基于信息融合技術(shù)的無(wú)線(xiàn)火災探測報警系統

摘要 為了解決傳統火災報警系統只對火災的某一種物理或化學(xué)信號進(jìn)行探測而容易出現誤報和漏報的問(wèn)題，將多傳感器復合探測技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)應用到火災探測報警系統中，設計了一種基于STM32為主控制芯片的智能分布式無(wú)線(xiàn)火災探測報警系統，系統能同時(shí)采集CO濃度、煙霧濃度和溫度3個(gè)火災參數，利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行數據傳輸，采用智能算法對火災信息進(jìn)行處理和判斷。經(jīng)調試，誼系統能夠及時(shí)、準確地預警火情。
關(guān)鍵詞 火災探測；STM32；ZigBee技術(shù)；信息融合

火的應用對人類(lèi)的文明發(fā)展起了重要的作用，而火災也一直威脅著(zhù)人類(lèi)的生活，造成了重大的生命財產(chǎn)損失。尤其近年來(lái)，隨著(zhù)國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化程度的進(jìn)一步提高，人員密集場(chǎng)所數量不斷增加，火災的發(fā)生頻率越來(lái)越大，需要社會(huì )各界引起高度重視，及時(shí)消除隱患，確保消防安全。
目前，火災自動(dòng)探測報警系統的應用廣泛，在很多地方已成為必備裝置，起到了安全保障作用。但在火災探測報警系統的實(shí)際應用中，也出現了許多問(wèn)題，市場(chǎng)現有產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，存在產(chǎn)品功能單一、可靠性穩定性不高；只對某一種火災參數進(jìn)行探測，出現誤報漏報等諸多問(wèn)題。隨著(zhù)微處理器技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能技術(shù)等的不斷發(fā)展，火災探測報警系統的主要發(fā)展方向向著(zhù)高可靠、低誤報漏報率及網(wǎng)絡(luò )化、智能化方向發(fā)展。
文中的研究目的在于提出一種基于多傳感器信息融合技術(shù)的火災探測系統方案，采集多個(gè)不同的火災特征參數，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據的傳輸，利用智能算法進(jìn)行處理和判斷，對火災的發(fā)生進(jìn)行及時(shí)準確的探測和報警。

1 結構設計
1．1 設計思想
(1)多傳感器復合探測技術(shù)。一般將火災過(guò)程分為早期、陰燃、火焰放熱和衰減4個(gè)階段?；馂脑缙卺尫诺亩嗍侨紵龤怏w，主要包括CO、CO2、H2等，煙霧、火焰、熱量都較少；陰燃階段則產(chǎn)生大量的可見(jiàn)或不可見(jiàn)煙霧，火焰、熱量也不多；而火焰放熱階段則向外輻射熱量，環(huán)境溫度迅速上升?；馂男盘柊ㄔS多特征參數，每個(gè)參量都或多或少地表示了火災發(fā)生的概率。從理論上講，系統采用的火災參量越多，系統智能化水平越高，誤報率、漏報率將會(huì )越低。因此，文中選擇煙霧濃度、溫度、CO濃度作為火災參量進(jìn)行復合探測。
(2)分布式火災報警系統?；馂膱缶到y一般分為火災探測器和火災報警控制器兩個(gè)部分。早期的系統多采用集中控制方式，探測器只是一個(gè)純粹的傳感器，它隨時(shí)將采集到的信號傳遞給控制器，由控制器對這些信號進(jìn)行處理、判斷得出結果。這樣系統成本低、信號處理算法簡(jiǎn)單，但是當系統規模過(guò)大時(shí)，會(huì )產(chǎn)生控制器負擔過(guò)大、響應速度慢、系統可靠性降低等不利因素。為了克服這些缺點(diǎn)，逐漸采用分布式控制方式代替集中式控制方式。于是本文的火災探測報警系統采用分布智能式控制方式。
(3)無(wú)線(xiàn)數據傳輸方式。傳統的火災探測器的能量供給和信息傳輸通常是通過(guò)電纜線(xiàn)連接，在安裝過(guò)程中電纜線(xiàn)的鋪設，不僅費用高、工作量大，而且有時(shí)對建筑結構造成一定的破壞性。在一些特殊場(chǎng)合，如古建筑消防安全、危險化學(xué)品泄漏應急檢測及其他人力難以達到的場(chǎng)所，有線(xiàn)式的探測器難以適用。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)，采用無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)和小體積、低功耗的微傳感器，它是由部署在監測區內的大量微型傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊方式形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò )系統。因此，將火災探測技術(shù)與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合，實(shí)現火災探測的無(wú)線(xiàn)化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化，是火災探測研究的新方向。
(4)火災信號的智能算法?；馂氖且粋€(gè)復雜的非平穩隨機過(guò)程。對于不同燃燒物質(zhì)和探測環(huán)境，傳感器所采集到的動(dòng)態(tài)特征參數值差異很大。在火災的探測中，傳統的閥值法對于火災復雜的狀態(tài)中信號探測來(lái)說(shuō)過(guò)于簡(jiǎn)單，尤其是在報警延遲時(shí)間和報警閾值的設定過(guò)于單一。因此，將智能化算法應用于火災探測系統研究，將對提高火災探測的可靠性以及降低火災報警系統的誤報、漏報率具有重要的積極作用。
1．2 無(wú)線(xiàn)復合火災探測報警系統
文中研究的火災探測報警系統，由STM32作為處理器，分別設計了火災報警控制器和復合火災探測器，形成分布式控制的火災報警系統。復合探測節點(diǎn)實(shí)現對煙霧濃度、溫度和CO濃度信號的采集，在探測節點(diǎn)實(shí)現了火災信息的處理和判斷，減輕控制器的負擔；通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將信息傳輸給火災報警控制器；由火災報警控制器進(jìn)行火災數據的存儲和顯示以及對探測節點(diǎn)的統籌管理。系統的整體結構框圖如圖1所示。

(1)復合探測節點(diǎn)，通過(guò)3種傳感器采集現場(chǎng)的環(huán)境信號，利用智能算法對火災信息進(jìn)行處理，利用ZigBee通信模塊將信息傳輸給火災報警控制器。若發(fā)生火災則啟動(dòng)報警裝置，同時(shí)向火災報警控制器發(fā)送火警信息，若無(wú)火災，則定時(shí)向火災報警控制器發(fā)送驗證信號供火災報警控制器處理，如圖2所示。