无线通信技术火灾监测技术思索

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从发展过程来看，消防报警系统大体可分为多线型自动报警系统、总线型自动报警系统和智能型自动报警系统三个阶段_。其技术发展的趋势是实现火灾检测智能化，信号传输网络化，报警控制自动化，技术规范标准化。目前，国内外有许多类型的智能化自动报警系统，其中大部分因造价高或安装调试等因素限制只应用到部分重点场所和建筑物。而无线报警系统具有隐蔽性好，安装方便等优点而备受青睐。以此，开发智能化无线火灾实时报警系统具有广阔的应用前景和实用价值。火灾的实时自动检测是实现智能化自动报警系统的核心技术，主要将解决三个方面的问题：一是通过对环境的实时监测判断是否有火灾发生；二是检测到的信号如何保证实时准确的进行无线传输；三是采集到的各监测点的信息进行分析处理实施准确报警和起火点定位。

1火灾的实时监测与传感技术研究

针对火灾的实时自动检测技术所要解决的三个问题，首要问题是如何通过对环境的实时监测准确地判断是否有火灾发生。实质是通过哪种传感器采集什么物理量来反映火情?研究资料表明尽管火灾有多种多样，但几乎所有的火灾都会伴有大量的烟雾和温度的升高。所以通常选择烟雾和温度作为被检测参量实现火灾报警。烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可分为三大类：

1)利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。

2)利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉传感器、红外传感器等。

3)利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。

通过对半导体、固体电解质等6种烟雾传感器进行性价比分析的基础上，本系统采用的是红外光电烟雾传感器。红外传感器通常用两束红外光进行烟雾测量，主光束通过测量元件内的目标烟雾，参考光束通过比较元件内的参考烟雾。在测量和比较元件中，红外射线被烟雾有选择的吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标烟雾浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR(Non．disper—siveIR)是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。不同的烟雾吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标烟雾而调整，典型应用包括测量CO和CO、冷冻剂烟雾和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃烟雾(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其他烟雾的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。本系统具体选用的是符合GB50116—98标准探测器保护面积为60rrf的光电烟雾探测器模块。而温度传感器选用测温范围一55℃～+125℃，测温分辨率0．5℃的DS18B20数字温度传感器。通过两类传感器，实时监测目标环境的烟雾浓度和温度。检测到的烟雾浓度和温度两个技术参数后，对于是否有火灾发生，采用单片机为最小系统实现数据采集、分析和处理。烟雾信号采集电路将烟雾浓度信号转化为模拟的电信号。单片机内部白带的AD将从烟雾传感器输出的模拟信号转化为数字信号，并对此处理后的数据进行分析，判定是否大于或等于某个预设值(即报警限)，若大于则单片机控制射频模块向主机发送报警信号，反之则为正常状态。根据系统对主控单片机要求，综合考虑选择STC12C5A16S2单片机。烟雾浓度测定时数据的准确性问题是难题之一。由于终端供电电源抖动和外界干扰对采样系统造成影响。针对测定烟雾浓度时数据产生的抖动、尖峰等问题，硬件设计时采用了防电磁干扰技术，软件采用了中值滤波方法减小对测定值的影响。

2火灾实时监测信号的无线传输与通信技术研究

本系统基于无线通信技术并融合传感器技术和智能控制技术，总体设计采用分布式控制的思想，将硬件系统规划为多路检测终端和集中控制主机两大部分。硬件系统组成框图如图1所示。硬件系统设定单主机对应多路检测终端的一对多无线通信系统。这样既可以节省硬件资源又可以实现检测终端数量按用户需求而随意增减。单路检测终端具有环境状态检测、数据处理和无线收发三大功能。集中控制主机以中控单元为核心具有仪器操控、无线收发、报警指示、远程控制及工作状态指示等功能。无线通信模块采用工作于2．4GHz～2．5GHzISM频段并融合了增强型ShockBurst技术的nRF24L01单片射频收发器件，其内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块。nRF24LO1在一对多的工作模式下，如何实现有序通信是系统设计面l临的一大技术难题。因为多路终端无线发射为同一个频率，若同时发射自然会引起主机接收时信道堵塞。经过研究发现采用群发单收的方法可以避免这个问题，核心是通过软件通信协议的设定确保通信畅通。传输数据时主机是一对多广播式，终端向主机发送数据时则为一对一，这样不会发生信道的堵塞现象。虽然不能完成严格的同时收发数据，但是采用这种方法后，接受两个数据的时间间隔可以控制在毫秒量级上，等同于一对多的同时接受，完全可以满足系统的设计需要。

3信息处理技术研究

在图1系统所规划的集中控制主机硬件组成中，其内核是中控单元。一方面它要控制无线收发模块以群发单收的方式实现对多路检测终端状态的巡检；另一方面要对巡检信号处理的同时负责人机交互和远程控制。这就需要单片机有较快的运算速度。本系统选用STM32F103V8处理器，其内部采用ARMCortex-M3，32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器，丰富的增强I／O端口和联接到两条APB总线的外设。状态显示采用人机交换模组，通过串口连接一个240320分辨率彩色液晶屏，实现人机交互彩色界面显示如图2所示。报警指示采用灾情报警模块，选用专用闪光报警灯和警笛，当烟雾浓度超过报警或人为按下报警按钮时，声光报警触发使得红色报警灯闪烁并伴有警笛鸣响，需要人工解除声光报警。

4结论

本智能无线火灾报警系统总体设计采用分布式控制的思想，系统基于无线通信技术并融合传感器技术，实现了集中控制主机与多路监控终端之间串行半双工无线群发单收的通信模式。通过技术创新解决了烟雾与温度传感、信息的无线传输与通信、信息处理等关键技术，实现硬件与软件系统的优化设计。