基于航模的森林火情监控与预警系统研究

赵珠颜 周天宇 吕志浩

摘要：文章概述了中国传统森林防火技术的情况和系统设计的内容，从系统的主要构成、系统的工作原理、系统功能分析、系统的优点等六大方面全面对系统进行了阐述，最后对系统现在尚存的问题进行了分析。

关键词：航天模型飞机；森林火情监控；森林火情预警；森林防火技术；系统原理 文献标识码：A

中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2016）15-0021-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.15.010

1 单片机智能火灾报警器简介

1.1 智能消防系统

以往的防火系统体系构成相对简单、比较被动，很难及时地发现并消除灾难。而当今的防火系统体系则是自行检查、自动报警并自动灭火的智能化的消防系统体系。智能化的消防系统主要是由失火的自动报警系统和联动灭火系统两大系统组合而成的。自动报警系统即感知中枢系统，就像是人的感觉器官和大脑用来检测发现是否发生失火并给予警示；而联动灭火系统则为灭火的执行系统，就好比是人的四肢用来进行灭火的具体动作。一旦失火，火灾报警系统检测到火警信号并将其立刻发送给报警控制器。而联动灭火系统则根据报警器发出的指令驱动相对应的输入输出模块，启动消防泵、喷淋泵、开启或关闭相应的排烟口和送风口、启动排烟机和送风机、开启扩音机和相应的火灾事故广播扬声器、相应的卷帘门下降，从而实现消防联动控制。这样智能消防系统通过自动报警系统和联动灭火系统的相互之间的配合实现了对火灾的预防及治理，从而很好地保证了人们的生命和财产的安全。

1.2 火灾报警控制器的功能

1.2.1 火灾报警：只要是接收到好比报警手动开关、烟雾检测器、消火栓按钮或者是输入模块发来的火警信息时，均可以发出报警（声音加光线）的信号。

1.2.2 故障报警：在系统正常工作过程中控制器会时刻进行巡查，如果系统存在异常现象则会发出声音和光线的报警信号，并同时可以体现相应故障的类别及编号等。

1.2.3 火警优先：如果故障报警或已处理火警与火警同时出现时，则会优先处理火警信息，在火警警情得到清除后采取处理相应故障报警。

1.2.4 时钟与火灾发生时间的记忆：系统中有相对应的存储单元来储存事故发生的具体时间，时间的处理是利用相关的软件编程来实现的。

1.2.5 自检功能：系统设置了检查功能，可以时刻对报警控制器进行模拟火警检查，从而使报警系统的可靠性能得到提高。

1.3 火灾报警控制器分类

火灾报警控制器种类十分多，一般按控制的范畴大小可分为区域火灾报警控制器、集中火灾报警控制器和控制中心火灾报警控制器。壁挂式火灾报警控制器、台式火灾报警控制器和框式火灾报警控制器是按布局类型的不同来分的。而多线制火灾报警控制器和总线制火灾报警控制器是按系统布线方式来划分的。

1.4 工作原理

火灾报警控制器将火灾检测器送过来的信息加以处理并发出相应的报警信息。从工作原理上讲，不管是哪一类报警控制器都是依照统一的工作模式，即从汇集探测信号阶段到输入模块阶段，再到自动监控模块阶段，最后再到输出模块总共4个阶段。

2 单片机简介

2.1 单片机的特点

单片机具有性价比较好、电路的集成度较高、占用空间相对小、可靠性能也较高、综合控制功能强且能量消耗很低等优点。

2.2 单片机的应用

2.2.1 在智能仪表中的应用：由于单片机能进行简单的运算，所以在仪器仪表中引入单片机的使用会使仪器仪表越发智能化，从而提高测试的自动化程度和精确度，另外也能简化仪器仪表的硬件结构使其越来越小巧轻便。

2.2.2 在光机电产品中的应用：光机电一体化产品是指集合了机械、电气、气动、计算机技术于一体，具有高智能化特点的产物。

2.2.3 在实时过程控制中的应用：在实时控制过程中操纵单片机实时地对数据进行处理和控制，能使系统保持在最佳的工作状况，从而提高产品的质量和加工速度。

2.2.4 在人类生活中的应用：目前海内外各类家用电器（洗衣机、电饭锅等）已普通运用了单片机来取代传统的控制电路，逐步实现了向智能家电的过渡。

2.2.5 在其他方面的应用：单片机不单单是在以上领域得到了应用，它还广泛应用于其他不同的领域，如办公自动化领域、汽车及通信、模糊控制、商品营销领域等。

3 烟雾探测器报警电路的组成

3.1 烟雾探测器传感器的发射部分

MC系列的芯片MC14468是离子型烟雾检测报警的专门芯片，是当前产品中比较常见的传感器，它是既能检测又能进行报警的智能化传感器。当它检查出有烟雾颗粒时，它会主动驱动压电式电子元器件产生报警声，并且同时带动发光二极管以某一频率进行闪烁发光，通过声与光的配合实现报警的最佳效果。

3.2 烟雾探测器传感器的接收部分

功率放大器想要处于接受的状态，单片机就必须令TXEN端置为零，此时设备从PCB天线上接收到调频信号，调频信号会依次经功率较低的放大器放大后，再经过混频器（其作用是抑制或消除干扰）使其变成中频信号，再经过滤波功能和调制器解调后，转换为有用的数据传出。此时单片机要切换成发射模式，回送握手信号，nRF401把得到的数据再输送给单片机，经内部数据运算后送给LED的显示屏上进行显示（报警的具体信息情况），同时会驱动报警器进行报警。

3.3 温度烟雾信号采集模块

正确地选择适当的相关的传感器是报警器准确性的关键因素。综合考虑各种影响因素，一般用作采集系统的敏感元件会选择集成温度传感器ad59o（输出同绝对温度成正比）和气体传感器tgs202（能探测CO2、CO、甲烷、煤气等多种气体）。

3.4 声光报警模块

火灾报警按照情况的差别（火灾、异常、故障）不能就发出一种报警信号，而是最好能发出不同种类的信号。一般是操纵单片机的Po，从而得到不同的声光报警信号。而声音信号是由专门的语音芯片供给的。利用给语音芯片的S1和S2端输入的逻辑电平（00，01，10，11）的差异，即可轻松获得4个不同的声音信号。逻辑电平是由单片机的P1、0和P1、1两个端口进行控制的。除此之外还要用到一个选择信号，此信号由P1、3供给。在该信号为低电平时，芯片是不会依据S1和S2端的控制信号的变更而使发出的报警声有所差异，要想报警则该信号必须是高电平。

由单片机P1口的P1、4到P1、7分别驱动4个不同的发光二极管，用来光报警。P1.4～P1.7所控制的灯的颜色可以依次为绿色（系统正常）、黄色（系统障碍）、红色（系统异常）和红色（发生失火）。

3.5 单片机与MODEM的通信模块

智能火灾报警器的智能体现在当报警器监测到发生火灾信号后，它应该能及时地将此信息通知给相关的工作人员，一般是自动拨通事先预留的电话号码，从而能及时地上报消防指挥中心，在尽可能短的时间内把火灭掉。所以，火灾报警器需要单片机与MODEM的通讯部分，一般是由单片机、RS232电平转换电路和GM16C550串行端口扩展芯片所构成的。

4 单片机的抗干扰特性

有电就会有磁，同样有磁也会有电，磁和电之间相互制约、相互影响。单片机是靠电信号驱动的电子器件，并且所用的电信号还都属于弱电，故极易受到来自系统内部和外部各种电信号的干扰。有些滋扰因素常会致使单片机系统的工作反常，轻微的可能影响产品质量和产量，严重的就会引发事故，带来相当大的经济损失。

4.1 干扰形成的三要素

形成干扰的三要素为：干扰源（如雷电、继电器、电机、高频时钟）、传播路径、敏感器件（如数字IC、弱信号放大器等）。

4.2 干扰的分类

通常有如下种类：放电性干扰、高频率振荡干扰、浪涌干扰、共模干扰、串模干扰、连续的正弦波干扰、脉冲电压干扰和脉冲序列干扰等。

4.3 干扰的耦合方式

干扰源产生的干扰信号一定得通过合适的耦合通路才会对测控系统产生相应的滋扰效果的。干扰源到被干扰对象之间的连通方式又被称作干扰的耦合方式，主要有如下方式：直接耦合方式（例如干扰信号通过电源线直接侵入系统）、公共阻抗耦合（常常发生在两个电路电流有交集阻抗的情况）、电容耦合（又称电场耦合或静电耦合）、电磁感应耦合（又称磁场耦合）、漏电耦合（纯电阻性）。

4.4 常用硬件抗干扰技术

4.4.1 抑制干扰源。抑制干扰最直接有效的办法就是消除电信号（或将相互干扰的电信号彼此之间隔离开来），即尽可能地减小干扰源的出现和变化。一般采用抑制干扰源的做法往往会起到意想不到的效果。具体的方法有：在干扰源两头并联电容，或在干扰源回路中串联电感及增添续流二极管等，都可以获得比较理想的效果。

4.4.2 切断干扰传播路径。电磁信号的传播路径主要有两种：一种是利用导体来传递；另一种是以辐射的形式来传递。所以，干扰的传播路径也就会有两种即传导干扰（导体传播到敏感器件的干扰）和辐射干扰（由空间辐射传播到敏感元器件的干扰）。一般针对传导干扰我们通过在导线上外加隔离光耦的方式或加滤波器来处理，而对辐射干扰我们一般常利用地线将干扰源隔离，即在敏感器件上加屏蔽设备或适当增长敏感器件与干扰源之间的距离来处理。

参考文献

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（责任编辑：黄银芳）