2傳感器與DS18B20溫度傳感器實時檢測煙霧濃度與溫度數(shù)值，然后通過數(shù)碼管顯示模塊實時顯示檢測的溫度數(shù)值和聲光報警模塊來警示煙霧濃度是否超過警報閾值。因此該系統(tǒng)主要包含七大模塊，即單片機(jī)及其最小系統(tǒng)、溫度檢測模塊、煙霧檢測模塊、AD采集模塊、數(shù)碼管顯示模塊、聲光報警模塊及原模塊，其總體構(gòu)成框如圖1所示。

1.1 AT89C52單片機(jī)及其最小系統(tǒng)

在CPU的選擇上，本設(shè)計所選擇的AT89C52是一種低功耗且高性能的CMOS 8位微控制器。單片機(jī)中最重要的就是單片機(jī)最小系統(tǒng)，其主要由單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路和電源電路所構(gòu)成。AT89C52單片機(jī)采用5 V直流電源供電。晶振電路由兩個電容量均為30 pF的電容C２、電容C３和一個常用的石英晶振所組成。而單片機(jī)復(fù)位電路與電腦重啟鍵類似，只需按下復(fù)位電路的復(fù)位鍵，單片機(jī)系統(tǒng)就可重新從頭開始運行程序，實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位操作，單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

1.2 溫度檢測模塊設(shè)計

所設(shè)計系統(tǒng)的溫度信息檢測功能由DS18B20溫度傳感器來完成，其中端口1接地，端口3接電源，端口2接單片機(jī)芯片P3.5引腳，為保證空閑時總線是高電平的狀態(tài)，需要再接入一個大小為10 kΩ的上拉電阻，溫度采集模塊的電路原理如圖3所示。

1.3 煙霧檢測模塊設(shè)計

MQ-2傳感器與煙塵接觸時，若在顆粒間界處的勢壘隨著煙塵溫度改變，會產(chǎn)生表層導(dǎo)電率的改變。因此，煙塵的含量愈高，表層導(dǎo)電率就愈大，而輸出電阻則愈小，那么輸出的模擬信號質(zhì)量也愈好，煙霧檢測模塊接線如圖4所示。

1.4 AD采集模塊設(shè)計

對于煙霧傳感器采集到的信息要進(jìn)行后續(xù)的處理，以將傳感器采集的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，從而實現(xiàn)單片機(jī)對數(shù)據(jù)的讀取識別。而ADC0832芯片可很好地滿足這項功能，ADC0832芯片所構(gòu)建的AD采集模塊接線如圖5所示。

1.5 數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計

本設(shè)計系統(tǒng)采用數(shù)碼管來顯示所測的溫度和煙霧，也可顯示所設(shè)置的報警溫度值和煙霧值。LED數(shù)碼管是由多個發(fā)光二極管組成“8”字型的封裝器件。LED數(shù)碼管有兩種不同的鏈接方式，即共陰極和共陽極，數(shù)碼管顯示模塊如圖6所示。

1.6? 聲光報警模塊設(shè)計

聲光報警一般采用蜂鳴器及發(fā)光二極管。蜂鳴器的聲音和二極管的亮度都能起到很好的報警作用，同時這兩種器件的操作也相對簡單且易實現(xiàn)。所設(shè)計的聲光報警電路如圖7所示，以滿足系統(tǒng)的報警需求。三極管的導(dǎo)通條件為單片機(jī)輸出低電平。若三極管導(dǎo)通時，發(fā)光二極管中的電流從正極流向負(fù)極，實現(xiàn)發(fā)光發(fā)亮，R1為保護(hù)電阻，防止電流過大損壞二極管。蜂鳴器中也是正極流向負(fù)極的電流，可發(fā)出聲音，且音量及音色的大小均可調(diào)節(jié)。

2? 軟件系統(tǒng)

智能樓宇的火災(zāi)報警軟件系統(tǒng)設(shè)計是該系統(tǒng)的重要組成部分，決定了所設(shè)計系統(tǒng)是否能正常工作。主要包含3個模塊：溫度檢測模塊軟件設(shè)計、煙霧檢測模塊軟件設(shè)計、聲光報警模塊軟件設(shè)計。

2.1 溫度檢測模塊軟件設(shè)計

溫度檢測模塊是火災(zāi)檢測模塊的重要組成部分之一，其所測數(shù)據(jù)為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了重要的依據(jù)?；贒S18b20傳感器結(jié)構(gòu)和功能，將其設(shè)計如下：DS18b20傳感器為單線輸出，在單片機(jī)使用讀/寫時序來讀/寫DSl8b20的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位，并取其數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的溫度數(shù)值。當(dāng)被測溫度數(shù)值大于預(yù)設(shè)值時，則輸出報警信號。反之，繼續(xù)執(zhí)行環(huán)境溫度檢測。溫度檢測程序流程如圖8所示。

2.2 煙霧檢測模塊軟件設(shè)計

首先初始化A/D，由煙霧傳感器采集信號，由于煙霧傳感器采集的信號為模擬量，單片機(jī)無法直接識別，因此需通過ADC0832來進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，待轉(zhuǎn)換完成后方可提交給單片機(jī)進(jìn)行識別。待模擬值轉(zhuǎn)換后與預(yù)設(shè)煙霧濃度值比較，以確定火災(zāi)有沒有發(fā)生。當(dāng)被測煙霧濃度值大于預(yù)設(shè)濃度數(shù)值時，則系統(tǒng)輸出報警信號，反之，則繼續(xù)執(zhí)行環(huán)境煙霧濃度檢測程序。煙霧檢測流程圖如圖9所示。

2.3 聲光報警模塊軟件設(shè)計

利用DS18b20溫度傳感器和煙霧傳感器對環(huán)境信息進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生，溫度值與煙霧濃度值較高時，便會由聲光報警裝置發(fā)出火災(zāi)警報，以提醒人們發(fā)生火災(zāi)警報，其原理流程如圖10所示。

3? 系統(tǒng)調(diào)試與試驗驗證

3.1 軟件仿真測試

在進(jìn)行硬件焊接前，需在仿真軟件上進(jìn)行系統(tǒng)模擬仿真，以驗證該系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)的軟件仿真原理如圖11所示。所搭建的系統(tǒng)包含了多個模塊，分別是數(shù)碼管顯示模塊及其驅(qū)動電路、溫度傳感器模塊、煙霧傳感器模塊、AD采集模塊、按鍵電路、聲光報警器電路等。仿真軟件測試結(jié)果表明，各模塊之間均可正常運行。

3.2 系統(tǒng)的測試性能

在軟件測試合格后，根據(jù)電路原理圖搭建實物系統(tǒng)，并利用STC-ISP軟件將程序燒錄至AT89C52芯片內(nèi)，再對實物系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，實物系統(tǒng)如圖12（a）所示。焊制完成后，將電源接通，觀察到報警器初始化時紅燈閃爍，同時數(shù)碼管顯示出溫度及煙霧濃度，如圖12（b）所示。數(shù)碼管左側(cè)顯示“0”為實時煙霧濃度數(shù)值，右側(cè)“24”為實時溫度數(shù)值，實物系統(tǒng)與硬件調(diào)試如圖12所示。

按下按鍵改變?yōu)閳缶O(shè)置模式，可調(diào)節(jié)報警的閾值，如圖13所示，設(shè)置溫度的報警值為“29 ℃”，煙霧的報警值設(shè)為“4”。

3.3 溫度檢測

在對溫度進(jìn)行檢測時，分別準(zhǔn)備了35，36，

37，38 ℃的溫水，將衛(wèi)生紙浸泡在溫水中，然后進(jìn)行試驗，設(shè)置報警值為37 ℃，把檢測到的數(shù)據(jù)與溫度計讀數(shù)進(jìn)行對比，觀察數(shù)碼管數(shù)值及報警器的工作狀態(tài)，如圖1４所示，試驗結(jié)果記錄見表1。

由表1可知，在組別1和組別2的溫度未達(dá)到所設(shè)定的溫度閾值時，報警裝置未報警、LED燈常滅，而在組別3和組別4的溫度達(dá)到所設(shè)定的溫度閾值時，報警裝置報警、LED燈閃爍，從而有效地驗證了所設(shè)計系統(tǒng)對溫度檢測是有效的。

3.4 煙霧檢測

為了模擬火災(zāi)發(fā)生時的煙霧場景，使用塑料瓶制作出密閉空間，裝入不同濃度的煙霧后進(jìn)行檢測（經(jīng)過測試，點燃一個香薰產(chǎn)生煙霧時傳感器的輸出電壓約為1 V），模擬試驗裝置如圖15所示。

在模擬試驗裝置中充入不同濃度的煙霧后，觀察并記錄數(shù)碼管的煙霧濃度示數(shù)，并設(shè)置不同的報警閾值，觀察聲光報警模塊的工作狀態(tài)。將報警器的工作狀態(tài)記錄下來，圖16為不同等級的煙霧濃度模擬運行場景，并對煙霧濃度與報警狀態(tài)進(jìn)行記錄，見表2。

由表2可知，在場景Ⅰ中，所設(shè)置的濃度數(shù)據(jù)為“1”，不同的香薰點燃數(shù)量下，報警裝置均報警、LED燈均閃爍。在場景Ⅱ中，所設(shè)置的濃度數(shù)據(jù)為“2”，當(dāng)香薰點燃數(shù)量大于2支以上時，報警裝置會報警、LED燈方可閃爍。對于場景Ⅲ而言，所設(shè)置的濃度數(shù)據(jù)為“3”，當(dāng)香薰點燃數(shù)量大于3支以上時，報警裝置會報警、LED燈方可閃爍。綜上所述，當(dāng)溫度值及煙霧濃度值超標(biāo)時，聲光報警模塊開始報警，完成了對火災(zāi)的檢測及報警，從而有效地驗證了所設(shè)計系統(tǒng)對煙霧檢測的有效性。

4? 結(jié)語

通過對智能樓宇火災(zāi)報警系統(tǒng)的需求分析，本文采用AT89C52處理器設(shè)計了一種多源信息融合的智能樓宇火災(zāi)報警系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件模塊包含了溫度檢測模塊、煙霧檢測模塊、AD采集模塊、數(shù)碼管顯示模塊、聲光報警模塊五個模塊，并設(shè)計了溫度檢測、煙霧檢測、聲光報警軟件模塊以驅(qū)動該系統(tǒng)正常工作。溫度檢測試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)置報警值為37 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度小于該閾值時，系統(tǒng)未報警，而當(dāng)環(huán)境溫度≥37 ℃時，該系統(tǒng)報警。同時，通過三種不同場景的煙霧濃度檢測試驗表明，所設(shè)計智能樓宇火災(zāi)報警系統(tǒng)可有效地實現(xiàn)煙霧檢測，達(dá)到火災(zāi)報警的效果。

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