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本設(shè)計針對倉儲的特定環(huán)境條件,設(shè)計一套火災(zāi)報警系統(tǒng),對環(huán)境溫度和煙霧濃度進行檢測,采用模糊控制算法計算溫度變化速度的閾值以提高火災(zāi)預(yù)警準確度,同時開發(fā)上位機監(jiān)控程序,實現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場監(jiān)控功能。

本系統(tǒng)是針對特定倉儲環(huán)境設(shè)計的火災(zāi)報警系統(tǒng),對其采集的溫度和煙霧濃度準確度有一定的要求,因此在制定方案時,首要考慮所需傳感器的靈敏度和精度及倉儲環(huán)境的影響因素。在主控制器的選擇上,采用性能成熟、兼容性好、資源適中、性價比高的STC89C51系列單片機。由于火災(zāi)發(fā)生時,空氣中溫度和煙霧濃度的變化明顯且易測量,因此使用溫度傳感器和煙霧濃度傳感器構(gòu)成火災(zāi)信息檢測部分。通過無線串口通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機監(jiān)控中心,采用VB語言設(shè)計監(jiān)控程序進行遠程PC機監(jiān)控。

圖1 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)系統(tǒng)總體設(shè)計框圖  下載原圖

圖1所示是本系統(tǒng)總體設(shè)計框圖,該系統(tǒng)主要由火災(zāi)信息檢測部分,控制中心和顯示與報警部分三部分組成?；馂?zāi)信息檢測部分由溫度傳感器和煙霧濃度傳感器組成,顯示與報警部分主要是由ISD4004芯片組成語音模塊和LCD顯示屏組成,控制中心是由下位機51單片機和具有監(jiān)控功能的上位機PC機組成。

在預(yù)警處理方面,本系統(tǒng)采用模糊算法[1] ,將溫度上升的速度作為火災(zāi)發(fā)生預(yù)測標度;當溫升速度達到設(shè)定值時,就認定火災(zāi)已發(fā)生。而后將火災(zāi)發(fā)生事件發(fā)送給控制中心,及早作出處理。

DS18B20溫度傳感器具有體積小,溫度數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點,且火災(zāi)發(fā)生的溫度報警閾值在60℃左右,不超過DS18B20的最高檢測溫度,因此適用于對火災(zāi)現(xiàn)場溫度檢測。該傳感器最高能夠測量125℃,測量精度可達0.1℃,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由64位光刻ROM、溫度敏感元件、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL和配置寄存器四部分組成[2] 。在工作過程中,必須采用5V恒壓供電,電壓不穩(wěn)會造成測量的誤差變大。該傳感器有三根引腳輸出:VCC、GND和IO端口,其中IO端口與單片機的可編程IO端口相連,通過單總線串行方式將數(shù)據(jù)傳送給CPU。

MQ-2煙霧傳感器是一種新型的廣泛應(yīng)用于可燃氣體和煙霧濃度檢測的檢測裝置,它使用的氣敏材料是在無污染空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。檢測濃度范圍為300~10000ppm,在濕度70%以下常溫環(huán)境下工作精度高。其工作原理是:當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體或煙霧時,傳感器的電導(dǎo)率隨濃度的增加而增大。單片機通過對時鐘信號線SCL、數(shù)據(jù)線SDA讀寫控制得到MQ-2傳感器的煙霧濃度值。MQ-2煙霧傳感器輸出為電壓值,需要使用A/D轉(zhuǎn)換芯片為轉(zhuǎn)換為數(shù)字量提供給單片機,圖2所示為MQ-2煙霧傳感器A/D轉(zhuǎn)換電路圖,其中PCF8591T為四路8位A/D轉(zhuǎn)換芯片。

在倉儲火災(zāi)現(xiàn)場需要能夠提醒工作人員的設(shè)備,同時要求設(shè)備對工作條件要求不高且體積小、能耗低。LCD12864本身帶有字庫的能夠顯示四行64個字的顯示屏,可以作為顯示溫度和煙霧濃度值使用。語音提醒部分采用抗干擾能力強的音質(zhì)好的以ISD4004芯片為核心的語音模塊。

圖2 MQ-2煙霧傳感器AD轉(zhuǎn)換電路圖  下載原圖

單片機控制LCD12864實時顯示傳感器采集的溫度和煙霧濃度值,同時控制DS1302時鐘芯片實現(xiàn)時間輸出顯示。LCD12864由3位控制線和8位數(shù)據(jù)線組成的顯示裝置,通過單片機P0端口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實現(xiàn)顯示的內(nèi)容。SPI總線主要由三條信號線組成:串行時鐘、串行數(shù)據(jù)輸入和串行數(shù)據(jù)輸出。DS1302是美國DALLAS公司生產(chǎn)的低功耗時鐘芯片,它采用一種特殊的SPI協(xié)議與單片機通訊,其特殊性在于數(shù)據(jù)輸入、輸出共用一個端口,因而數(shù)據(jù)傳輸速度較慢于SPI協(xié)議傳輸速度。

圖3 系統(tǒng)提醒部分電路結(jié)構(gòu)圖  下載原圖

圖3所示為以ISD4004芯片為核心的語音報警電路結(jié)構(gòu)圖。ISD4004芯片能夠錄制并儲存8分鐘1200段語音,經(jīng)外接功放電路還能控制語音揚聲器輸出。ISD4004芯片是通過SPI串行接口與單片機數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。單片機通過向ISD4004芯片發(fā)送片選信號SS下降沿開始數(shù)據(jù)傳輸。在傳輸期間,SS必須保持為低電平,且在兩條指令之間必須保持為高電平[3,4] 。在錄音過程,ISD4004芯片的串行數(shù)據(jù)輸入端MOSI引腳的數(shù)據(jù)在串行同步時鐘SCLK上升沿被鎖存;在放音過程,串行數(shù)據(jù)輸出端MISO引腳的數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿被移出。

下位機通過單總線協(xié)議方式控制溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境溫度,通過I2C協(xié)議控制PCF8591芯片將MQ-2煙霧傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行AD轉(zhuǎn)換,得到標準煙霧濃度值。

為實現(xiàn)下位機與上位機的雙向數(shù)據(jù)傳輸,并減少布線的工作量,采用E14-TTL型遠距離無線串口通信模塊。E14-TTL型無線串口模塊具有低功耗,體積小,抗干擾性強,穿透能力強,適合于嵌入式集成開發(fā)等特點,全雙工雙向收發(fā)數(shù)據(jù),能夠在非極端環(huán)境下工作。其通信電壓3.0~5.5V,工作頻段2.40~2.52GHz,最遠傳輸距離可達2400m。

下位機與E14-TTL型無線串口模塊通信,只需將下位機的RXD、TXD分別接入無線串口模塊的TXD、RXD。E14-TTL型無線串口模塊與上位機通信時,由于PC機采用的是USB串口技術(shù),因此需要進行USB轉(zhuǎn)TTL。

圖4 無線串口模塊與上位機接口連接  下載原圖

根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),對應(yīng)軟件部分包括下位機的傳感器采集程序,數(shù)據(jù)顯示程序,語音報警程序和上位機的VB軟件設(shè)計程序。完成本系統(tǒng)工作進程需要編寫三個主要模塊的程序,第一是傳感器采集與控制器處理模塊程序,主要是對測出的數(shù)據(jù)的再處理,包括AD轉(zhuǎn)化和進制轉(zhuǎn)化,得到能夠讓人們讀懂的標準格式;第二是視聽輸出程序,火災(zāi)發(fā)生訊號作為一項外部中斷控制數(shù)據(jù)顯示和語音報警功能的開啟;第三是無線串口通信程序,將下位機暫存的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC上位機顯示,上位機根據(jù)接收到的信息對下位機進行控制。

火災(zāi)報警系統(tǒng)重在預(yù)報,提前報警相應(yīng)地增加了對火災(zāi)處理的時間。由于模糊算法具有抗干擾能力強,響應(yīng)速度快等優(yōu)點,所以本系統(tǒng)根據(jù)模糊算法,設(shè)計一種預(yù)測火災(zāi)發(fā)生的方案。在自然狀態(tài)下模擬得出火災(zāi)前期擴散速度[5] :

其中co為空間中氧氣濃度,ρ為物料密度,β/β0為燃燒物灰層占比。

當物料的密度一定時,火災(zāi)擴散速度與氧氣濃度成正比和燃燒物灰層成反比。在密閉的環(huán)境中隨著火災(zāi)進行,氧氣濃度會下降,燃燒物灰層則會越來越厚。由此推出火災(zāi)速度定會趨于緩慢。而現(xiàn)實生活中,火災(zāi)范圍不但不會減小,還不斷擴大,甚至難以控制。這是因為燃燒的物料足夠多,大火作用時間也就變長。在設(shè)計火災(zāi)報警系統(tǒng)時,主要讓系統(tǒng)工作于火災(zāi)快速蔓延前期,后期的火勢對報警系統(tǒng)已沒有意義了[6] 。根據(jù)公式(1),以polyurethane foam為例,得出前期火災(zāi)前期擴散速度V=0.075mm/s。

由模糊算法和實驗數(shù)據(jù)分析,得到火災(zāi)溫度上升速度(VT)與火災(zāi)擴散速度(V)、火災(zāi)距離(L)和火災(zāi)中心溫度(T)等影響因素的隸屬函數(shù):

其中k1、k2、k3為各影響因素的隸屬度,k1+k2+k3=1。

以包裝紙箱燃燒為例,k1=0.5、k2=0.4、k3=0.1,根據(jù)公式(2)得出在火災(zāi)現(xiàn)場3m高處溫度上升速度為:VT=0.031℃/s,即當溫度傳感器采集的溫度變化速度大于0.031℃/s時,可認為火災(zāi)將會發(fā)生。而其他燃燒物的溫度上升速度是否為0.031℃/s還有待研究。本文采用該數(shù)據(jù)作為火災(zāi)發(fā)生臨界參考點。

系統(tǒng)硬件程序是根據(jù)不同設(shè)備的性能特點和通信方式而設(shè)計的;每個設(shè)備只有依靠固有的時序圖和協(xié)議才能正常工作。圖5所示為下位機主程序流程圖。首先是編寫各個傳感器和LCD顯示屏初始化程序,然后編寫各傳感器的信息采集程序和數(shù)據(jù)處理程序。根據(jù)DS18B20讀寫時序編寫溫度值采集程序。每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從下位機啟動寫時序開始,此后將回送數(shù)據(jù),單片機再啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。MQ-2傳感器采集到的值為對應(yīng)的電壓模擬量,因此需要對模擬量進行8位AD轉(zhuǎn)換得到標準煙霧濃度值,精度為38ppm。下一步是對采集到的數(shù)據(jù)進行判斷,如果溫度上升速度大于設(shè)定值0.031℃/s,或者溫度上升速度沒有超過設(shè)定值但傳感器采集溫度大于60℃且煙霧濃度大于3000ppm時,語音模塊發(fā)出報警,直到上位機關(guān)閉語音報警。

圖5 下位機主程序流程圖  下載原圖

圖6和圖7分別是下位機發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流程圖。下位機在進行數(shù)據(jù)發(fā)送時,首先將串口模塊的AUX置低,延時1~2ms后,下位機的TXD端口向串口模塊的RXD端口傳送數(shù)據(jù),待數(shù)據(jù)發(fā)送完后,拉高AUX電位。下位機在接收數(shù)據(jù)時,同樣先將AUX置低再發(fā)數(shù)據(jù)。

圖6 下位機數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖  下載原圖

圖7 下位機數(shù)據(jù)接收流程圖  下載原圖

將組裝好的火災(zāi)報警系統(tǒng)安置在實驗室中進行模擬,采用一對E14-TTL型無線串口模塊實現(xiàn)下位機與上位機的通信;模擬火災(zāi)發(fā)生現(xiàn)場使火災(zāi)報警系統(tǒng)處于工作狀態(tài),采用VB開發(fā)工具設(shè)計監(jiān)控界面如圖8所示[7] 。根據(jù)界面顯示,系統(tǒng)調(diào)試時溫度為23℃,而煙霧濃度為4635ppm,超過預(yù)定濃度3000ppm,濃度指示燈變紅提示濃度異常,與現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)一致,說明系統(tǒng)能按預(yù)設(shè)功能工作。

圖8 系統(tǒng)調(diào)試PC機界面圖  下載原圖

該系統(tǒng)具有倉儲監(jiān)控界面設(shè)計,可進行對倉儲火災(zāi)情況遠距離監(jiān)控。本系統(tǒng)所采用的單片機還可擴展功能,如攝像監(jiān)控,消防灑水噴頭控制等,方便今后對系統(tǒng)改進、升級。