（计算机软件与理论专业论文）基于can总线的漏电火灾报警系统设计与实现.pdf

- 一 _ j ，irr at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc r e e p a g e f i r ea l a r m s y s t e m b a s e do nc a n - - b u s b yq iw e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rd e n gq i n g x u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 2jjji1l83m 4m 8 iiiily 肇 j j 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 寄巍 日 期：1 们形7 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口 一年拶 一年半口两年口 学位论文作者签名： 专担 签字日期：泖y 7 7 导师签名：2 甲、之j 髫导师签名：z 【、弋 桕 签字日期：易矽男、7 6 j l 东北大学硕士学位论文 摘要 基于c a n 总线的漏电火灾报警系统设计与实现 摘要 随着经济与技术的高度发展，全国各地高层建筑如雨后春笋，而且楼层愈来愈高， 内部装修越来越豪华，在高层建筑内部又有许多楼梯、电梯和直通上下楼层的各类管线， 这就好像是在建筑物内部埋藏了许多导火筒。加之楼内空调、排风、排烟、各类管道等 大大增加了火灾发生的概率。为了防止电器火灾，g b 5 0 0 4 5 。9 5 高层民用建筑设计防火 规范9 5 条规定在高层建筑内火灾危险性大，人员密集等场所设置漏电火灾报警系统。 在火灾发生时火灾报警系统能尽快得到报警信息并采取相应的措施，能够在火灾发生初 期控制险情，降低发生大型火灾的概率，减少经济损失和人身伤害。智能火灾报警系统 是当今火灾报警技术发展的必然趋势。 目前，在各商场、办公楼等建筑内安装的火灾报警系统及消防设施，能独立处理火 灾事故，但作用域仅为某一区域或局部范围。对每个区域的独立消防系统分别进行监控 不仪耗费人力物力，限制了消防信息的管理水平，更不利于集中式的监控和调度。2 0 0 6 年全国发生火灾3 0 万起，其中电器火灾占2 8 1 ，特大火灾中电器火灾占比例约为8 0 。 电器火灾，究其根本原因，有5 4 3 是漏电引起的。为了解决以上问题，我们提出了基 于c a n 总线的漏电火灾报警系统，实现了监控和调度的集中化，有效预防了漏电火灾 的发生。 本论文分析了传统报警系统不足，在此基础上提出了一种基于c a n 总线的漏电火 灾报警系统。并根据系统的响应速度、通信范围、稳定性等功能需求，设计了数据采集、 c a n 总线网络和数据存储硬件电路，并引入了嵌入式操作系统l a c o s i i ，将应用分解为 多个任务，设计了数据采集、数据存储和通信等任务，简化了应用系统软件的设计，使 系统的实时性得到了保障。 关键词：火灾报警系统；嵌入式；a r m ；g c o s i i ；c a n 总线 i i _ j ， h - r 、 乙j 曩 辜 1 1 i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o f c r e e p a g e f i r ea l a r m s y s t e m b a s e do nc a n - b u s a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dt e c h n o l o g y , t h r o u g h o u tt h ec o u n 仃y ，m o r ea n dm o r e h i g h r i s eb u i l d i n gw a sb u i l d t h e r ea r em o r ea n dm o r ef l o o r s a n dl u x u r i o u si n t e r i o rd e s i g n i i lh i g h - r i s eb u i l d i n gt h e r ea r em a n yi n t e r n a ls t a i r c a s e s ，e s c a l a t o r sa n da l lk i n d so fp i p e l i n e s t h i sj u s tl i k ep l a c eab o m bi nt h eb u i l d i n g s a n da i r - c o n d i t i o n i n ga n dc h a n n e l so fv e n t i l a t i o n e x h a u s ti n c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo ff i r e i no r d e rt op r e v e n te l e c t r i c a lf i r e s ，a r t i c l e9 5i n g b 5 0 0 4 5 - 9c o d ef o rf i r ep r o t e c t i o nd e s i g no fh i g h r i s eb u i l d i n g sr u l e st h a ti nt h ep l a c eo ft h e f i r er i s ki sl a r g ei nh i g h r i s eb u i l d i n ga n dd e n s e l yp o p u l a t e d ，f i r ea l a r mi sn e e d e d w h e nt h e f i r eb r o k eo u t ，f i r ea l a r ms y s t e mc a ng e ta l a r mi n f o r m a t i o na sq u i c k l ya si tc a na n dt a k e c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s i tc a nc o n t r o ld a n g e ri nt h ee a r l yf i r ea n dr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo f a m a j o rf i r e ，e c o n o m i cl o s s e sa n dp e r s o n a li n j u r y i n t e l l i g e n tf i r ea l a r ms y s t e mi st h ei n e v i t a b l e t r e n do fd e v e l o p m e n to ff i r ea l a r mt e c h n o l o g y n o w a d a y s ，t h ef i r ea l a r ms y s t e ma n df i r ef a c i l i t i e si ns h o p p i n gm a l l sa n do f f i c eb u i l d i n g s c a ni n d e p e n d e n t l yd e a lw i t hf i r ea c c i d e n t b u tt h es c o p ei so n l yar e g i o n a lo rl o c a la r e a m o n i t o r i n gi n d e p e n d e n ta l a r ms y s t e mi ne v e r yr e g i o nc o n s u m e sr e s o u r c e s ，l i m i t st h ef i r e i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tl e v e la n di sn o tc o n d u c i v et oc e n t r a l i z e dc o n t r o la n ds c h e d u l i n g i n 2 0 0 6 ，t h e r ew e r e3 0 0 ，0 0 0c a s e so ff i r ei nt h ew h o l ec o u n t r y , w h i c he l e c t r i c a lf i r e sa c c o u n t e d f o r2 8 1 8 0p e r c e n t so fe x t r e m e l ys e r i o u sf i r ei se l e c t r i c a lf i r e s 5 4 3 o fe l e c t r i c a lf i r e sa r e c a u s e db yc r e e p a g e t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m ，w eh a v ep r o p o s e dt h ec r e e p a g ef i r ea l a r m s y s t e mb a s e do nc a n - b u s i ti m p l e m e n t st h ed e c e n t r a l i z a t i o no ft h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l a n de f f e c t i v e l yp r e v e n t st h ef i r e i nt h i sp a p e r , w ea n a l y z et h el a c ko ft r a d i t i o n a la l a r ms y s t e ma n di m p r o v ei to nt h i sb a s e a c c o r d i n gt ot h er e s p o n s er a t e ，t h es c o p eo fc o m m u n i c a t i o na n ds t a b i l i t y , w ed e s i g n h a r d w a r ec i r c u i to fd a t ac o l l e c t i o n ，c a n b u sn e t w o r ka n dd a t as t o r a g e a n dw ea d d e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e muc o s i i w ed i v i d ea p p l i c a t i o ni n t oan u m b e ro ft a s k sa n d d e s i g nt h ed a t ac o l l e c t i o n ，d a t as t o r a g ea n dc o m m u n i c a t i o n sa s t a s k s i ts i m p l i f i e st h e s o f t w a r ed e s i g no fa p p l i c a t i o n sa n dg u a r a n t e er e a l - t i m es y s t e m 1 1 1 。l-陌 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：f i r ea l a r ms y s t e m ；e m b e d d e d ；a r m ；uc o s - i i ；c a n b u s i v j - ， 3 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要 a b s t r a c t i 第1 章引言1 1 1 研究背景1 1 2 嵌入式系统概述1 1 3 嵌入式处理器和a r m 2 1 4 嵌入式操作系统和c o s i i 操作系统3 1 5 现场总线c a n b u s 简介及性能分析4 1 6 火灾探测技术研究现状”6 1 6 1 火灾探测原理6 1 6 2 火灾探测器6 1 6 3 本系统探测器原理8 1 7 本文研究工作9 第2 章漏电火灾报警系统总体设计1 1 2 1 需求分析1 1 2 2 总体结构及功能描述1 2 2 3 系统硬件结构设计1 2 2 4 系统软件结构设计1 3 第3 章系统硬件设计与实现1 5 3 1 系统硬件结构1 5 3 2 硬件选择1 5 3 2 1 处理器选型1 6 3 2 2 存储器选型1 6 3 2 3a d c 选型1 9 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 数据采集电路设计与实现1 9 3 3 1 工作原理1 9 3 3 2 采样过程2 0 3 3 3t l c 2 5 4 3 与s p i 接口硬件连接设计与实现2 1 3 4c a n 总线硬件连接。2 3 3 5 ，j 、结。2 4 第4 章系统软件设计与实现2 5 4 1 相关开发环境介绍2 5 ， 4 2 系统软件模块划分2 6 4 3 数据采集模块设计与实现”2 7 4 3 1s p i 接口概述2 7 4 3 2 数据采集模块设计”2 8 4 3 6 通过s p i 接口控制t l c 2 5 4 3 实现数据采集2 9 4 4 数据存储模块设计与实现3 l 4 4 1f l a s hb o o t 装载程序3 1 4 4 2 数据存储设计3 1 4 4 3 数据存储的实现3 3 4 5 数据传输模块设计与实现3 6 4 5 2c a n b u s 总线基本概念及数据帧类型简介3 6 4 5 3c a n 总线驱动程序设计与实现3 8 4 6p c o s i i 操作系统移植4 0 4 6 1 定义操作系统数据类型4 2 4 6 2 使用软中断s w i 做底层接口”4 2 4 6 3 堆栈增长方式4 3 4 6 4 任务堆栈初始化4 3 4 6 4 软中断异常服务程序4 4 4 6 5 开中断与关中断”4 5 4 6 6 移植增加的特定函数4 5 4 6 7 任务切换功能实现4 6 v i 东北大学硕士学位论文目录 4 6 8 挂接s w i 软中断”4 7 4 7p c o s i i 任务管理”4 8 4 8 上位机通信实现4 9 第5 章各模块功能测试及系统效果5 1 5 1 数据存储模块测试5 1 5 2 数据采集模块测试5 1 5 3 上位机与下位机问通信测试5 2 5 4 性能测试5 3 第6 章结论与展望。5 5 6 1 主要工作5 5 6 2 以后工作及展望5 5 参考文献5 7 致谢5 9 攻读硕士期间参加的项目：6 1 v l i 东北大学硕士学位论文第1 章引言 第1 章引言 1 1 研究背景 一直以来，火灾威胁着人们的生命和财产。人们生活水平的提高，经济飞速发展， 以及城市流动人口的急剧增加等多种因素在客观上增加了火灾发生的潜在可能。目前国 内厂家多偏重用于仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，其 系统复杂、成本较高，而且大多数系统以楼宁为单位( 或以小区为单位) 以人工电话为报 警方式。虽然有些楼宇提供了楼宇自动化功能，加强了楼宇的消防自动报警系统，但实 际上报范围仪限于本楼宇。当出现火警时，一般是消防值班人员拨打1 1 9 电话报警采用 人工报警方式有时由于人为因素又有可能导致漏报和虚报或者延时报警，给人民生命财 产安全带来重大损失。因此在居民住宅、办公室等单个的小型防火单位安装廉价实用的 火灾自动报警系统成为一种良好的的选择，其可作为大型火灾报警系统的有益补充。北 京市消防局的权威统计表明，2 0 0 5 年北京市共发生火灾7 3 2 起，其中电气火灾占3 3 7 ，更 值得注意的是，特大火灾中的电气火灾所占比例更大，约占特大火灾总量的7 0 8 0 。统 计结果表明，与漏电相关的问题引发的火灾中占有较大比例，已经成为预防和有效遏制 电气火灾必须重视的问题。为此，国家在建筑设计规范中，提出了漏电火灾报警系统的设 计要求。 1 2 嵌入式系统概述 嵌入式系统是以应用为中心，计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应于特定应用 系统，对功能、可靠性，成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统嵌入式计算 机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了 5 - 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡等均是由嵌入式处理器控制 的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、 消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。嵌入式系统是将先进的计算机技术、 半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然 是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去 除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用对处理器的选 择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添 东北大学硕士学位论文第1 章引言 加才能达到理想的性能：但同时还受用户订货量的制约。因此不同的处理器面向的用户 是不一样的，可能是一般用户，行业用户或单一用户 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进 行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件， 一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统的 应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业的应用系统和产品，和通用 计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性 和技术衔接性，发展比较稳定。 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性，一个体系一般要存在较长时间。一个体系结 构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套复杂的知识系统， 用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 1 3 嵌入式处理器和a i 洲 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全世界嵌 入式处理器的品种总量己经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列，其中8 0 5 1 体系 的占有多半。生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种衍生产品，仅p h i l i p s 就有近1 0 0 种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自 己的处理器设计部门。嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微 处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大 幅度减小系统体积和功耗【l 】。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在 功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁千扰、可靠性等方面一般 都做了各种增强。嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 ，3 8 6 e x ，s c 4 0 0 ，d s p ，p o w e r p c ， 6 8 0 0 0 ，m i p s ，a r m 系列等【2 1 。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 为开发完成系统提供综合技术支持。a r m 的微处 理器核技术广泛用于便携式通信产品、手持运算、多媒体和嵌入式解决方案等领域，已 成为黜s c 标准。 目前，在3 2 位市场上，a r m 扮演着8 位市场上8 0 5 1 的和角色。1 9 9 0 年1 1 月城里的a r m 公司经历十多年的发展，现拥有广泛的全球技术合作伙伴，这其中包括许多世界级的半 导体公司。a r m 技术具有很高的性能和更高的功效，a r m 芯片大多把s d r a m ，l c d 等 控制器集成到片子当中【3 1 。而在8 位机，大多要进行外廓，因而a r m 容易被用户接受。 同时，合作伙伴的增多，可获得更多的第三方工具、制造和软件支持，又使整个系统成 本降低，使新产品进入市场的时间加快，从而具有更大的竞争优势。 2 o 厶o 东北大学硕士学位论文第1 章引言 1 4 嵌入式操作系统和l a c o s i i 操作系统 嵌入式处理器是一个复杂的高技术系统，要在短时间内掌握并开发出所有功能是很 不容易的，这一矛盾要求嵌入式处理器能够有容易掌握和使用的开发工具平台。提高用 户和程序员的时间投入回报率。实时多任务操作系统( r t o s ) 是嵌入式应用软件的基础 和开发平台。目前在中国大多数嵌入式软件开发还是基于处理器直接编写，没有采用商 品化的r t o s ，不能将系统软件和应用软件分开处理r t o s 是一段嵌入在目标代码中的 软件，用户的其它应用程序都建立在r t o s 之上不但如此，r t o s 还是一个可靠性和可 信性很高的实时内核，将c p u 时间、中断、i 0 、定时器等资源都包装起来，留给用户一 个标准的a p i ，并根据各个任务的优先级，合理地在不同任务之间分配c p u 时间。r t o s 最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储器管 理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理等，这些管理功能是通过内 核服务函数形式交给用户调用的，也就是r t o s 的a p i 目前流行的嵌入式操作系统主要有p a l m o s ，w i n d o w s c e ，e p o c ，l i n u x ，q n x ，g c o s ， l y n x ，高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面和网络支持。很多高端 r t o s 供应商己经提供了这些功能，但其价格也很高端，一般人难以接受。微软的 w i n d o w sc e 也有此类功能，却不具备大多数嵌入式系统要求的实时性能，而且难以移 植，也曾经有人想以d o s 为基础用单独的第三方工具拼凑一个系统，但这种努力将是白 费。众所周知，m i c r o s o f t 的东西向来都是以昂贵出名，而现在需要的是一个便宜，成熟 并且提供高端嵌入式系统所必须特性的操作系统【4 j 。 g c o s i i 操作系统是一个完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式实时多任务内核。 g c o s i i 用a n s ic 语言编写，包含- d , 部分汇编代码，使之可供不同构架的微处理器使 用。至今，从8 位n 6 4 位，g c o s i i 已经在超过4 0 中不同架构的微处理器上运行。其具有 以下特点： ( 1 ) 可移植性( p o r t a b l e ) ：g c o s i i 的源代码绝大部分是使用移植性很强的a n s ic 编写的，与微处理器硬件相关的部分使用汇编语言编写。汇编语言编写的部分已经压缩 到最低的限度，以使g c o s i i 便于移植到其它微处理器上。目前，g c o s i i 已经被移植到 多种不同架构的微处理器上。 ( 2 ) 可固化( r o m a b l e ) ：只要具备合适的软硬件工具，就可将g c o s i i 嵌入到产品 中，成为产品的一部分。 ( 3 ) 可裁剪( s c a l a b l e ) ：g c o s i i 使用条件编译实现可裁剪，用户程序可以只编译自 己需要的( g c o s i i ) 的功能，而不编译不需要的功能，以减少i - t c o s i i 对代码空间和数 3 东北大学硕士学位论文第1 章引言 据空间的占用。 ( 4 ) 可剥夺( p r e e m p t i v e ) ：i t c o s i i 是完全可剥夺型的实时内核，总是运行就绪条 件下优先级最高的任务。 ( 5 ) 多任务：o c o s i i 可以管理6 4 个任务，然而i r t c o s i i 的作者建议用户保留8 个给 t c o s i i 。这样，留给用户的应用程序最多可有5 6 个任务。 ( 6 ) 可确定性：绝大多数i _ t c o s i i 的函数调用和服务的执行时间具有确定性，也就是 说，用户总是能知道l a c o s i i 的函数调用与服务执行了多长时间。 ( 7 ) 任务栈：i t c o s i i 的每个任务都有自己单独的栈，使用i _ t c o s i i 的栈空间校验函 数可确定每个任务到底需要多少栈空间。 ( 8 ) 系统服务：i 上c o s i i 提供很多系统服务，例如信号量、互斥量、时间标志、消息 邮箱、消息队列、块大小固定的内存的申请和释放及时间管理函数等。 ( 9 ) 中断管理：中断可使正在执行的任务暂时挂起。如果优先级更高的任务被中断 唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行。中断嵌套层数可达2 5 5 层。 ( 1 0 ) 稳定性与可靠性：1 t c o s i i 是基于i ，t c o s 的内核是一样的，只是提供了更多的功 能。另外，2 0 0 0 年7 月，i _ t c o s i i 在一个航空项目中得到了美国联邦航空管理局对商用飞 机符合r t c ad o 1 7 8 b 标准的认证。这一结论表明，该操作系统的质量得到了认证，可 在任务应用中使用。【5 】 1 5 现场总线c a n b u s 简介及性能分析 c a n b u s ，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。起先，c a n b u s 设计作为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置m c u 之间交换信息，构 成汽车电子控制网络。比如发动机管理系统、变速箱控制器、仪表设备等电子主干系统 中，均嵌入c a n 控制装置。 c a n b u s 是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求高位速率。高抗电磁 干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到l o k m 时，c a n b u s 仍 可提供高达5 k b p s 的数据传输速度。由于c a n 串行通信总线具有这些特性，所以，它 很自然地在汽车、制造业以及航空工业中得到了广泛应用。 作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通信控制方式， c a n b u s 已被广泛应用到各个自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线都 可以使用c a n b u s 。例如在汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各 领域，c a n b u s 都具有不可比拟的优越性。 4 东北大学硕士学位论文第1 章引言 c a n b u s 的主要特性如下： 低成木的现场总线； 极高的总线利用率； 很远的数据传输距离；( 长达1 0 k i n ) ； 高速的数据传输速度( 高达1 m b p s ) ： 多主结构依据优先权进行总线访问； 可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文； 可靠的错误处理和检错机制； 发送的信息遭到破环后可自动重发； 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能； 报文不包含源地址或目标地址，仅用标识符来指示功能信息、优先级； 通信介质支持双绞线、同轴电缆或者光纤。 c a n 总线上用“显性”和“隐性”两个互补的逻辑值表示“0 ”和“l ”，其逻辑值 是通过收发器引脚的一和一工引脚的差分电压实现的。在隐形状态，一和 一l 被固定在平均电压电平附近，差分电压近似为0 这里我们选取在国内惯用的r s 4 8 5 总线与c a n b u s 总线进行比较如表1 1 ，不难 看出串行的数据通信应用上c a n b u s 总线具有的强大优势【6 】。 表1 1r s - 4 8 5 与c a n b u s 比较 t a b l e1 1c o m p a r eb e t w e e nr s - 4 8 5a n dc a n - b u s 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章引言 1 6 火灾探测技术研究现状 火灾探测原理就是探测技术与火灾物理特征相互耦合的过程。火灾是一个复杂的非 平稳动态过程，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。 1 6 1 火灾探测原理 接触式形式包括气体、烟雾、气溶胶等；非接触式如声音、火焰、辐射等。根据不 同火灾参量的物理特征，可利用多种物理量转换效应作为火灾探测原理，构成具体的探 测技术。 然而，传统的火灾探测原理难以进行早期火灾探测，如利用热胀冷缩原理及热电效 应进行火灾探测，只有火灾达到一定的规模后，才能产生足够的热，进而被温度传感器 测得；采用遮光法或散射法的原理测量火灾过程中的烟雾浓度，要使传感器做出响应， 烟必须有足够的浓度，以便将光挡住或散射。这些探测原理从方法上决定了它们对早期 火灾探测的不足，当探测系统报警时，火灾已发展到有焰燃烧或阴燃后期。而对于电器 防火来说，可以在火灾发牛以前，就可以检测出是否可能将发生火灾1 1 6 2 火灾探测器 ( 1 ) 感温式火灾探测器 火灾探测器发展到现在已经有一百多年的历史。1 8 9 0 年英国研制成功了世界上第 一台感温式火灾探测器【”，开创了火灾探测技术的新纪元。感温式火灾探测器利用物质 燃烧过程中释放的热量导致环境温度升高，使感温探测器中的热敏元件发生物理变化的 原理，将温度信号转变成电信号，传输给火灾报警控制器，从而发出火灾报警信号。 根据感热效果和结构型式，感温火灾探测器可分为定温火灾探测器、差温火灾探测 器和差定温复合火灾探测器。定温火灾探测器根据局部的环境温度升高到规定温度以上 时开始动作；差温火灾探测器根据升温速率来动作，如果升温速率超过预定值时则发出 报警信号；差定温复合火灾探测器是兼有差温、定温两种功能的感温火灾探测器。感温 火灾探测器结构简单，电路少，与感烟探测器相比可靠性高、误报率低，且可以做成密 封结构，防潮、防火、防腐蚀性好，可在恶劣环境( 如风速大、多灰尘、潮湿等) 使用， 但是灵敏度低、响应速度慢，不能感应阴燃火情，报警时间迟，只适应于发展到一定程 度的火灾的探测。 6 东北大学硕士学位论文第1 章引言 ( 2 ) 感烟式火灾探测器 ( a ) 离子感烟火灾探测器 2 0 世纪4 0 年代，随着离子探测室、电子技术的发展，瑞士物理学家e r n s tm e i l i 成 功研制了离子型感烟火灾探测器。离子感烟探测器利用放射性元素z 。- 镅( z a ，a m ) 放射出的 a f 射线，使电离室的空气变成导电体，当烟雾进入电离室后，改变了空气电离的离子 数量，即改变了电离电流，通过检测电离电流的变化感知烟雾浓度。离子感烟火灾探测 器按电离室可分为双极性和单极性两种。整个电离室全部被a f 射线所照射，电离室内 的空气都被电离，我们把这种电离室称为双极性电离室。单极性电离室是指电离室局部 被口射线所照射，使一部分成为电离区，而未被a f 射线所照射的部分则为非电离区。 单极性电离室比双极性电离室的电离电流变化大，可以提高离子感烟探测器的灵敏度。 实际的离子感烟探测器是使用两个单极性电离室串联的形式，一个作为检测电离室，另 一个作为补偿电离室，这样可以减少环境温度、湿度、气压等自然条件变化对电离电流 的影响，提高探测器的环境适应能力和稳定性。离子感烟探测器对有焰火产生的小颗粒 烟粒子敏感，但对于粒径较大的阴燃烟雾粒子的响应灵敏度则偏低。同时，由于电离室 节 的设计中采用了放射性。镅，其生产、储运和报废的过程有污染环境的危险。 ( b ) 光电感烟火灾探测器 2 0 世纪7 0 年代末，由于高寿命的光电元件技术取得了重大突破，光电感烟探测器 应运而生。根据烟粒子和光相互作用时，发生散射和吸收两种不同的过程，将光电感烟 火灾探测器分为减光式和散射光式。减光式光电感烟火灾探测器的检测室内装有发光元 件及受光元件，在正常情况下，受光元件接受到发光元件发出的一定光量；而在发生火 灾时，探测器的检测室内进入了大量烟雾，发光元件的发射光受到烟雾的遮挡，因而使 受光元件接受的光线减少，光电流降低，降低到一定值时，探测器发出报警信号。目前 这种探测器应用较少。 ( 3 ) 火焰探测器 火焰探测器是一种响应火灾发出的电磁辐射( 红外、可见和紫外谱带) 的火灾探测 器。主要有紫外火焰探测器和红外火焰探测器两种。紫外火焰探测器一旦接受到波长为 1 8 5 0 2 4 5 0n m 的紫外线，探测器的紫外光敏器件通过电子线路产生脉冲信号，并由控制 器转变为与之成正比的直流电压信号，经判别发出报警。红外火焰探测器对火灾产生的 波长大于7 0 0 n t o 的强辐射红外光谱段能快速响应。火焰探测器具有对火焰反应速度快， 可靠性高等优点，对于起火速度快，且无烟遮蔽的明火火灾反应最为灵敏，紫外火焰探 测器同灭火装置组成的自动灭火系统可以快速报警和灭火。紫外火焰探测器不受风雨、 7 - 东北大学硕士学位论文第1 章引言 阳光、高湿度、气压变化、极限环境湿度等影响，能在室外使用，但在雷电及电弧光有 大量紫外线产生的场所运用此设备时，必须采取一定措施以防止非火灾报警。红外火焰 探测器由于探测光谱的波长较长，烟雾对光谱的吸收和衰减较为微弱，因此，在有大量 烟雾的火场，距火焰一定距离内仍可使红外光敏元件感应，可用于醇类、汽油等易燃液 体仓库等的火灾探测。 ( 4 ) 图像火灾探测器 对于物质燃烧产生的火焰，除了可以分析它的光谱特征外，还可以对其火焰形状进 行研究，这样就产生了图像火灾探测器。火焰是高温物体，而它的周围环境则是处于常 温状态。火灾火焰在发展的过程中其形状有一个不断变化和持续的过程，而普通火焰( 如 打火机点火、蜡烛燃烧、煤气火焰等) 和高温发光源( 如白炽灯、电炉等) 则没有这个 变化过程。这样就形成了火灾识别和探测算法的重要基础。国内已有研究表明利用液晶 片和c c d 摄像机可对火灾图像进行有效的探测。液晶片在不透光的情况下仍能透过红 外光，正常使用条件下的黑白c c d 摄像头对近红外光也有响应。将液晶片放置在摄像 机前就能获得具有强烈红外光的火焰图像。通过对红外图像的处理，即可识别真假火灾， 达到火灾探测的目的。另一个就是利用红外辐射成像技术判别火情，特别适合于监测正 在运行中的电器设备，它能检测电器设备发射出的红外辐射能量并将其转换为相应的信 号，再经专门的电信号处理系统进行处理，最后再经成像装置得到与物体表面温度相对 应的热图像。 1 6 3 本系统探测器原理 沙 图1 1 感应电流的产生 f i g 1 1g e n e r a t i o no ff a r a d i s m 漏电火灾报警系统是利用电流互感器检测电流的原理检测漏电电流的大小 如果导线中流过的电流为订，订在其周围将产生电磁场，电磁场的强弱与导线中 小成正比，电流互感器为高导磁率器件，把它置于电磁场中，在其次级线圈中将感 - 8 - 东北大学硕士学位论文第1 章引言 电流i 2 。 i l = i 2 * n 其中：n 为互感器的匝数可见，i 2 ，i 1 成正比【8 】【9 】。 a 处 i 1 图1 2 漏电电流产生原理 f i g 1 2t h ep r i n c i p l eo fr e s i d u a lc u r r e n t 如图1 2 所示，在正常情况下，l 线及n 线里流过的电流大小相等，方向相反。如果线 路绝缘劣化，例如l 线对地形成电阻，其电流为i o ，此时：i l = i 2 + i 0 ，则i 0 = i l i 2 。 在图中的a 处如果将电流互感器套住l 线和n 线，则电流互感器的线圈中将感应出与 i 0 成正比的电流，将电流互感器安装在b 处，同样也可以检测出i 0 ，将i o 称为漏电电流， 其数值大小反映了配电线路及电气设备的电气绝缘性能【l o 】。 由于有容性电流的存在，绝缘良好的电线电缆也能检测到数值较小的泄漏电流，但这 种泄露电流分布广且数值小，不会引起漏电火灾，漏电火灾报警系统可预先设定一个明 显高于泄漏电流的漏电报警动作值以避免误报。 1 7 本文研究工作 目前大多数火灾报警系统选用8 位的单片机做为处理器。现在的8 位单片机技术硬 件发展的非常快，也出现了功能非常强大的单片机。但是与3 2 位的a r m 相比还是有些 差距。a r m 芯片大多把s d r a m ，l c d 等控制器集成到微处理器当中，而单片机大多 需要进行外扩。软件方面，a r m 引入了操作系统，其优点主要体现在后期的开发，即 在操作系统上直接开发应用程序。不像单片机一样一切都需要重新写。其次，加入操作 系统以后，可以使内核和用户空间的内存管理分开，不会因为用户的单个程序错误而引 起系统死机。这在单片机的团间开发中没有见到过。再次，引入进程的管理调度系统， 9 东北大学硕士学位论文第1 章引言 使系统运行更高效【l l 】。在传统的单片机开发中大多是基于中断的前后台技术，对多任务 的管理有局限性。 火灾自动报警联网监控系统分为监控中心、网络和分控中心三部分。监控中心主要 负责远程的收集报警信息，而分控中心负责报警数据的采集、采集数据的计