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本設計針對倉儲的特定環境條件,設計一套火災報警系統,對環境溫度和煙霧濃度進行檢測,采用模糊控制算法計算溫度變化速度的閾值以提高火災預警準確度,同時開發上位機監控程序,實現火災現場監控功能。

本系統是針對特定倉儲環境設計的火災報警系統,對其采集的溫度和煙霧濃度準確度有一定的要求,因此在制定方案時,首要考慮所需傳感器的靈敏度和精度及倉儲環境的影響因素。在主控制器的選擇上,采用性能成熟、兼容性好、資源適中、性價比高的STC89C51系列單片機。由于火災發生時,空氣中溫度和煙霧濃度的變化明顯且易測量,因此使用溫度傳感器和煙霧濃度傳感器構成火災信息檢測部分。通過無線串口通信技術將數據傳輸到PC機監控中心,采用VB語言設計監控程序進行遠程PC機監控。

圖1 火災預警系統系統總體設計框圖  下載原圖

圖1所示是本系統總體設計框圖,該系統主要由火災信息檢測部分,控制中心和顯示與報警部分三部分組成。火災信息檢測部分由溫度傳感器和煙霧濃度傳感器組成,顯示與報警部分主要是由ISD4004芯片組成語音模塊和LCD顯示屏組成,控制中心是由下位機51單片機和具有監控功能的上位機PC機組成。

在預警處理方面,本系統采用模糊算法[1] ,將溫度上升的速度作為火災發生預測標度;當溫升速度達到設定值時,就認定火災已發生。而后將火災發生事件發送給控制中心,及早作出處理。

DS18B20溫度傳感器具有體積小,溫度數據格式轉換快等優點,且火災發生的溫度報警閾值在60℃左右,不超過DS18B20的最高檢測溫度,因此適用于對火災現場溫度檢測。該傳感器最高能夠測量125℃,測量精度可達0.1℃,其內部結構主要由64位光刻ROM、溫度敏感元件、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL和配置寄存器四部分組成[2] 。在工作過程中,必須采用5V恒壓供電,電壓不穩會造成測量的誤差變大。該傳感器有三根引腳輸出:VCC、GND和IO端口,其中IO端口與單片機的可編程IO端口相連,通過單總線串行方式將數據傳送給CPU。

MQ-2煙霧傳感器是一種新型的廣泛應用于可燃氣體和煙霧濃度檢測的檢測裝置,它使用的氣敏材料是在無污染空氣中電導率較低的二氧化錫。檢測濃度范圍為300~10000ppm,在濕度70%以下常溫環境下工作精度高。其工作原理是:當傳感器所處環境中存在可燃氣體或煙霧時,傳感器的電導率隨濃度的增加而增大。單片機通過對時鐘信號線SCL、數據線SDA讀寫控制得到MQ-2傳感器的煙霧濃度值。MQ-2煙霧傳感器輸出為電壓值,需要使用A/D轉換芯片為轉換為數字量提供給單片機,圖2所示為MQ-2煙霧傳感器A/D轉換電路圖,其中PCF8591T為四路8位A/D轉換芯片。

在倉儲火災現場需要能夠提醒工作人員的設備,同時要求設備對工作條件要求不高且體積小、能耗低。LCD12864本身帶有字庫的能夠顯示四行64個字的顯示屏,可以作為顯示溫度和煙霧濃度值使用。語音提醒部分采用抗干擾能力強的音質好的以ISD4004芯片為核心的語音模塊。

圖2 MQ-2煙霧傳感器AD轉換電路圖  下載原圖

單片機控制LCD12864實時顯示傳感器采集的溫度和煙霧濃度值,同時控制DS1302時鐘芯片實現時間輸出顯示。LCD12864由3位控制線和8位數據線組成的顯示裝置,通過單片機P0端口傳輸的數據實現顯示的內容。SPI總線主要由三條信號線組成:串行時鐘、串行數據輸入和串行數據輸出。DS1302是美國DALLAS公司生產的低功耗時鐘芯片,它采用一種特殊的SPI協議與單片機通訊,其特殊性在于數據輸入、輸出共用一個端口,因而數據傳輸速度較慢于SPI協議傳輸速度。

圖3 系統提醒部分電路結構圖  下載原圖

圖3所示為以ISD4004芯片為核心的語音報警電路結構圖。ISD4004芯片能夠錄制并儲存8分鐘1200段語音,經外接功放電路還能控制語音揚聲器輸出。ISD4004芯片是通過SPI串行接口與單片機數據傳輸的。單片機通過向ISD4004芯片發送片選信號SS下降沿開始數據傳輸。在傳輸期間,SS必須保持為低電平,且在兩條指令之間必須保持為高電平[3,4] 。在錄音過程,ISD4004芯片的串行數據輸入端MOSI引腳的數據在串行同步時鐘SCLK上升沿被鎖存;在放音過程,串行數據輸出端MISO引腳的數據在SCLK的下降沿被移出。

下位機通過單總線協議方式控制溫度傳感器DS18B20采集環境溫度,通過I2C協議控制PCF8591芯片將MQ-2煙霧傳感器采集到的數據進行AD轉換,得到標準煙霧濃度值。

為實現下位機與上位機的雙向數據傳輸,并減少布線的工作量,采用E14-TTL型遠距離無線串口通信模塊。E14-TTL型無線串口模塊具有低功耗,體積小,抗干擾性強,穿透能力強,適合于嵌入式集成開發等特點,全雙工雙向收發數據,能夠在非極端環境下工作。其通信電壓3.0~5.5V,工作頻段2.40~2.52GHz,最遠傳輸距離可達2400m。

下位機與E14-TTL型無線串口模塊通信,只需將下位機的RXD、TXD分別接入無線串口模塊的TXD、RXD。E14-TTL型無線串口模塊與上位機通信時,由于PC機采用的是USB串口技術,因此需要進行USB轉TTL。

圖4 無線串口模塊與上位機接口連接  下載原圖

根據系統硬件結構,對應軟件部分包括下位機的傳感器采集程序,數據顯示程序,語音報警程序和上位機的VB軟件設計程序。完成本系統工作進程需要編寫三個主要模塊的程序,第一是傳感器采集與控制器處理模塊程序,主要是對測出的數據的再處理,包括AD轉化和進制轉化,得到能夠讓人們讀懂的標準格式;第二是視聽輸出程序,火災發生訊號作為一項外部中斷控制數據顯示和語音報警功能的開啟;第三是無線串口通信程序,將下位機暫存的數據發送給PC上位機顯示,上位機根據接收到的信息對下位機進行控制。

火災報警系統重在預報,提前報警相應地增加了對火災處理的時間。由于模糊算法具有抗干擾能力強,響應速度快等優點,所以本系統根據模糊算法,設計一種預測火災發生的方案。在自然狀態下模擬得出火災前期擴散速度[5] :

其中co為空間中氧氣濃度,ρ為物料密度,β/β0為燃燒物灰層占比。

當物料的密度一定時,火災擴散速度與氧氣濃度成正比和燃燒物灰層成反比。在密閉的環境中隨著火災進行,氧氣濃度會下降,燃燒物灰層則會越來越厚。由此推出火災速度定會趨于緩慢。而現實生活中,火災范圍不但不會減小,還不斷擴大,甚至難以控制。這是因為燃燒的物料足夠多,大火作用時間也就變長。在設計火災報警系統時,主要讓系統工作于火災快速蔓延前期,后期的火勢對報警系統已沒有意義了[6] 。根據公式(1),以polyurethane foam為例,得出前期火災前期擴散速度V=0.075mm/s。

由模糊算法和實驗數據分析,得到火災溫度上升速度(VT)與火災擴散速度(V)、火災距離(L)和火災中心溫度(T)等影響因素的隸屬函數:

其中k1、k2、k3為各影響因素的隸屬度,k1+k2+k3=1。

以包裝紙箱燃燒為例,k1=0.5、k2=0.4、k3=0.1,根據公式(2)得出在火災現場3m高處溫度上升速度為:VT=0.031℃/s,即當溫度傳感器采集的溫度變化速度大于0.031℃/s時,可認為火災將會發生。而其他燃燒物的溫度上升速度是否為0.031℃/s還有待研究。本文采用該數據作為火災發生臨界參考點。

系統硬件程序是根據不同設備的性能特點和通信方式而設計的;每個設備只有依靠固有的時序圖和協議才能正常工作。圖5所示為下位機主程序流程圖。首先是編寫各個傳感器和LCD顯示屏初始化程序,然后編寫各傳感器的信息采集程序和數據處理程序。根據DS18B20讀寫時序編寫溫度值采集程序。每一次命令和數據的傳輸都是從下位機啟動寫時序開始,此后將回送數據,單片機再啟動讀時序完成數據接收。MQ-2傳感器采集到的值為對應的電壓模擬量,因此需要對模擬量進行8位AD轉換得到標準煙霧濃度值,精度為38ppm。下一步是對采集到的數據進行判斷,如果溫度上升速度大于設定值0.031℃/s,或者溫度上升速度沒有超過設定值但傳感器采集溫度大于60℃且煙霧濃度大于3000ppm時,語音模塊發出報警,直到上位機關閉語音報警。

圖5 下位機主程序流程圖  下載原圖

圖6和圖7分別是下位機發送和接收數據流程圖。下位機在進行數據發送時,首先將串口模塊的AUX置低,延時1~2ms后,下位機的TXD端口向串口模塊的RXD端口傳送數據,待數據發送完后,拉高AUX電位。下位機在接收數據時,同樣先將AUX置低再發數據。

圖6 下位機數據發送流程圖  下載原圖

圖7 下位機數據接收流程圖  下載原圖

將組裝好的火災報警系統安置在實驗室中進行模擬,采用一對E14-TTL型無線串口模塊實現下位機與上位機的通信;模擬火災發生現場使火災報警系統處于工作狀態,采用VB開發工具設計監控界面如圖8所示[7] 。根據界面顯示,系統調試時溫度為23℃,而煙霧濃度為4635ppm,超過預定濃度3000ppm,濃度指示燈變紅提示濃度異常,與現場環境參數一致,說明系統能按預設功能工作。

圖8 系統調試PC機界面圖  下載原圖

該系統具有倉儲監控界面設計,可進行對倉儲火災情況遠距離監控。本系統所采用的單片機還可擴展功能,如攝像監控,消防灑水噴頭控制等,方便今后對系統改進、升級。