本设计针对仓储的特定环境条件,设计一套火灾报警系统,对环境温度和烟雾浓度进行检测,采用模糊控制算法计算温度变化速度的阈值以提高火灾预警准确度,同时开发上位机监控程序,实现火灾现场监控功能。

本系统是针对特定仓储环境设计的火灾报警系统,对其采集的温度和烟雾浓度准确度有一定的要求,因此在制定方案时,首要考虑所需传感器的灵敏度和精度及仓储环境的影响因素。在主控制器的选择上,采用性能成熟、兼容性好、资源适中、性价比高的STC89C51系列单片机。由于火灾发生时,空气中温度和烟雾浓度的变化明显且易测量,因此使用温度传感器和烟雾浓度传感器构成火灾信息检测部分。通过无线串口通信技术将数据传输到PC机监控中心,采用VB语言设计监控程序进行远程PC机监控。

图1 火灾预警系统系统总体设计框图  下载原图

图1所示是本系统总体设计框图,该系统主要由火灾信息检测部分,控制中心和显示与报警部分三部分组成。火灾信息检测部分由温度传感器和烟雾浓度传感器组成,显示与报警部分主要是由ISD4004芯片组成语音模块和LCD显示屏组成,控制中心是由下位机51单片机和具有监控功能的上位机PC机组成。

在预警处理方面,本系统采用模糊算法[1] ,将温度上升的速度作为火灾发生预测标度;当温升速度达到设定值时,就认定火灾已发生。而后将火灾发生事件发送给控制中心,及早作出处理。

DS18B20温度传感器具有体积小,温度数据格式转换快等优点,且火灾发生的温度报警阈值在60℃左右,不超过DS18B20的最高检测温度,因此适用于对火灾现场温度检测。该传感器最高能够测量125℃,测量精度可达0.1℃,其内部结构主要由64位光刻ROM、温度敏感元件、非挥发的温度报警触发器TH和TL和配置寄存器四部分组成[2] 。在工作过程中,必须采用5V恒压供电,电压不稳会造成测量的误差变大。该传感器有三根引脚输出:VCC、GND和IO端口,其中IO端口与单片机的可编程IO端口相连,通过单总线串行方式将数据传送给CPU。

MQ-2烟雾传感器是一种新型的广泛应用于可燃气体和烟雾浓度检测的检测装置,它使用的气敏材料是在无污染空气中电导率较低的二氧化锡。检测浓度范围为300~10000ppm,在湿度70%以下常温环境下工作精度高。其工作原理是:当传感器所处环境中存在可燃气体或烟雾时,传感器的电导率随浓度的增加而增大。单片机通过对时钟信号线SCL、数据线SDA读写控制得到MQ-2传感器的烟雾浓度值。MQ-2烟雾传感器输出为电压值,需要使用A/D转换芯片为转换为数字量提供给单片机,图2所示为MQ-2烟雾传感器A/D转换电路图,其中PCF8591T为四路8位A/D转换芯片。

在仓储火灾现场需要能够提醒工作人员的设备,同时要求设备对工作条件要求不高且体积小、能耗低。LCD12864本身带有字库的能够显示四行64个字的显示屏,可以作为显示温度和烟雾浓度值使用。语音提醒部分采用抗干扰能力强的音质好的以ISD4004芯片为核心的语音模块。

图2 MQ-2烟雾传感器AD转换电路图  下载原图

单片机控制LCD12864实时显示传感器采集的温度和烟雾浓度值,同时控制DS1302时钟芯片实现时间输出显示。LCD12864由3位控制线和8位数据线组成的显示装置,通过单片机P0端口传输的数据实现显示的内容。SPI总线主要由三条信号线组成:串行时钟、串行数据输入和串行数据输出。DS1302是美国DALLAS公司生产的低功耗时钟芯片,它采用一种特殊的SPI协议与单片机通讯,其特殊性在于数据输入、输出共用一个端口,因而数据传输速度较慢于SPI协议传输速度。

图3 系统提醒部分电路结构图  下载原图

图3所示为以ISD4004芯片为核心的语音报警电路结构图。ISD4004芯片能够录制并储存8分钟1200段语音,经外接功放电路还能控制语音扬声器输出。ISD4004芯片是通过SPI串行接口与单片机数据传输的。单片机通过向ISD4004芯片发送片选信号SS下降沿开始数据传输。在传输期间,SS必须保持为低电平,且在两条指令之间必须保持为高电平[3,4] 。在录音过程,ISD4004芯片的串行数据输入端MOSI引脚的数据在串行同步时钟SCLK上升沿被锁存;在放音过程,串行数据输出端MISO引脚的数据在SCLK的下降沿被移出。

下位机通过单总线协议方式控制温度传感器DS18B20采集环境温度,通过I2C协议控制PCF8591芯片将MQ-2烟雾传感器采集到的数据进行AD转换,得到标准烟雾浓度值。

为实现下位机与上位机的双向数据传输,并减少布线的工作量,采用E14-TTL型远距离无线串口通信模块。E14-TTL型无线串口模块具有低功耗,体积小,抗干扰性强,穿透能力强,适合于嵌入式集成开发等特点,全双工双向收发数据,能够在非极端环境下工作。其通信电压3.0~5.5V,工作频段2.40~2.52GHz,最远传输距离可达2400m。

下位机与E14-TTL型无线串口模块通信,只需将下位机的RXD、TXD分别接入无线串口模块的TXD、RXD。E14-TTL型无线串口模块与上位机通信时,由于PC机采用的是USB串口技术,因此需要进行USB转TTL。

图4 无线串口模块与上位机接口连接  下载原图

根据系统硬件结构,对应软件部分包括下位机的传感器采集程序,数据显示程序,语音报警程序和上位机的VB软件设计程序。完成本系统工作进程需要编写三个主要模块的程序,第一是传感器采集与控制器处理模块程序,主要是对测出的数据的再处理,包括AD转化和进制转化,得到能够让人们读懂的标准格式;第二是视听输出程序,火灾发生讯号作为一项外部中断控制数据显示和语音报警功能的开启;第三是无线串口通信程序,将下位机暂存的数据发送给PC上位机显示,上位机根据接收到的信息对下位机进行控制。

火灾报警系统重在预报,提前报警相应地增加了对火灾处理的时间。由于模糊算法具有抗干扰能力强,响应速度快等优点,所以本系统根据模糊算法,设计一种预测火灾发生的方案。在自然状态下模拟得出火灾前期扩散速度[5] :

其中co为空间中氧气浓度,ρ为物料密度,β/β0为燃烧物灰层占比。

当物料的密度一定时,火灾扩散速度与氧气浓度成正比和燃烧物灰层成反比。在密闭的环境中随着火灾进行,氧气浓度会下降,燃烧物灰层则会越来越厚。由此推出火灾速度定会趋于缓慢。而现实生活中,火灾范围不但不会减小,还不断扩大,甚至难以控制。这是因为燃烧的物料足够多,大火作用时间也就变长。在设计火灾报警系统时,主要让系统工作于火灾快速蔓延前期,后期的火势对报警系统已没有意义了[6] 。根据公式(1),以polyurethane foam为例,得出前期火灾前期扩散速度V=0.075mm/s。

由模糊算法和实验数据分析,得到火灾温度上升速度(VT)与火灾扩散速度(V)、火灾距离(L)和火灾中心温度(T)等影响因素的隶属函数:

其中k1、k2、k3为各影响因素的隶属度,k1+k2+k3=1。

以包装纸箱燃烧为例,k1=0.5、k2=0.4、k3=0.1,根据公式(2)得出在火灾现场3m高处温度上升速度为:VT=0.031℃/s,即当温度传感器采集的温度变化速度大于0.031℃/s时,可认为火灾将会发生。而其他燃烧物的温度上升速度是否为0.031℃/s还有待研究。本文采用该数据作为火灾发生临界参考点。

系统硬件程序是根据不同设备的性能特点和通信方式而设计的;每个设备只有依靠固有的时序图和协议才能正常工作。图5所示为下位机主程序流程图。首先是编写各个传感器和LCD显示屏初始化程序,然后编写各传感器的信息采集程序和数据处理程序。根据DS18B20读写时序编写温度值采集程序。每一次命令和数据的传输都是从下位机启动写时序开始,此后将回送数据,单片机再启动读时序完成数据接收。MQ-2传感器采集到的值为对应的电压模拟量,因此需要对模拟量进行8位AD转换得到标准烟雾浓度值,精度为38ppm。下一步是对采集到的数据进行判断,如果温度上升速度大于设定值0.031℃/s,或者温度上升速度没有超过设定值但传感器采集温度大于60℃且烟雾浓度大于3000ppm时,语音模块发出报警,直到上位机关闭语音报警。

图5 下位机主程序流程图  下载原图

图6和图7分别是下位机发送和接收数据流程图。下位机在进行数据发送时,首先将串口模块的AUX置低,延时1~2ms后,下位机的TXD端口向串口模块的RXD端口传送数据,待数据发送完后,拉高AUX电位。下位机在接收数据时,同样先将AUX置低再发数据。

图6 下位机数据发送流程图  下载原图

图7 下位机数据接收流程图  下载原图

将组装好的火灾报警系统安置在实验室中进行模拟,采用一对E14-TTL型无线串口模块实现下位机与上位机的通信;模拟火灾发生现场使火灾报警系统处于工作状态,采用VB开发工具设计监控界面如图8所示[7] 。根据界面显示,系统调试时温度为23℃,而烟雾浓度为4635ppm,超过预定浓度3000ppm,浓度指示灯变红提示浓度异常,与现场环境参数一致,说明系统能按预设功能工作。

图8 系统调试PC机界面图  下载原图

该系统具有仓储监控界面设计,可进行对仓储火灾情况远距离监控。本系统所采用的单片机还可扩展功能,如摄像监控,消防洒水喷头控制等,方便今后对系统改进、升级。