（控制理论与控制工程专业论文）无线烟雾探测系统的研究与设计.pdf

武汉理t 大学硕十学位论文 摘要 随着电子技术的不断发展，火灾探测技术近些年也有了极大提高，但目前市场 上仍然是有线火灾报警系统占主流，无线火灾报警系统还处于兴起阶段，相对于有 线网络来说，无线网络具有组网灵活、安装方便和成本低等优点，可广泛用于楼宇 厂房等的火灾检测，应用前景广阔。 本文设计的无线烟雾探测报警系统结合了烟雾探测与短距离无线通讯技术。研 究了火灾形成及其探测方法，烟雾探测器基于光的散射原理并对火灾趋势进行判断， 它较之传统的烟雾探测器具有灵敏度高、响应快、可靠性高、误报率低等特点。通 过对几种常见的无线通讯技术进行比较，选择了工作于i s m 频段的i g h z 以下射频 芯片c c l l 0 0 作为无线通讯芯片。主要完成的工作如下： 烟雾探测器以t im s p 4 3 0 f 2 0 1 2 单片机为核心，设计了探测器电源电路，烟雾检 测及放大电路，构成了探测器的硬件系统。路由以t im s p 4 3 0 f 2 2 7 4 为主控m c u ， 设计了无线通讯电路及串口电路，详细设计了无线射频芯片c c l1 0 0 外围电路。 运用c 语言对单片机编程，完成了探测器的主程序设计：通过对国标规定的四 种火进行测试并对实验数据进行分析，提出并完成了对试验火响应的算法；软件设 计让探测器具备了玷污自检，自诊断故障判断的功能。对路由器设计了无线通信数 据收发等关键软件模块。 开发了无线烟雾探测系统的监控界面，对整套系统进行了测试，能完成火警及 故障通报功能。 整套无线烟雾探测系统省去了工程布线，能够稳定快速地实现火灾报警，在短 距离的火灾报警领域中有极高的应用价值。 关键词：火灾报警，烟雾探测，无线通讯，路由，射频 武汉理t 大学硕十学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cs i e n c et e c h n o l o g y ，t h ef i r ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yi s i m p r o v e dg r e a t l yi nr e c e n ty e a r s ，b u tt h et r a d i t i o n a lw i r e df i r ea l a r mp r o d u c t si ss t i l lr u l i n g t h em a r k e t s h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni san e wt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ， c o m p a r e dt ow i r e dn e t w o r k ，w i r e l e s sf i r ea l a r ms y s t e mh a sm o r ea d v a n t a g e s ，s u c ha s f l e x i b l en e t w o r k ，c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o na n dl o wc o s te t e t h es y s t e mc a nb ew i d e l yu s e di n f a c t o r i e sa n db u i l d i n g sf o rf i r ed e t e c t i o n ，w i t haw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n t h ew i r e l e s sf i r ea l a r md e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d s m o k ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y s t u d i e dt h ed e t e c t i o nm e t h o da n df o r m a t i o no ff i r e ，s m o k e d e t e c t o r sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fl i g h ts c a t t e r i n ga n dc a nj u d g et h et r e n do ff i r e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls m o k ed e t e c t o r , i th a sh i g hs e n s i t i v i t y , f a s tr e s p o n s e ，h i g h r e l i a b i l i t ya n dl o wf a l s ea l a r mr a t e b yc o m p a r i n gs e v e r a lc o m m o nw i r e l e s st e c h n o l o g i e s ， s e l e c tt h ec h i pc cl l0 0w h i c hw o r ki ni s mf r e q u e n c yb e l o w1g h zt oc a r r yo u tt h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w ： t h ed e s i g no fs m o k ed e t e c t o ri sb a s e do nt h em c uo fm s p 4 3 0 f 2 0 1 2 ，f i n i s ht h e p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，s m o k ed e t e c t i o na n da m p l i f i c a t i o nc i r c u i tw h i c hc o m p o s et h e h a r d w a r es y s t e mo ft h ed e t e c t o r r o u t e rd e s i g ni sb a s e do nm c uo ft im s p 4 3 0 f 2 2 7 4 ， f i n i s ht h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t g i v eo u tt h e d e t a i l e dd e s i g nf o rc c110 0m o d u l e p r o g r a mt h em c u w i t hcl a n g u a g e ，b ya n a l y s i n gal a r g en u m b e ro ff i r et e s td a t a ，t h e p a p e rc o m e so u tw i t han e wa l g o r i t h mw h i c hc a nr e s p o n df a s t l yt of o u rk i n d so ff i r ew h i c h d e f i n e db yg bs t a n d a r d ，a n dg i v e st h em a i ns o f t w a r ef l o wf o rt h es m o k ed e t e c t o r t h e p a p e rp r o p o s e si n t e l l i g e n td e s i g n sf o rt h es y s t e m ，i n c l u d i n gd i r t ys e l f - e x a m i n a t i o n , m a l f u n c t i o no fs e l f - d i a g n o s e ，s e l f - a d j u s t a b l es e t t i n g st oe n v i r o n m e n tc h a n g e d e s i g nt h e k e ym o d u l es o f t w a r es u c ha sd a t at r a n s f e ra n dd a t ar e c e i v es u b r o u t i n e sf o rt h er o u t e r t h ef i r ed e t e c t i o ns y s t e mc a ns u c c e s s f u l l yg i v eo u ta l a r ms i g n a la n dm a l f u n c t i o n s i g n a lb yt e s t i n gw i t ht h em o n i t o r i n gs o f t w a r eo fp c t h ew i r e l e s sf i r ea l a r md e t e c t i o ns y s t e me l i m i n a t ec a b l i n gw o r k s ，i tc a ng i v eo u t i l 武汉理工大学硕士学位论文 a l a r ms i g n a lr a p i d l ya n dc o r r e c t l y a n di th a sh i g ha p p l i c a t i o nv a l u ei ns h o r t r a n g ef i r e a l a r mf i e l d k e yw o r d s ：s m o k ed e t e c t o r , l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ， c c l1 0 0 c h i p ，r o u t e r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中明确的说 明并表示了谢意。 研究生签名：牡日期j 兰璺尘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名： 婆葺兰 导师签名： 季! ! i 主整日期：兰颦_ i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景 第1 章绪论 火在人类生活中是不可缺少的，但火灾也给人类带来了巨大的灾难。火灾 作为一种发生频率较高的灾害，受到国内外的普遍关注，它在任何时间、任何 地区都可能发生。随着社会经济的发展，建筑物、构筑物应用材料的多样化， 各类工业和科学技术的发展，易燃材料增多，火灾发生的次数、火灾造成的人 员伤亡和经济损失日渐增多。现代社会，由于人口密度较大建筑物的规模越来 越趋于大型化和一体化，一旦发生火灾，灭火的难度更大。为了避免火灾的灾 难性后果，火灾探测报警技术越来越受到消防界的重视。在工业和民用建筑、 宾馆、图书馆、科研和商业部门，火灾自动报警系统已成为必需的装置。目前 较为常用的一种火灾报警控制形式是集散式火灾自动报警系统，此种控制形式 在信号传输方面大多数采用有线传输【l 】。 传统有线传输的缺点在于导线布局造成的硬件故障较高，且传输成本也较 高，这类方式有着先天的缺陷：扩展能力差，布线繁琐，影响美观。并且有线 连接的方式，线路的老化，腐蚀问题以及各种非自然损坏问题严重，使得误报 警率升高，并且不易排查修理。而新兴的无线传感器技术，在传感器网络构建、 维护方面都有着有线方式无可比拟的优势，因此成为未来火灾报警系统的重要 发展方向【2 】。随着当前监控范围和距离的不断加大，用户对产品要求的不断提 高，新型元器件与新技术的不断成熟，无线火灾报警系统正逐渐替代原来的控 制形式，它不仅传输质量高、抗干扰能力强，而且在硬件设计方面其集成度也 越来越高，工作性能越来越完善，应用领域越来越广泛。传统的有线火灾自动 报警系统因施工工期长、误报率高等问题也困扰着消防人员，无线火灾自动报 警系统能很好地解决这方面问题，具有很大的发展前途【3 】。 1 2 火灾探测技术的发展概况 火灾报警控制系统的研究在国外起步较早，我国是在2 0 世纪八十年代中期 才有个别企业丌始这方面的研究开发。随着越来越多的产品进入市场，国家也 武汉理下大学硕十学位论文 制定了相应的检验标准。火灾自动报警系统从发展过程来看，大致可分为以下 三个阶段【4 】： 第一阶段多线型火灾自动报警系统。报警装置为开关量多线型报警系统， 每个探测器除需提供两根电源线外，还需提供一根报警信号线，探测器电源由 报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示 灯，如日本“同探公司生产的c p f 火灾报警系统，此类系统的功能一般以报 警为主，辅以一些简单的联动功能( 也为多线制) ，如驱动警铃等，其报警器 对外围探测器无故障检测功能，只会对电源线的断线做出故障反应。探测器采 用设置了固定阂值的开关量探测器，控制器由逻辑集成电路、可控硅、继电器 和分立器件构成。探测器与控制器之间采用多线型联接。当探测器所探测到的 信息变化到达设定的阈值后，开关电路接通，发出报警信号。信号经导线传递 给控制器，控制器接收到信号后便发出报警。这种报警系统存在着明显的弊病： 首先，探测器与控制器之间的连线繁多，布线工作量较大，使线路出现故障的 可能性增大，并且安装和维护十分困难。其次，控制器对信号的处理是靠硬件 电路适当连接实现的，故电路复杂，可靠性差，导致误报率较高。 第二阶段：总线型火灾自动报警系统。这种自动报警系统已采用微处理器 控制，其线制般有四线制、三线制、二线制，二总线制传输线路比三、四总 线制更好一些。探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信 号传送，此类系统可进行现场编程，并通过各种模块对各消防联动设备实行较 复杂的控制，此类系统已具有系统自检以及对总线上的设备进行故障检验等功 能。它同以前的产品相比有了很大的飞跃，布线工作显著减少，安装调试变得 容易，降低了安装和维修费用，其最大优点是施工简单并能精确确定报警部位， 因而得到了较普遍的应用。目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产 品，由于此类产品具有报警和控制功能，它的施工、安装较为方便，且价格较 低，已被大量使用。 第三阶段：智能型火灾自动报警系统。由于采用了先进的计算机控制技术， 智能化程度大大提高，探测器的报警形式采用数字量，并可通过软件对烟雾探 测器的灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休 息日不同灵敏度。对探测器的使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对 低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些，这一功能 可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报。 2 武汉理工大学硕士学位论文 对于火灾信号传输技术的发展大体又分为有线和无线两种。 1 2 1 有线制火灾报警系统 火灾报警系统一般由探测器、现场报警单元、联动单元和火灾报警控制器 组成。报警控制器通过现场的探测器、手动报警按钮、输入模块等采集现场的 火警信号，发出报警信号，同时报警控制器根据需要通过控制模块自动或手动 发出控制信号，进行现场报警( 由火灾显示盘显示) 和现场灭火( 启动喷淋泵、 消防泵等) 。早期的火灾报警系统采用的是多线制总线结构，目前所广泛使用 的有线制火灾报警系统为两总线制分布式智能化火灾报警系统。在两条总线上 既有电源信号，也有数据信号，这种总线方式已经完全替代了多线制总线。下 图1 1 是两总线制分布式智能火灾报警系统构成框图： 图1 1 两总线制分布式智能火灾报警系统构成框图 该总线既给探测器和模块提供2 4 v 电源，也载有数字信号。 1 2 2 无线火灾报警系统 2 0 世纪8 0 年代初期，美国就开始研究、开发、使用无线火灾自动报警系统。 这种火灾自动报警系统是通过无线电电波发射和接收信号进行通讯活动的。全 部组件内均有天线。它的好处是：便于安装、对建筑的损坏小、经济，系统设 计简单且可完全寻址，便于网络化设计。1 9 9 8 年底，国家信息产业部发布了微 功率( 短距离) 无线电设备管理暂行规定，规定微功率( 短距离) 无线电设备的发 射功率不得大于1 0 m w ，且使用频率也有限制。功率与频率的限制，使得无线火 灾自动报警系统的进一步推广和应用受到极大限制。 武汉理 大学硕士学位论文 无线火灾报警系统是利用无线火灾探测装置发出火警信号和故障信号，并 记录发出这些信号的地点和时问的火灾自动报警专用设备。无线火灾报警系统 由无线火灾探测装置及无线火灾报警控制器组成。无线火灾探测装置主要由火 灾探测器、无线发射机组成，它能发出火灾报警信号以及火灾探测装置故障报 警信号；当无线火灾探测装置在探测范围内发生火灾或内部发生故障时，探测 装置将产生不同信号，同时启动发射机，在规定时间内发出不同的报警信号； 无线火灾报警控制器在接收到报警信号后能实现火灾和探测装置故障的声光报 警功能。无线火灾探测装置按规定可以是任何一种触发装置，这种触发装置用 某种无线传输方法组合的控制接收设备进行通讯，对于各种形式的火灾探测装 置，其应用无线传输的形式也有不同的要求，无线火灾报警系统有它独特的优 势并孕育着巨大的市场潜力【5 1 。 最初，无线火灾报警系统的主要市场是那些有历史价值的古建筑，因为在 这类建筑的彩绘天花板与厚厚的石墙上布线是不现实的、也是不允许的。随着 电器元件的成本、自动化装配成本的下降，无线火灾报警系统的成本也随之大 幅降低，而且随着系统整体性能的提高，无线火灾报警系统在很多情况下与有 线系统相比，无论是在性能上还是价格上都具有相当大的竞争力，无线火灾报 警系统的潜在市场正在被打开。 由于无线火灾报警系统安装快捷，施工时对建筑物本身的构造没有伤害， 在许多场合都非常适用，特别是它的灵活设置，是有线报警系统不可比拟的， 从文物古建筑物、宾馆、饭店到音乐厅等等均适用。无线火灾报警系统另一个 日渐广泛的应用是用于监控一些l 临时性场所，对于正在施工或正在进行重新装 饰的场所，在没有安装永久性监测系统( 或许是有线报警监测系统) 之前，这种临 时系统可以充分保证建筑物的防火安全，一旦施工结束，无线系统可以很容易 地转移到别的场所。另外有的场所本来可能使用点型感烟或感温探测装置，但 在该场所中有极少时间要进行工艺处理，因此要影响探测装置的性能，如烟叶 仓库，每年要进行杀虫工艺，杀虫要使用腐蚀性很强的杀虫剂，有线火灾报警 系统就抵挡不了腐蚀，会使系统报废，如果采用无线报警系统，系统不用导线， 可以很容易将探测装置移至室外，待工艺处理完毕后再将探测装置放回原位【6 1 。 由此可见，无线火灾探测系统有着广阔的市场前景。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 无线火灾报警系统与有线火灾报警系统的比较 无线火灾报警系统与传统的有线系统的区别在于：前者是通过无线电信号 而不是用导线将各个装置连成一个系统。二者的主要硬件成分除无线电路部分 外几乎是一致的，包括控制器、感烟或感温探测装置及发声器等。无线火灾报 警系统借助于无线电信号而不是导线传输数据，当感烟或感温探测装置监测到 烟雾时，数据通过无线射频在短时间内传送到控制器。该控制器类似于有线系 统的控制器，有各种控制元件，包括与其他设备相联的输入输出装置，由天线 完成到系统的主要信息输入输出。无线火灾报警系统与传统的有线系统的比较 如下表： 表1 1 有线火灾报警系统和无线火灾报警系统比较 序号有线火灾报警系统 无线火灾报警系统 1 需要线路传输信号 无 2 各部分需要导线连接 无 3 需要敷设管线无 4安装施工困难 容易 5 位置变更困难容易 6 安装固定灵活 7 一种通讯方式可有线无线结合 8安装费用及材料费用高费用低 9调试开通费时费力 省时省力 1 0 工程总造价高低 通过两种报警系统的综合评定，无线火灾报警系统的优势非常明显。无线 报警系统的工程总造价比有线报警系统低得多，大致可低1 5 - 2 0 。特别是它的 灵活设置，是有线报警系统不可比拟的【刀。 1 3 论文的主要工作及内容 本课题研究的是无线烟雾探测报警系统。系统的工作原理是由烟雾探测器 监测到火灾报警信号、故障信号等并通过短距离无线射频方式传送给主机，主 机将收集到的各个探测器的信号送至人机监控界面显示，使用户能根据相应的 武汉理下大学硕士学位论文 界面提示信息进行灭火、故障排除等操作。本论文详细探讨了无线烟雾探测器、 路由器及主机的硬件和软件设计，并详细介绍了无线通讯部分的程序设计，也 给出了上位机软件监控界面。基于课题的主要工作，本文的内容安排如下： 第l 章：绪论。介绍了课题的研究背景与意义，对火灾探测技术的发展阶 段进行了概述并分析其不足。对火灾报警系统构成进行介绍，介绍了传统有线 制火灾报警系统构成，也介绍了新兴的无线火灾报警系统的优点，并将有线报 警系统与无线系统进行比较并提出了本文研究的意义。此外，介绍了论文的主 要内容及单节安排。 第2 章：对整个无线烟雾探测报警系统提出了总体方案，给出了系统的功 能要求及技术要求。分析了烟雾检测原理并确定了烟雾探测器、路由器的设计 方案。通过比较几种短距离无线通信技术选择了一种适合本文的无线射频通信 技术。 第3 章：无线烟雾探测系统硬件设计。给出了烟雾探测器及路由器的详细 硬件电路设计，设计了射频模块电路。 第4 章：无线烟雾探测系统软件设计。介绍了i a r 软件开发环境以及与射 频相关的开发环境及工具的使用。详细讨论了烟雾探测器的火警判断算法，给 出了烟雾探测器的主程序流程。分析了射频部分的关键子程序。 第5 章：无线通讯系统的测试。介绍了上位机监控界面的使用，并对整套 系统进行了测试。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线烟雾探测系统总体设计 2 1 系统设计要求 本文设计的无线烟雾探测报警系统可用于小区建筑或布线不方便的文物建 筑以及临时建筑物的火灾探测与报警，基于这种应用环境，下面将对系统的功 能要求与技术要求进行分析。 2 1 1 系统功能要求 根据中华人民共和国国家标准火灾报警控制器通用技术条件 g b 4 7 1 7 2 0 0 5 对火灾报警系统的要求，火灾报警系统应具有火灾报警功能、故障 报警功能、火灾发生时间的记录功能【引。 1 ) 火灾报警功能 系统的上位机接收端能够接收来自火灾探测装置的火灾报警信号，发出声 光火灾报警信号，并在上位机火灾报警界面指示出火灾发生的部位，记录火灾 报警的时间，并予以保持；在探测装置的火灾报警信号输入时，控制器应在1 0 s 内发出火灾报警信号；系统报警界面有火警总指示灯，控制器处于火灾报警状 态时，火警总指示灯应点亮，能连续显示火灾报警部位，直至手动复位；火灾 报警声信号应能( 且仅能) 手动消除，当再次有火灾报警信号输入时，应能再次启 动：控制器应优先显示火灾报警信号，故障、隔离等其它信号的显示不应影响 火灾报警信号的显示，火灾报警信号不应与其它信号交替显示；控制器需要接 收同一只火灾探测装置的两个以上火灾报警信号才能确定发出火灾报警信号； 系统应能手动消除和再启动火灾声光报警器的声报警信号，消声期间，有新的 来自其他探测装置的火灾报警信号时，声报警信号应能再启动；对控制器除复 位操作外任何操作均不应影响控制器接收和发出火灾报警信号。 2 ) 火灾故障报警功能 系统的上位机报警界面应具有故障总指示灯，无论系统处于何种状态，只 要有故障信号输入，该故障总指示灯均点亮；当主电源断电，各备用电源不能 保证控制器正常工作时，控制器应发出声故障信号；被火灾报警信号覆盖的故 7 武汉理工大学硕士学位论文 障信号和隔离信息应手动可查。 3 ) 火灾发生时间的记录功能 、 报警系统应储存每次有火灾信息的时间，以利于对本地火灾信息的统计与 查看。 2 1 2 系统技术要求 根据系统的特点，总结系统的技术要求如下： 1 ) 小体积。探测器的体积要尽可能的小，这样才能减少占用的空间，而且更 便于安装和更换； 2 ) 高可靠性。为了保证系统能够正常工作，并且尽可能减少误报警，要求探 测器与控制器之间的无线通信可靠。整个系统可能会受环境中不确定的电磁干 扰影响，因此，系统要有一定的抗干扰性能。按照要求系统必须在火灾发生l o s 内发出报警信号，所以系统对实时性也有很高的要求。 3 ) 低成本。每个火灾报警系统包含的探测器，可能会多达上百个，作为一款 商用产品设计，应充分考虑成本，在满足系统要求的前提下，尽量降低成本， 才能在市场上更有竞争力。 2 2 无线烟雾探测系统总体框图 本套系统由无线烟雾探测器、路由、主机及上位机监控界面组成。烟雾探 测器、路由器和主机之间采用无线方式通讯，主机通过串口将数据发送到上位 机的监控界面显示。系统方案框图如下图2 1 ： 图2 1 火灾报警系统框图 在本系统中，烟雾探测器负责采集环境参数，路由器负责数据的中转，主 机将各个路由发来的数据通过串口送往上位机处理并显示，实际上路由和主机 的功能均是负责数据的传输。本系统所要实现的是对烟雾的探测、存储、火警 及故障显示及后期处理等功能。系统的总体结构可以分为探测器数据采集模块、 无线数据传输模块、系统控制及数据处理模块等几大部分。下图2 2 和2 3 分别 8 武汉理工大学硕士学位论文 给出了探测器数据采集节点的结构框图和与p c 机相连的上位机接收节点的结构 框图。 i 火羹毳羹采 m c u 控制及无线通信 处理单元模块 图2 2 探测器数据采集节点结构框图 线 图2 3 数据接收节点结构框图 本文设计的目的是实现无线火灾探测报警，整个系统是一个网络，包括中 央监控室和很多的探测节点。如图2 - 4 所示，其中监控点即为无线系统的数据 接收点，也可将监控点看做路由，其功能是负责本级探测点的数据监测。探测 点即为环境数据采集点，探测点的功能是负责检测环境参数，判断是否有火警 或故障信息并将这些参数传送至本级的监测点。这样整个系统就形成了一个无 线火灾探测网络。 在这个无线火灾探测报警网络中，监控点覆盖的范围内，探测点和监测点 之间的通讯是直接通讯；在它的覆盖范围之外，则需要用路由来使外部节点数 据通过上一级节点向监控点传送数据，每级路由可进行扩展，最终所有路由的 信息会汇总到主机送往上位机显示，整套系统的网络架构可用图2 5 来表示。采 用这种方法，可使系统扩展成一个很大的局域网 9 - 1 0 l 。对一个火灾报警系统来说， 信号的实时性是一个系统关键问题，那么选择一种快速安全的路由协议成为一 个关键问题。在2 4 节中将对一种适合无线火灾探测系统的路由进行分析，提出 了一种适合于无线火灾探测报警系统的快速稳定且实现简单的分级路由【】。 9 武汉理1 = 大学硕士学位论文 图2 - 4 无线火灾探测报警系统的组成 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 火灾探测 2 3 1 火灾形成及阶段划分 物质燃烧，就必然有热量释放出来，使环境温度升高，而在燃烧速度非常 缓慢的情况下，这种热( 温度) 是不容易鉴别出来的。物质在燃烧开始阶段， 首先释放出来的是燃烧气体，比如：单分子的c o 和c 0 2 等气体。其次还有悬 浮在空气中较大的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒，我们把这些悬浮物称为 气溶胶，粒子直径一般在o o l p m 左右。几乎在产生气溶胶的同时，产生粒子直 径为0 0 1 l o u m 的液体或固体微粒，称为烟雾【1 2 1 。 火焰是物质着火时产生的灼热发光的气体部分。物质燃烧到发光阶段，是 物质的全然阶段。在这阶段中，火焰热辐射含有大量的红外线和紫外线。从物 质燃烧的基本概念出发，选择合适的火灾探测器是一个非常重要的环节，因为 任何一种探测器都不是万能的，每一种探测器有一定的环境适应性，也可以说 有一定的局限性。要想有效地发挥各种火灾探测器的作用，就要掌握各种火灾 探测器的探测原理，以及它的适用场所，只有这样才能真正发挥它们的作用。 对于普通可燃烧物质的表现形式，首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气 供应充分的条件下，才能达到全部燃烧，产生火焰，并散发出大量的热，使坏 境温度升高( 起火过程曲线如图2 6 所示) 。 温、烟浓度 起初阴燃火焰燃烧时间t 图2 - 6 起火过程燃烧曲线 如图2 - 6 所示，起火过程中，总是前两个阶段所占有的时间比较长，这是燃 烧的开始阶段。如果要把火灾损失控制在最小限度，保证人身不受伤亡，那么 火灾的探测就应该从此阶段开始进行为宜。因为此阶段尽管产生了大量的气溶 胶和烟雾，充满建筑物内的空间，但环境温度并不高，尚未蔓延发展到严重的 武汉理工大学硕士学位论文 程度。 由于火灾发生时，会产生烟雾、高温和火光等现象，探测器对这些很敏感。 当有烟雾、火光、高温产生时，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或 机械部分发生变化或位移，信号经过放大及a d 转换，探测器的主控芯片对a d 采样的数据进行处理，判断是否有火情发生，并将结果送入控制器，若有火灾 发生控制器则以声、光等形式发出警报信号，根据探测器的地址显示火灾的部 位、地点。 火灾作为一种燃烧现象，其规律具有确定性的一面，可通过模拟研究逐步 加以认识，而火灾作为一种灾害现象，在实际火灾过程中，众多因素常常变化， 这种变化往往又带有随机性，火灾过程伴随着众多复杂的物理现象和化学反应， 环境的温度，烟雾浓度等也会发生变化。物质的燃烧是一种复杂的物理和化学 反应过程，一般根据燃烧物质不同分为固体物质火灾、液体火灾和气体火灾； 根据燃烧空间不同又可分为受限空间火灾和开放空间火灾。在本文中所提及的 火灾都是指受限空间火灾。一般情况下建筑物内火灾初期的火源强度较低，与 起火空间尺度相比可以认为是点火源，这种常见的受限空间固体物质火灾点火 源的发展通常都要经历三个阶段：早期、阴燃、火焰和放热，最后随着燃烧物 质的耗尽而衰减熄灭。 早期阶段：火灾的发生都是从可燃物发热开始的。物质由于发热，产生气 体，即物质发生缓慢的热解作用，产生不可见的燃烧生成物。此时通常产生直 径约为0 0 0 1 0 0 5 0 u m 的不可见粒子( 早期的烟雾) 和一氧化碳，二氧化碳，氢等 气体，热量释放也很低。 阴燃阶段：随着热分解作用的发展，物质进一步发热，释放出更多的气体， 开始产生可见烟雾，一些烟雾粒子的直径可达0 3 1 0 u m ，甚至更大。由于烟雾 和燃烧所释放的气体比周围空气温度高，因而形成上升气流，同时随着气流的 增大而开始具有浮力并形成空气对流，这就是所谓的浮力旋流，通常称为烟气 羽流。此时空气的对流作用逐渐明显，有利于烟雾气溶胶的传播，但此阶段尚 未出现火焰，热量释放还不算很高，温度上升仍很缓慢，这是火灾的初起阶段。 火焰和放热阶段：即为阴燃阶段的末期，此时阴燃面积扩大，温度逐渐上 升，给起火准备了温度条件。由于物质温度的不断上升，可燃气体的大量释放， 开始出现火焰，通常伴随有更多的烟雾产生。火焰产生了光辐射，其辐射波长 为0 2 0 4 u m ，覆盖整个紫外到红外波段，其能量大部分集中在红外波段。由于 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 产生了大量的高温烟气，逐渐形成上升气流的火柱；烟羽流内由于密度与压力 梯度方向不一致而产生空气漩涡，漩涡在上升过程中不断耗散，形成三维各向 异性湍流运动。烟羽流到达房间顶部后会形成水平运动的热气层，可分流层和 他们的转变状态，水平分流层经过障碍物和墙壁形成反浮力流等。烟雾粒子在 运动中产生相互碰撞，出现了烟雾粒子凝聚现象。伴随着火焰放射出大量的热 量，这个阶段是烟温并存，着火面积迅速扩大，同时烟气中含有大量的毒气， 对人有致命性危害。随后火灾进入高温燃烧，这时火场温度达到高峰，辐射大 量红外线、可见光和紫外线，但烟雾己开始迅速减少。随着燃烧物质的耗尽， 火灾逐渐衰减熄灭，余烬温度也开始下降【1 3 】。 2 3 2 火灾探测的方法 探测器是火灾报警系统的现场探测部件，它的好坏直接关系到整个系统是 否正常运行。当火灾发生时，把因火灾产生的各种非电量参数( 如烟，温度等 参数) 变成电量参数传送给控制器，目前的智能型探测器能够自身判断火灾并 将报警信息反馈给控制器，从而由控制器发出声光报警信号，并根据探测器的 地址信息给出具体发生火灾的详细地理位置。火灾探测器根据火灾发生时所表 现出来的物理现象可以分为：气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大 类【1 4 】。火灾一旦产生便以接触式( 物质流) 和非接触式( 能量流) 的形式向外释放能 量。接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等；非接触式如声音、 辐射等。火灾探测技术就是试图从火灾过程中提取适当的特征作为探测识别火 灾的参数，利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另外一种易于处 理的物理量。各种探测器对应的火灾物理参量及探测器如图2 7 所示。 1 3 武汉理t 大学硕十学位论文 图2 - 7 火灾报警探测器的分类 从受限空间火灾发展的几个阶段及其表现特点可以看出，其中最明显，最 容易提取的参数以实现自动探测的就是火灾的高温特征。不论是何种火源，也 不论是在何种环境下产生的火灾，它们都要释放大量的热。由于受限空间火灾 都会在天花板附近形成热气层，特别是许多液体物质火灾，往往发生时没有阴 燃阶段而直接产生火焰和骤然产生大量的热，因此，采用提取温度变化参数来 实现火灾自动探测也就是顺理成章的事了【l 纠6 1 。 感温式火灾探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应 的火灾探测器，它把温度的变化转换为电信号以达到报警目的。1 8 9 0 年英国研 制成功了世界第一个感温式火灾探测器，它能够有效地探测到火灾产生的热量 并自动报警，这标志着火灾自动探测技术的正式诞生。根据监测温度参数的不 同，一般用于工业和民用建筑中的感温式火灾探测器有定温式、差温式、差定 温式几种。 定温式：温度上升到预定值时响应的火灾探测器。 差温式：环境温度的温升速度超过一定值时响应的火灾探测器。 1 4 武汉理t 大学硕十学位论文 差定温式：兼有定温、差温两种功能的火灾探测器1 1 7 j 。 实际上许多火灾到了释放大量热量时，火势已经较大了，所以，尽管以感 温方式探测火灾简单、可靠，但除了一些特定物质火灾，一般认为以感温方式 探测火灾达不到早期探测火灾的目的，因此人们又转而寻找能够更早期探测到 火灾的方法。由于大部分火灾都要释放大量的烟，通常烟雾出现比火焰和高温 都要早，因此出现了采用探测烟雾的方法来探测早期火灾。2 0 世纪4 0 年代末， 瑞士的w c j a e g e r 和e m e i l i 等人根据电离后的离子受烟雾粒子影响会使电离电 流减小的原理，发明了离子感烟探测器，它可以有效地探测火灾烟雾，使得火 灾探测报警时间大大提前，极大地推动了火灾自动探测技术的发展。 离子感烟探测器是点型探测器，它是在电离室内含有少量放射性物质：镅 2 4 1 ，该放射性物质可使电离室内空气成为导体，允许一定电流在两个电极之间 的空气中通过，射线使局部空气成电离状态，经电压作用形成离子流，这就给 电离室一个有效的导电性。感烟电离室是离子感烟探测器的核心传感器件，其 结构和特性如图2 8 所示。电离室两极间的空气分子电离为正离子和负离子，这 样，电极之间原来不导电的空气具有了导电性。此时在电场作用下，正、负离 子的有规则运动，使电离室呈现典型的伏安特性，形成离子电流。 主癌细 。 区斌 蔷 碰 啦 鼍 电离区慧 ( a ) 单极性电离室结构( b ) 电离室特性 图2 8 电离室结构和电离特性示意图 电离室可以分为双极性和单极性两种结构，整个电离室全部被a 射线照射 的称为双极性电离室；电离室局部被a 射线照射，使一部分形成电离区，而未 被a 射线照射的部分成为非电离区，从而形成单极性电离室。般离子感烟探 测器的电离室均设计呈单极性的。当火灾发生时，烟雾进入电离室后，单极性 电离室要比双极性电离室的离子电流变化大，可以得到较大的电压变化量，从 武汉理工大学硕士学位论文 而提高离子感烟探测器的灵敏度。烟雾粒子进入电离室后，被电离部分( 区域) 的正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上，使正、负离子相互中和的几率增加， 它们由于与离子相结合而降低了空气的导电性，形成离子移动的减弱，从而将 烟雾浓度的大小以离子电流的变化量大小表示出来。当导电性低于预定值时， 探测器发出警报i l 引。 离子感烟探测器采用的是传统的接触式烟雾探测方法，从理论上分析，离 子感烟探测器对灰烟、黑烟以及各种粒径大小的烟具有较平衡的探测性能，只 存在响应行为的数值差异。离子感烟探测器对黑烟、白烟都有比较好的响应， 但是对慢速阴燃火却响应不灵敏。对有焰火产生的小颗粒烟粒子敏感，对于粒 径较大的阴燃烟雾粒子，响应灵敏度则偏低。尤其是安装高度的限制，粒径大 于l u m 的烟雾粒子由于自身重力作用下沉，不易到达探测器引起响应。离子感 烟探测器生产成本较低，但由于电离室的设计中采用了放射性元素，其生产、 储运和报废的过程有污染环境的危险。离子感烟探测器的滤网对于灰尘、飞虫 等有隔离作用，但探测器本身极易受湿度、风速等环境干扰。尽管离子感烟是 极其有效的火灾探测方法，而且也得到了大量地应用，但是由于它会对环境造 成污染，人们希望寻找到新的烟雾探测方法。随着半导体器件的发展，2 0 世纪 7 0 年代术出现了光电烟雾探测方法1 1 w 。 光电感烟器也是点型探测器，它是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传 播特性这一基本性质而研制的。由于烟雾是由不同直径的细小粒子组成的，当 光照射到烟粒子时，一方面烟粒子会将光能向各个方向散射，另一方面烟粒子 还会吸收光能将其转换成其它形式的能量。利用烟粒子对光的散射效应，可以 构成散射光型光电烟雾探测器，它是根据光源发出的光经烟粒子散射到光电接 收元件上而探测烟雾的。光电烟雾探测器对浅色烟雾十分敏感，环境湿度变化 对它的影响较小，又不存在放射性污染，是很有发展前途的的烟雾探测器【2 叭。 光电探测器的详细原理将放在下一节介绍。 除上述的火灾探测方法外，还有许多其它探测方法。如感光式探测器，物 质燃烧时，在产生烟雾和放出热量的同时，也产生可见或不可见的光辐射。感 光式火灾探测器又称火焰探测器，它是用于响应火灾的光特性。即扩散火焰燃 烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。根据火焰的光特性，目前 使用的火焰探测器有两种：一种是对波长较短的光辐射敏感的紫外探测器，另 一种是对波长较长的光辐射敏感的红外探测器。紫外火焰探测器是敏感高强度 1 6 武汉理t 大学硕士学位论文 火焰发射紫外光谱的一种探测器，它使用一种固态物质作为敏感元件，如碳化 硅或硝酸铝，也可使用一种充气管作为敏感元件。红外光探测器基本上包括一 个过滤装置和透镜系统，用来筛除不需要的波长，而将收进来的光能聚集在对 红外光敏感的光电管或光敏电阻上。感光式火灾探测器宜安装在有瞬问产生爆 炸的场所。如石油、炸药等化工制造的生产存放场所等。这类场所的火灾没有 阴燃阶段，燃烧过程中烟雾少，用感烟探测器显然不行。燃烧过程中虽然有强 热辐射，但总的来说感温式探测器的响应速度偏慢，不能及时对爆燃性火灾作 出报警反应。感光式探测器则可对爆燃性火灾瞬间产生的强烈光辐射作出快速 报警反应。 另外还有可燃气体探测器，这种探测器可对单一或多种可燃气体浓度响应， 适合安装在可能会有可燃性气体泄漏的危险场所( 如厨房、燃气储藏室、油库、 石化场所、易挥发并易燃的化学品储藏室等) ，这样可以更好地杜绝一些重大 火灾的发生。可燃气体探测器主要分为半导体型和催化型两种。由半导体做成 的气敏元件，对氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气等可燃性气体有很高 的灵敏度。该种气敏元件在2 5 0 , - - - , 3 0 0 0 c 温度下，遇到可燃性气体时，电阻减小， 电阻减小的程度与可燃性气体浓度成正比。通过外接电阻上的分压可将浓度的 变化转化为电压变化量，再由m c u 微控制器检测该电压变化并判断是否要输出 火警。催化型可燃气体探测器采用铂丝作为催化元件，当铂丝加热后，其电阻 会随所处环境中可燃气浓度的变化而变化，具体检测电路多设计成电桥形式。 环境中无可燃性气体时，电桥平衡无输出。当环境中有可燃性气体时，检测用 铂丝由于催化作用导致可燃性气体无焰燃烧，铂丝温度进一步增大，使其电阻 也随之增大，电桥失去平衡有报警信号输出。 复合式火灾探测器是对两种或两种以上火灾参数响应的探测器，它有感烟 感温式、感烟感光式，感温感光式等几种型式。 随着传感技术和信号处理手段的不断完善，火灾探测技术随之也有了突飞 猛进的发展，并已从单一的物理量探测逐步转变为多元复合智能探测模式，为 火灾监测提供了可靠的保证。新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用 领域，为一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展， 如傅立叶近红外光谱技术、弱信号处理技术、低功耗m c u 技术进一步促进了传 统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。火灾探 测器朝着极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向发展 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 迈出了更快的步伐1 2 。 2 3 3 光电感烟探测器的工作原理 光散射是指由于介质中的微粒对照射光束产生散射从而使光波偏离原来的 传播方向而向四周散射的现象，其物理本质是光波的电场与介质分子相互作用 的结果。对于不均匀介质，在各个方向上都会产生散射光，散射光强大小与入 射光的光强及波长、颗粒的几何尺寸及折射率、接收方向及距离等多个因素有 关。从严格的意义上讲，除了