基于sm32的红外火灾探测系统设计

基于sm32的红外火灾探测系统设计

0多传感器的火灾监测及数据处理火灾是人类生命财产破坏中最常见的一种，其发生频率是各种灾难之一。因此,早起预报火情,及时报警、防患于未燃是火灾探测的核心任务。在火灾探测方面,基于探测原理的不同,主要有感烟、感温、气体、火焰探测器,这些探测器探测火灾不同发展阶段不同的燃烧产物,但都是仅对某种单一的物理量进行探测,灵敏度较低,受环境干扰较大,极易产生误报及漏报现象,常用的火灾探测系统的识别率一般为80%~83%。针对这一特点,本文分别对火焰、温度等多参量进行探测及分析。结合多传感器探测火灾信息,对提高探测精度,排除外界干扰具有重要的意义。在火灾探测中,要进行大量的数据采集,并实时分析火情。由于火灾的火焰放射光的光谱分布情况与太阳光或其他照明灯光的光谱分布情况不同,所以可采用快速傅里叶变换(FastFourierTransform)等高性能的火灾识别算法来分析火的频域信息,以此减少误报及漏报现象。传统的基于8位,16位的单片机,完成火情分析时间一般为15~18s,对多数据处理能力较差,且存在模块功能弱的缺点,故不适合本系统多传感器的多数据处理及高性能识别算法的实现;基于DSP技术的数据处理仪具有较强的数据处理能力,但是成本较高,不易推广;而STM32系列的32位闪存微控制器是使用ARM公司的Cortex-M3内核,它集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的优势。内含18通道的12位A/D转换器及USART、IIC、USB2.0等丰富的外围设备。其强大的数据处理能力,能快速的处理多传感器探测到的火灾信息,并容易实现FFT等高性能识别算法。本系统利用多红外火焰探测器、温度传感器分别对火焰的多波段信息进行探测,实时监控现场温度。将多传感器采集到的信息,在STM32中进行A/D转换,数据处理,算法分析,并实时将采集的数据通过串口传给上位机进行数据保存及分析。本文利用STM32对多传感器数据进行采集与分析,提高了火灾探测的识别率(约达到87%)及响应速度(12s左右)。1探测通道及温度设定本文所述的基于STM32的红外火灾探测系统的硬件电路包括:多通道红外火焰探测器及温度传感器;信号放大电路及增益控制器;STM32F微控制器;串行通讯接口等电路部分组成。整体的硬件系统框图如图1所示。(1)多探测器及传感器:包括多通道红外火焰探测器及温度传感器。采用多个红外火焰探测器对火焰信息进行探测。4.4μm的热释电红外火焰探测器作为火焰的主要探测通道;3.8μm和5.0μm作为火焰的背景探测通道;2.7μm波段的硫化铅传感器主要探测火焰第二强度的辐射,用来排除外界干扰,减少误报及漏报等现象;温度传感器用来探测周围环境温度,与实际温度进行对比,分析数据采集的正确性及是否有火情发生。(2)信号放大电路及增益控制器:本设计采用一个程控增益放大器对带通滤波放大电路增益进行调整,当微控制器判断某一路AD信号出现饱和时,可以通过硬件调节或是软件控制很方便的切换到放大倍数小的电路进行数据采集,大大减少了信号饱和带来的误判。(3)STM32F微控制器:STM32内部自带2个12位的ADC。它有18个通道,可测量16个外部和2个内部信号源,其转换速度最大可达到1μs,可以实现对探测器多数据的采样及转换。且避免了使用片外ADC所需的成本及额外的硬件设备。(4)串行通讯接口USART:通过MAX3232与上位机进行串口通讯,将A/D转换后的数据及时传给上位机进行保存,方便以后的离线分析及数据处理。2探测器数据传输软件系统设计包括以下几个模块:(1)系统初始化;(2)各探测器数据采集及DMA传输;(3)数据分析处理;(4)下位机数据发送及上位机数据接收。整个系统的软件流程图及DMA中断服务子程序如图2所示。(1)采集控制时钟的配置包括初始化MCU和系统自检及初始化定时器。MCU的初始化主要包括系统时钟设置和通用I/O口GPIO的配置。本系统采用12MHz的外部晶振,经由6倍频为72MHz的系统主频。将系统总线AHB时钟配置为系统主频72MHz,然后将AHB时钟6分频得到12MHz的ADC时钟。其中GPIO的配置分为模拟输入和输出两种模式,主要是对PA、PC、PF几个I/O口进行配置。将PF6、PF7作为输出模式,用来控制红绿指示灯的亮灭。而将PA0~PA3、PC4配置为模拟输入,作为传感器的模拟输入端。在程序开始时首先开启所有外设的时钟,保证系统正常工作。然后,系统完成自检,通过一个延时函数来实现红绿指示灯交替亮灭1s,观察灯泡是否正常闪烁来判断系统是否开始正常工作。然后初始化定时器,设置定时时间为10ms,用来定期将滤波后数据传给上位机。启动定时器开始定时,并使能DMA中断。(2)通道的信号滤波在本设计中,需要对多个火焰探测器和一个温度传感器进行A/D采样,采样时间是可编程的,将A/D配置为连续转换模式,每个通道转换时间为7μs,并且转换后的数据由DMA传输。其中ADC正常连续采样5个通道,由DMA进行传输,一次传输80个数据,即每个通道各16个数据。而每当一次DMA过程结束后,触发DMA完成中断,调用滤波函数将滤波后的数据存入指定数组中。滤波函数采用的是中位值均值滤波,即对每个通道采集的16个数据,去掉最大值,最小值后取均值。计算公式如式(1)所示,其中xi表示第i个通道滤波后的数据,xij表示第i个通道采集的第j个数据ximin、ximax分别表示第i个通道16个数据中的最小值及最大值(3)火灾识别条件若每个通道均值滤波后的数据累加到128个点,就对数据进行相关的识别算法分析。主要利用阈值分析、相关性分析、火焰的闪烁性及连续性分析。Step1:阈值分析。采集4.4μm主探测通道滤波处理后的数据128个取均值M,作为阈值特征f1。Step2:相关性分析。分别将2.7μm,3.8μm,5.0μm采集的128个数据点取均值后得到M1,M2,M3,把M/M1、M/M2、M/M3分别作为相关性特征f2、f3、f4。Step3:火焰闪烁性及连续性分析。对4.4μm探测通道每采集128个点进行分析,设定一个临界值N,若采集的数据X满足X>N,则设定计数值为1,否则为0。在128个0、1序列中,出现连续的1的最多个数为火灾波形连续性特征f5;128个0、1序列中出现1的总数目与出现0的总数目的比值为火焰闪烁性特征f6。Step4:根据火灾识别分析的判据阈值A=[a1,a2,a3,a4,a5,a6],火灾判断条件如下:当阈值特征f1>a1时,则认为达到火灾的阈值条件。当相关性特征f2>a2,f3>a3,f4>a4时,则认为达到火灾发生时各探测器的相关性条件。当火焰波形连续性特征f5>a5,闪烁性特征f6>a6时,则认为达到火焰连续性及闪烁性条件。若以上各个条件都满足,则认为有火灾发生,红色报警指示灯就会亮;否则就认为没有火灾发生,指示灯不亮。(4)rt对上位机的设计本模块中,若定时100ms时间到,就将下位机中多个传感器通过DMA方式读取的数据,通过USART传给上位机。USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。在初始化串口时,将其速率设为115200b/s,数据位为8位,停止位为1位,无奇偶校验位,串口可以实现高速的数据发送。上位机的接收软件设置要与USART的设置保持一致。然后将数据保存在txt文档中,进行离线分析。3无火点火情分析按照火灾探测的国标(GB2413)规定,利用酒精火,将火灾探测装置放置与燃烧火源距离分别为25m,17m,12m处进行火灾探测实验。在实验中为了验证本系统能否探测到更远距离的火灾信息,又分别对35m、45m处的火源信息进行了探测。其中温度传感器是以计算后的温度值输出。图3(a)、(b)分别显示的是各个探测器在无火及距火源为17m处采集的部分AD值。由于STM32的ADC是12位的,A/D转换后的数字量范围0~4096。根据在17米火源处探测到的火的信息,对60组有火及40组无火情况进行了100组实验,来寻找最佳的火灾判据阈值。最后得到火灾判据阈值为A=[2500,3.5,2.5,3.0,25,1.8],在不同的环境下,分别进行实际火情分析。其中用“1”表示有火灾发生,用“0”表示无火发生。具体实验结果如表1所示。在表1所示的100次实验中,其中40次无火情况中有36次判断为无火,有4次判断为有火,误判率为10%;在60次有火情况中有51次判断为有火,9次判断为无火,漏报率为15%。探测系统总的火灾识别率为87%,并且系统能在12s内对是否有火灾发生做出判断,达到国标中探测系统的响应时间小于30s的要求。为了进一步提高火灾的识别率,下一步将加入FFT等高性能的火灾识别