（农业电气化与自动化专业论文）基于单片机的仓库防火预警系统研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含为获得塑兰堡盔些盘堂或其他教育机构的学 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已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲别 签字日期2 矿忙易月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑刍垦盔些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 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。本人授权塑兰垦盔些盘堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彩叩 签字日期：2 。j ( 年6 月石日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲伽? 次多芪 签字日期：2 。ff 年月6 白 电话： 邮编： 摘要 仓库是一个企业物资集中储存的重要场所，仓库安全是仓库管理的首要目标，而 对仓库安全的威胁主要来自人为的破坏和仓库物资因存储环境的变化或物资本身的 自变，其中人为的引起火灾是仓库安全威胁最大的因素。一旦发生火灾，会造成严重 的经济损失，还可能造成人员伤亡，后果十分严重。火灾是一种在时间和空间上失去 人为控制并造成一定损害的燃烧过程，是严重危害人类生命财产安全、直接影响经济 发展与社会稳定的一种最常见的灾害。随着经济的高速发展，城市建筑、物资仓库的 日益增多火灾的隐患也大大增加，火灾已成为我国常发性和破坏性最强的灾害之一。 本文研究的是基于单片机的多传感器火灾探测系统，本系统具有采集现场信息， 并将信息分析预测，结果传递给相关人员和显示火灾信息的功能，并且能够在现场对 火灾进行声光报警的功能。本文针对火灾自动预警系统结合国内外现状进行了深入的 研究。全面阐述了火灾自动预警系统的硬件电路和软件设计方案。以下是本文做的主 要工作： 1 火灾自动预警系统的控制器主芯片采用美国a t m e l 公司a v r 系列的a t m e g a l 6 单片机，该芯片具有价格低廉、高速度、低功耗等特点。主芯片对传感器送来的数据 进行分析处理，随后送液晶显示；所设计的预警系统具有较高的性价比，还具有操作 人员管理、探测器管理、预报警、火警处理、通讯等功能。 2 火灾信息的检测采用的是烟雾传感器n i s - 0 9 c 和温度传感器d s l 8 8 2 0 的配合使 用，通过非线性和线性时间序列分析算法对现场火灾信息进行预测是否达到预警值。 3 火灾自动预警系统与外部的通信采用的是无线通信方式，采用g s m 的t c 3 5 i 无线通信模块进行了无线通信电路的设计，t c 3 5 i 无线通信模块具有抗干扰能力强、 功耗低等优点；当主芯片对现场采集的信息进行处理后，如果达到了预警值主控制器 就会以短信方式通知相关工作人员，并进行现场声光报警。 本文的目的是开发一套价格低廉、结构简单、使用方便而且能及时的发现火情并 能有效的避免漏报、误报的火灾自动预警系统。 关键词：火灾探测器；a t m e g a l 6 ；时间序列分析；无线通信 w a r e h o u s ea u t o m a t i cf i r ea la r ms y s t e mb a s e do um c u ! ： a u t h o r ：z h a n g k u n 。 ，0 s u p e r v i s o r ：p r o f h us h u n - b i n m a j o r ：a g r i c u l t u r a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t w a r e h o u s ei sai m p o r t a n tp l a c eo fc e n t r a l i s ms t o r a g ee n t e r p r i s em a t e r i a l ，t h es e c u r i t y o fw a r e h o u s em a n a g e m e n ti sp r i o r i t yt a r g e t b u tw a r e h o u s es e c u r i t y st h r e a tm a i n l yc o m e s f r o mt h ea r t i f i c i a ld e s t r u c t i o na n dt h ew a r e h o u s ec o m m o d i t yc h a n g eo fe n v i r o n m e n to r c o m m o d i t y sf r o mc h a n g e s ，i nw h i c hw a r e h o u s e sb i g g e s ts e c u r i t yt h r e a tc o m ef r o mf i r eo f h u m a n s e l fa r o u s e t h ee v e n to f 胁，w i uc a u s es e r i o u se c o n o m i cl o s s e s m a ya l s or e s u l ti n c a s u a l t i e sw i t hv e r ys e r i o u sc o n s e q u e n c e s f i r ei sa c o m b u s t i o np r o c e s so fl o s sc o n t r o lo f h u m a na n dc a u s i n gs o m ed a m a g ei nt i m ea n ds p a c e f i r ei st h em o s tc o m m o nd i s a s t e rt h a t h a r mt oh u m a nl i f ea n dp r o p e r t ya n d d i r e c ti m p a c to ne c o n m o i cd e v e l o p m e n ta n ds o c i a l s t a b i l i t y f i r e s h i d d e n d a n g e rg r e a t l y i n c r e a s e d a l o n g w i t h r a p i de c o n o m i c d e v e l o p m e n t , b u i l d i n ga n dw a r e h o u s ei n c r e a s i n g i t so n eo ft h em o s td i s a s t e rt h a th a v e l l i 曲i m p e r f e c t i o na n dd e s t r u c t i v e n e s si no u rc o u n t r y n l i sp a p e ri sb a s e do nt h es i n g l e c h i p sm u l t i s e n s o r 舭d e t e c t i o ns y s t e m ，t h i ss y s t e m h a st h ec o l l e c t i o ns i t ei n f o r m a t i o n , a n di n f o r m a t i o na n a l y s i sa n df o r e c a s t i n g ，t h er e s u l t s p a s s e dt ot h er e l e v a n tp e r s o n n e la n dd i s p l a yf i r ei n f o r m a t i o nf u n c t i o n , a n dc a nb ec a r r i e d o u ti nt h ef i e l do ff i r ea l a r ms o u n da n dl i g h tf e a t u r e s t m sp a p e rt oi n - d e p t hr e s e a r c hf o r w a r n i n gs y s t e mf o rt h ea u t o m a t i cf i r es i t u a t i o na th o m ea n da b r o a dc o n d u c t e d i t ，s c o m p r e h e n s i v ee x p o s i t i o no ft h ea u t o m a t i cf i r ew a r n i n gs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c o m p o n e n t so ft h es p e c i f i cp r o g r a m s f o l l o w i n gi sam a j o rw o r kt od ot h i s ： 1 mm a i nc h i po ft h ec o n t r o l l e ro fa u t o m a t i cf i r ew a r n i n gs y s t e mi su s e di nt h e u n i t e ds t a t e sa 啪l c o r p o r a t i o na t m e g a l6a 、，rm i c r o c o n t r o l l e rs e r i e s ，t h ec h i ph a sa l o wc o s t ，h i g hs p e e d , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n 1 1 1 em a i nc h i pa n a l y z et h ed a t ao ft h e s e n s o r sd a t a , a n dt h e ns e n tt ot h el c d e a r l yw a r n i n gs y s t e md e s i g n e dw i t hah i g h e rc o s t p e r f o r m a n c ea n dh a so p e r a t i o n sp e r s o n n e lm a n a g e m e n t , p r o b em a n a g e m e n t , p r e - a l a r m , f i r ep r o c e s s i n g ，c o m m u n i c a t i o n sa n do t h e rf u n c t i o n s 2 f i r ei n f o r m a t i o nd e t e c t e db yt h es m o k es e n s o rn i s 0 9 ca n du s e di nc o n j u n c t i o n w i t ht e m p e r a t u r es e n s o rd s18 8 2 0 ，b yn o n l i n e a ra n dl i n e a rt i m es e r i e sa n a l y s i sa l g o r i t h m s t op r e d i c tt h eo n s i t ef i r ei n f o r m a t i o nw h e t h e rt h ea l a r mv a l u e 3 a u t o m a t i cf i r ew a r n i n gs y s t e ma n de x t e r n a lc o m m u n i c a t i o i l sw i t ht h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , t h et c 3 5 iw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o i l su s i n gg s mm o d u l ef o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t d e s i g n , t c 3 5 iw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ew i t h a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n 珊l e l lt h em a i n c h i pd e a lw i t ht h es c e n e i n f o r m a t i o n , i ft h i si n f o r m a t i o nr e a c h e dt h ef i r ea l a r mv a l u e ，t h eh o s tc o n t r o l l e rw i l ls e n dt h e s m st on o t i f yt h er e l e v a n ts t a f fa n ds o u n da n d l i g h ta l a r mo n s i t e t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e v e l o pal o wc o s t ，s i m p l es t r u c t u r e ，e a s yt ou s ea n d c a nf i n dt i m e l ya n de f f e c t i v ef i r ep r e v e n t i o no m i s s i o n , f a l s ea u t o m a t i cf k ew a r n i n gs y s t e m k e yw o r d s ：f i r ed e t e c t o r ；a t m e g a 16 ；t i m es e r i e sa n a l y s i s ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n l 绪 论1 1 1 研究背景：l ：1 2 火灾自动报警系统的发展1 1 2 1 根据发展过程分类_ l 1 2 2 根据应用类型分类。2 1 3 火灾报警的国内外现状及存在问题3 1 3 1 火灾预警系统的国内外现状3 1 3 2 国内火灾报警系统存在的河题4 1 4 本研究的目的及主要内容5 2 系统的总体设计6 ， 2 1 火灾的燃烧过程6 2 2 火灾探测器的分类7 2 2 1 感烟式火灾探测器。7 2 2 2 感温式火灾探测器8 2 2 3 感光式火灾探测器9 2 2 4c o 探测器。1 0 2 3 系统的总体设计及工作原理。l o 2 4 本章小结一1 1 3 火灾预警系统的硬件设计1 2 3 1a t m e g a l 6 单片机简介1 2 3 1 1a t m e g a l 6 资源及性能。1 2 3 2 感烟探测器的选择1 4 3 2 1 烟雾传感器的特点1 4 3 2 2 技术规格1 4 3 2 3 注意事项1 6 3 3 温探测器的选择l7 3 3 1d s l 8 8 2 0 产品的特点1 7 3 3 2d s i $ b 2 0 的引脚和工作说明1 7 3 3 3d s l 8 8 2 0 的寄存器1 8 3 3 4d s l 8 8 2 0 常用命令1 9 3 4 系统的无线通信模块2 0 3 4 1t c 3 5 i 主要性能和技术特点2 0 3 4 2t c 3 5 i 引脚说明2 l 3 4 3 常用的a t 指令2 2 3 5 液晶显示模块2 3 3 5 1 液晶显示原理2 3 3 5 2m si2 8 6 4 r 模块特性2 3 3 5 3 模块引脚说明2 4 3 5 。4m s l 2 8 6 4 r 用户指令集2 5 3 6 本章小结2 8 4 时间序列分析算法：2 9 4 1 时间序列的含义及分类2 9 4 2 平稳性时间序列预测模型3 0 4 3 单变量非线性时间序列分析3 2 4 3 1 非线性时间序列分析流程3 2 4 3 2 相空间重构3 5 4 3 3 观测时间序列平稳性的检验3 7 4 3 4 基于观测时间序列的系统非线性检验3 8 4 3 5 基于观测时间序列的系统确定性检验4 0 4 4 本章小结4 l 5 系统的软件设计4 2 5 1 系统总体流程。4 2 5 2 温度传感器的软件设计。4 2 5 2 1d s l 8 8 2 0 的时序4 2 5 2 2d s18 8 2 0 的软件程序4 4 5 3 无线通信模块的软件设计4 6 5 3 1g s m 模块的通信模式4 7 5 3 2 收发短信息格式4 7 5 3 3 无线通信模块子程序4 8 5 4 液晶显示子程序j 5 1 5 5 本章小结。5 2 6 总结与展望5 3 6 1 总结5 3 6 2 展望5 3 参考文献5 4 在读期间发表的学术论文。5 7 作者简介。5 8 致谢5 9 基于单片机的仓库防火预警系统研究 1 1 研究背景 1 绪论 仓库安全是仓库管理的首要目标，而对仓库安全的威胁主要来自人为的破坏和仓库物资因存 储环境的变化或物资本身的自变，其中人为的引起火灾是仓库安全威胁最大的因素。火灾是指在 空间和时间上失去控制并造成一定程度上损害的燃烧过程【l 】，是严重危害人类生命财产安全、直 接影响经济发展和社会稳定的一种最常见灾害，它也是世界上发生频率较高的灾害之一，在世界 上每天都有火灾发生，据联合国“世界火灾统计中心( w f s c ) 2 0 0 0 统计资料”，全世界每年的火 灾发生6 0 0 万至7 0 0 万次火灾，每年至少有6 5 0 0 0 人至7 5 0 0 0 人死于火灾【2 l 。火灾是全世界各国 人民所面临的一个共同的灾难性问题。它给人类社会造成了生命，财产的严重损失。随着经济的 发展，财富日益增加，火灾损失和危害范围也在极具的增加。据联合国“世界火灾统计中心”提 供的资料介绍，发生火灾的损失，美国不到7 年翻一番，日本平均1 6 年翻一番，中国平均1 2 年 翻一番全世界每天发生火灾l 万多起，造成数百人死亡近几年来，我国每年发生火灾约4 万起， 死2 0 0 0 多人，伤3 0 0 0 4 0 0 0 人。 在我国，随着经济的发展和生活水平的提高，火灾的危害也随之大幅提高。我国物资仓库正 朝着现代化、大型化、多功能化的方向发展，由于现代化仓库功能复杂，设备物资繁多，一旦发 生火灾，不能像一般建筑那样从外部进行灭火，给扑救工作和人员疏散带来了很大的困难，容易 造成重大的经济损失和人员伤亡。近年来国内外建筑的火灾频繁发生，造成了非常严重的危害。 因此，在现代化的仓库，还有大型宾馆、酒店、商场、图书馆、博物馆、档案馆和办公楼等公共 场所，对火灾报警系统提出了更高的要求。 为了有效的防止火灾，一方面要减少引起火灾的因素；另一方面要在发生火灾时，及时报警， 并采取有效措施控制火情的发展，将火灾消灭在初期阶段。为了确保人身安全，最大限度地减少 社会财富的损失。为此，火灾自动报警系统作为预防火灾的一个很重要的措施已经作为建筑设计 的强制性要求进入到了每一座具有火灾隐患的建筑内。 1 2 火灾自动报警系统的发展 1 2 1 根据发展过程分类 火灾自动报警系统的诞生已有1 0 0 多年历史。纵观1 0 0 多年人类开发火灾自动报警系统的过 程，我们可以把这一段历史分为三个阶段f 3 】： 初期阶段是用一些简单的分立元件构成的火灾自动报警系统，从十九世纪四十年代一直延续 到本世纪四十年代，这期间感温探测器占主导地位，火灾自动报警系统的发展处于初级阶段。1 8 4 7 年美国缅因大学教授f a r m e r 等研究出世界上第一台用于城镇的火灾报警发送装置，1 8 5 2 年成功 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 安装在波士顿。1 8 7 4 年英国安装了世界上第一套水喷淋装置，1 8 9 0 年感温式火灾探测器在英国 研制成功，到1 8 9 6 年几种不同类型的定温火灾探测装置相继研制成功了，并得到实际应用。2 0 世纪初，定温探测器逐步得到改进和发展，同时采用低熔金属的新型探测器也被研制出来，而到 了二十年代，为了满足迅速探测火灾的需要，人们利用升温速率原理，又发明了一种新型探测器， 即差定温火灾探测器，其在升温速率超过预定值时，发出报警信号，响应速度快。随后人们相继 研制出了双金属差温火灾探测器、热熔电阻差温探测器，膜盒差温火灾探测器、半导体差温火灾 探测器和兼有差温、定温两种功能的差定温火灾探测器等。 第二阶段是从二十世纪五十年代到七十年代，在这期间大力发展了感烟探测器，感温火灾探 测器则处于次要位置。用感烟的方法来探测火灾使人类在实现火灾早期报警方面迈进了一大步， 此时的系统一般为多线制( n + l 线或更多线) ，其特点是稳定性、可靠性差，布线复杂，调试难度 大。从二十世纪四十年代末期开始，瑞士物理学家m e i l i 博士开始研究离子式感烟探测器，主要 用于探测矿井里的燃烧气体，并获得成功。由于离子式探测器探测火灾比感温探测器快得多。它 的出现很快达到了广泛应用。随着电子工业的发展，场效应晶体管代替了阴极射线管，探测器的 供电电压也从2 2 0 伏降到了2 4 伏，甚至9 伏，用9 伏叠层电池可以为离子感烟探测器供电，为 进入家用市场创造了条件离子感烟探测器自问世以来便一直统治着火灾探测器的市场。到七十 年代末期，利用光散射原理探测烟雾的光电感烟探测器在技术上趋于成熟，得到了较快的发展。 第三阶段是从八十年代开始至今。总线制火灾自动报警系统蓬勃兴起，它同以前的产品相比 有了很大的飞跃，布线工作变的减少，安装调试变的容易，降低了安装和维修费用，其最大优点 是施工简单并能精确定位报警部位，因而得到了较广泛的应用。人们为每个探测点设置了单独的 地址编码。火灾报警控制器通过巡检方式，分别采集各探测点的数据，并发出火警及故障等具体 信息。中科院合肥智能机械研究所在8 5 年研制成功了我国第一套总线制火灾报警控制系统。 随着技术的不断进步，智能系统已突破了传统的火灾探测报警范畴，它与建筑物内的防盗报 警系统，电视监控系统，信息交换系统，公共安全系统等组成楼宇自动系统而成智能大厦。误报 的严重程度，用误报率大小来衡量，误报率越小越好。误报率是指火灾自动报警控制系统和系统 中各装置在规定条件下，规定的期限内发生误报的次数，通常以百万小时的误报次数表示。误报 率富误报次数百万小时。国外的误报率一般为l o 次百万小时，国内的误报率一般为5 0 次百万 小时【4 j 。在美国的调查中，感烟探测器的误报率一般为1 7 0 只年，约为1 9 4 百万小时。 1 2 2 根据应用类型分类 火灾报警系统，从发展过程来看，大体可分为三个阶段 2 1 ： ( 1 ) 多线型火灾报警系统 多线型火灾报警系统的探测器除了需要提供两根电源线外，还需要一根报警信号线，探测器 的信号线连接在报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯。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，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。 ( 2 ) 总线型火灾报警系统 这种火灾报警系统中己经嵌入了微处理器( m c t o ，探测器和模块均采用地址编码形式，通过 2 基于单片机的仓库防火预警系统研究 总线与控制器实现信号传送，灵敏度在制造时已由硬件决定，不可再调，此类系统可进行现场编 程，并通过各种模块对各个联动设备实行较复杂的控制，具有部分故障诊断功能，但对故障类型 不能区分。 ( 3 ) 智能复合型火灾报警系统 一 ! 由于采用了设有单片机的模拟量探测器，大大的提高了智能化程度，并且可以通过软件对灵 敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，提高了系统的稳定性和可靠性。还可以自动处理电磁 干扰对线路分布参数的影响。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。 复合型智能火灾报警系统是未来火灾报警系统的主要发展方向。发生火灾的情形种类繁多， 产生的原因也纷繁复杂，仅仅对某一特定的火灾参考量进行探测，难免会发生误报或漏报的现象。 复合型探测技术正是降低误报漏报现象的有效途径【5 l 。 - 1 3 火灾报警的国内外现状及存在问题 1 3 1 火灾预警系统的国内外现状 发达国家，普遍具有相对完善的火灾预防、报警、扑救以及善后处理等体系。那些国家每个 年都会从财政中拨付巨款用于更新维护预警设备，培训相关人员哺1 。西方发达国家都使用计算机 把各个用户的终端传感器和信号采集设备连接起来，这样可实时数据采集，从而对自动火灾报警 系统进行实时监控和操作，并且可将故障进行远程传输。目前，发达国家都已经拥有将火灾报警 系统应用于整个城市消防预警当中的成功经验，值得我国借鉴。多年来，这些国家已经把火灾自 动报警系统与公共监控系统连接在一起，通过公共监控系统可以及时、准确发现火灾隐患和地点， 判断出火灾的类型，进而可以调集消防力量及时控制火情。另外，这些国家对于监控系统的管理 也非常成功，制定了相应的规范，并且成立了相应的机构，该机构的职责就是确保火灾报警数据 的通信流畅，为终端和控制用户提供优质的预防服务，同时这一机构还向消防机构提供可靠的火 灾情报。消防机构负责对该机构进行资质审查和监督管理。通过多年的运行，事实证明这种管理 运作模式非常实用，效果很好。当前，国外火灾自动报警应用技术的发展趋势主要表现为以下几 个方面。 ( 1 ) 网络化 火灾自动报警系统网络化是通过计算机技术将控制器与探测器之间及其各自之间、系统内部 及各个系统之间以及城市报警中心等通过一定的网络协议进行相互连接，实现数据的远程调用， 实行火灾自动报警系统的网络监控管理，使各个独立的系统组成一个大的网络，实现网络内部、 系统之间的资源、信息共享，使报警中心的人员能及时、准确掌握各单位的相关信息，对各系统 进行宏观管理，对各系统出现的问题能及时发现并及时责成有关单位进行处理。 ( 2 ) 智能化 火灾自动报警系统智能化是指探测系统能模仿人的思维，主动采集环境温度、湿度、灰尘、 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 光波等模拟量并采用模糊逻辑和人工神经网络等技术进行计算处理，对各项环境数据进行对比判 断，从而准确地探测火灾，避免误报和漏报发生。发生火灾时，能跟据探测到的现场信息对火情 的范围、大小、烟浓度以及蔓延方向等给出详细的描述，甚至可配合电子地图进行形象提示、对 需要出动力量和扑救方法等给出合理化建议，以实现各方面快速准确反应，最大限度地降低人员 伤亡和财产损失，而且可以根据火灾中探测到的各项数据判断起火的原因，并提供调查火灾事故 责任的科学依据。 ( 3 ) 多样化 根据探测器的工作原理分为感烟、感温、火焰、可燃气体探测器以及两种或几种探测器的组 合等。其中，利用纳米粒子化学活性强、化学反应选择性好的特性，将纳米材料制成气体探测器 或离子感烟探测器，用来探测有毒气体、易燃易爆气体、蒸气及烟雾的浓度并进行预警，具有反 应快、准确性高的特点。 设备连接方式的多样化。随着通信技术的发展，设备间及系统间可根据现场的具体环境选择 不同的通信方式。设备问还可以通过无线通信技术连接，形成有线、无线互补，同时新型通信材 料的研发也弥补了传统连接存在的缺陷。 ( 4 ) 小型化 火灾自动报警系统的小型化是指探测部分或者说网络中的。子系统”小型化。如果火灾自动 报警系统实现网络化，那么系统中的中心控制器等设备就会变得很小，甚至对较小的报警设备安 装单位就可以不再独立设置，而依靠网络中的设备、服务资源进行判断、控制、报警，这样火灾 自动报警系统安装、使用、管理就变得简洁、省钱、方便。 我国火灾报警系统起步较西方发达国家晚，上世纪7 0 年代我国才开始研制火灾报警系统。 进入8 0 年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意 义上的核心技术。9 0 年代以后火灾报警产品才真正开始发展，随着政府逐渐开放国门，国外企业 开始大量进入中国市场，带来了先进技术的同时也促进了市场的成熟。这期间，我国火灾报警系 统的相关企业也得到了快速发展，部分企业通过合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，造就 了许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际先进水平。随着经济的高速发展，高层建筑 的不断涌现，社会上对火灾自动报警系统的需求不断加大，对其功能的要求也越来越高，并且计 算机技术和控制检测技术的高速发展，也促进了火灾自动报警控制系统的发展，特别是近年来兴 起的许多新技术、新方法，诸如高灵敏度吸气式探测技术、分布智能技术等使火灾自动预警技术 上了一个新台阶嘲。 1 3 2 国内火灾报警系统存在的问题 目前国内火灾报警系统主要存在有以下问题： ( 1 ) 火灾自动报警系统存在误报、漏报问题 目前，火灾自动报警系统中的传感器本身普遍存在一定缺陷，加上环境中的气流、灰尘、水 蒸气、电磁场、静电等不利因素，使得系统在火灾探测过程中经常出现漏报和误报1 9 。随着火灾 自动报警系统中探测器种类和数目的增多，信号处理的难度也随之大大增加，通过一定阀值来判 断火灾状态的方式已经不能适应辨别要求。 4 基于单片机的仓库防火预警系统研究 ( 2 ) 火灾自动报警系统的智能化水平有待提高 火灾自动报警系统的智能化水平越来越受到人们的关注。传统的火灾监测通常对单个传感器 输出信号进行处理采用阂值预警判断，若将同样的方法应用于多元参量的系统，会出现误报或漏 报现象。为了提高火灾自动报警系统的智能化水平，应采用智能火灾辨别算法，对多元参量进行 智能化数据融合、判决，提高火灾的辨识能力，也减少误报和漏报现象的发生。 ( 3 ) 无线通信技术有待进一步发展 传统火灾预警系统通常将各个部件用电缆、导线连接，其连线错综复杂，不仅影响建筑美观， 而且布线时会造成导线的损坏。无线通信技术可以弥补这方面的不足。可以减少导线使用量，简 化网络布局，美化建筑环境，减少对导线的损坏，扩大火灾监测范围，减少因导线起火造成的损 失。可以促进火灾报警系统的升级，可在不重新布线的基础上，对消防监测盲区进行监测。 1 4 本研究的目的及主要内容 根据当今火灾探测的现状和实现提前预警的需求，将多传感器数据融合技术应用在火灾预警 系统中。选择多个传感器对火灾过程中的多个参数进行监测，特别对火灾发生初期产生的异常信 息进行全面监测，弥补了采用单一传感器的不足。采用时间序列分析算法配合智能判别技术，提 高了系统报警输出的灵敏度和可靠性，使系统达到了实现提前预警的目的。 本系统的研究目的是开发一套结构简单、价格低廉、可靠性高、反应快的火灾自动检测系统。 本系统采用了无线自动拨号报警技术，弥补了传统有线通信模式传输距离短的缺点：在现场采用 了温度传感器和烟雾传感器配合使用的方式代替了传统单一传感器，来监测现场环境信息，很大 程度上避免了误报、漏报，实现及时准确预警的目的。 本文共分六个章节，各个章节内容如下： 第一章首先简要介绍了论文研究的背景和意义，然后概述了火灾报警系统的发展历史、组成 以及未来发展的趋势。 第二章介绍了火灾的发展过程、探测器的种类及系统的总体框图。 第三章分别介绍了本系统应用的硬件模块。 第四章介绍了系统所应用的算法。 第五章给出了系统的软件设计 第六章综合分析了系统的可靠性、应用性。 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 2 1 火灾的燃烧过程 2 系统的总体设计 产生火灾的基本要素是可燃物、助燃物和火源i l o l 。可燃物以气态、液态和固态三种形态存在， 助燃剂通常是空气中的氧气。在燃烧中会出现较大的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空 气中，粒子直径一般在0 0 lum 左右，这些悬浮物统称为气溶胶。几乎在产生气溶胶的同时，产 生粒子直径为o o 卜l ol am 的液体或固体微粒，称为烟努矾。气相状态的可燃物与空气混合，在较 强火源作用下产生预混燃烧。着火后，燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面继续释放出可燃 气体，从而形成扩散燃烧。同时，发出含有红外线或紫外线的火焰，散发出大量的热量。气溶胶、 烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的监测便可确定是否发生火灾。大量热量通 过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火情向周围蔓延，这就是常说的火蔓延，火 蔓延导致了火势的扩大，形成火灾【3 】。 火灾的发展过程一般可分为无可见烟( 气溶胶) 阶段、可见烟阶段、燃烧( 火焰) 阶段和剧烈燃烧 ( 高温) 阶段。 一、无可见烟阶段：火灾的发生都是以可燃物发热开始的，当外部提供一定的热量，物质由 于本身发热产生缓慢的热解作用，产生可燃气体( 如c o ，h 2 等) 、气凝胶物质。在这个阶段，无 可见烟和火焰，散发出的热量也非常小。 二、可见烟阶段：伴随着热分解作用的发展，物质进一步发热，热解作用随之更加剧烈，释 放出更多的气体，产生直径为o 0 1 - 1 0 u r n 的液体或固体颗粒，从而形成可见烟雾。由于烟雾比周 围的温度高。从而形成上升气流，并通过对流、扩散等方式形成烟气羽流。物质处于阴燃状态， 温度不是很高，燃烧速度缓慢。在这个阶段，有可见烟，无火焰，热量释放不是很高，热量上升 仍较缓慢。 三、燃烧阶段t 热分解作用进一步加强，释放出更多的可燃性气体，同时，物质的温度进一 步上升，当物质温度达到燃烧点时，便产生火焰，此时有更多的烟雾产生。由于烟气温度高、密 度小，所以向上流动，并由于压力等作用，逐渐形成上大下小的气流火柱。在这个阶段，既有可 见烟，又有火焰存在，同时释放出大量的热。 四、剧烈燃烧阶段：伴随着火焰产生后，会释放出更多的热量，从而加剧物质的热分解作用， 释放出更多的可燃气体。此时，烟雾粒子在运动中相互碰撞，出现了烟雾粒子凝聚现象。当释放 的可燃气体达到一定浓度，并与空气充分混合后，出现轰燃现象，物质进入充分燃烧状态。在这 个阶段，会释放出更多更大量的热。 从火灾的形成、发展过程可以得到如下结论： 一、火灾产生的主要物理现象有气凝胶、烟雾、火焰、和热量，通过对这些现象的检测便可 确定是否发生火灾，这些信息可以作为早期火灾探测的依据。 二、早期火灾探测的重要性：当火灾发展到剧烈燃烧阶段时，火势己经很大，难以控制，会 对生命、财产造成巨大损失。在火灾的早期阶段( 无可见烟阶段、可见烟阶段、燃烧阶段) 未产生 6 ，火灾发展速度较慢，造成损 三、根据早期火灾产生的物理现象( 气凝胶、烟雾、火焰、和热量) 在时间上的先后顺序，可 以按照其中某一现象研发早期火灾探测技术。 2 2 火灾探测器的分类 物质燃烧是一个复杂的物理变化和化学反应过程，火灾探测的实质是检测火灾发生时产生的 各种物理、化学变化，从而实现对火灾的动态监测和报警1 3 1 。 2 2 1 感烟式火灾探测器 烟雾是火灾的早期特征，利用感烟式火灾探测器可以及早检测到火灾信号及火灾参数，所以， 感烟式火灾探测器目前是世界上应用最广，数量最多的火灾探测器。常用的火灾探测器是离子式 感烟探测器和光电式感烟探测器。 ( 1 ) 离子式感烟探测器 离子式感烟探测器是采用空气离化火灾探测方法构成和工作的，它是利用放射性同位素释放 的高能量a 射线将局部的空气电离，产生正、负离子，在外加电压的作用下产生离子电流。离子 式感烟式探测器有两个电离室串联，构成等效于电阻串联的偏置电路，其中一个基本不与外界相 通的内电离室，另一个是于外界相通的外电离室，( 即检测电离室) ，电离室有p l ，p 2 两个电 极( 如图2 1 所示) ，两个电离室均放入一片放射性镅2 4 1 ( a m 2 4 1 ) 不断的放射出a 离子，以高 速运动撞击空气中的氮、氧等分子，在。离子的轰击下引起电离，产生大量带正负电荷的离子， 从而使得原来不导电的空气具有导电性，当在电离室两端加上一定的电压后，使空气中的离子像 相反的电极移动，形成电离电流。当有烟雾进入外电离室，因烟雾颗粒吸附一部分离子，使外室 的离子电流减小，等效于他的电阻增大，分压电位增高( 如图2 2 所示) e 囝2 1 离子烟雾探测器的电离室等效电路图 f i g u r e2 1i o n i z a t i o nc h a m b e rs m o k ed e t e 咖ri o ne q u i v a l e n tc i r c u i t 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 b 电离室 电离室 + b v 图2 2 离子烟雾探测器的等效电路图 f i g u r e2 2e q u i v a l e n tc i r c u i to f i o ns m o k ed e t e c t o r s 等效 电阻 ( 2 ) 光电感烟式火灾探测器 根据烟雾离子对光的吸收和散射作用。光电式火灾探测器可以分为减光式和散光式两种类 型。 减光式光电烟雾火灾探测器：进入光电检测暗室内的烟雾粒子对光源发出的光产生吸收和 散射作用，使得通过光路上的光通量减少，从而在受光原件上产生的光电流降低。光电流相对于 初始标定值的变化量大小，反映了烟雾浓度的大小，以此可通过设计电子线路对火灾信息的变化 进行