基于多传感器信息融合的宿舍烟雾报警器设计

高睿谦

摘 要：火灾是人类社会中经常出现的灾害之一，对于人们的生命及财产安全造成巨大的威胁。针对传统烟雾报警器中的参数单一、易错误报警等问题。通过对多种传感器进行选择，并对其电源、电路进行设计，提出一种基于多传感器信息融合的宿舍烟雾报警器。通过对比实验证明，优化后的烟雾报警器能够在火灾前期可快速发出报警信号警，保证人们的生命、财产安全。

关键词：多传感器;信息融合;宿舍;烟雾报警器

0引言

为了减少火灾给人们造成的损失，对烟雾的探测和报警研究尤为重要。火灾是一种化学反应，通常情况下伴随着大量的烟雾、一氧化碳、温度等周围环境因素的改变[1]。利用烟雾报警器对这些周围环境因素进行监控，可以有效并及时的找出火灾发生的隐患，及时采取应急措施，尽可能的避免火灾事故的发生。

1基于多传感器信息融合的宿舍烟雾报警器设计

1.1多种传感器的选择

传感器是宿舍烟雾报警器中最重要的设备，为了达到更好的预警效果本文选用目前市面上性能最好的传感器。在各类火灾事故前期一定会产生大量的烟雾，烟雾中的成分包括一氧化碳、二氧化碳等，随着火灾的发生，这些烟雾中的成分浓度和温度会出现异常的增加[2]。因此为了避免火灾的发生基于多传感器信息融合，在烟雾报警器当中增加对一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、温度等多种信息进行检测的传感器设备。

一氧化碳在宿舍发生火灾时其含量可达0.03～0.5%，目前性能最好的一氧化碳浓度测量传感器装置的测量范围在1500ppm，而宿舍内的空气质量标准一氧化碳浓度在7ppm之内，因此本文选用测量范围在5～1500ppm的一氧化碳传感器，并保证其检测精度在25%以上，响应时间不超过5s。

一般情况下，火灾燃烧的条件为二氧化碳体积分数在0.8%。而目前性能最好的检测二氧化碳浓度的传感器测量的范围在45000ppm以上，而宿舍内的二氧化碳质量标准为不超过0.2%，因此本文选用检测范围在1000～45000ppm的二氧化碳传感器，检测进度在20%以上，响应时间不超过10s。消防标准报警的烟雾浓度为4%以上，且目前市面上普通的烟雾浓度传感器检测范围在0～6%，因此选用在检测范围内的烟雾浓度传感器即可。

1.2电源设计

电源是维持宿舍烟雾报警器稳定运行的重要条件，也是电路设计中的重要部分。只有提供适合的电压才能使报警器稳定的工作。该报警器从上位机中引入电源，将电源的规格设计为直流正负24V，以此可以避免在220V高压情况下造成报警器無法正常运行，或出现故障的问题发生。基于多传感器信息融合对于电源的设计也应根据不同类型的传感器进行选择，第一种传感器电压选用+5V的稳定电压，并在稳定电压上选取+15mA的单片机和+0.1mA的温湿度传感器;第二种选用+3.3V稳定电压，在稳定电压上选用+32mA的二氧化碳浓度传感器;第三种选用+12V的非稳定电压，在非稳定电压上选用静止状态为+0.02mA，报警状态为+5～+15mA的烟雾浓度传感器。

通信板是烟雾报警器与主机通信的桥梁，也是传输电源电压的桥梁。从主机中引入的电源接入到通信板当中，通过通信板将电源电压传输到各个监测板中，同时产生一个为自身提供稳定运行的电源，该报警器无需另外增加电源装置。

1.3电路设计

在本文设计的宿舍烟雾报警器中，电路的设计主要是针对数据采集电路及放大电路。图1为报警器信号采集电路及放大电路设计图。

当各个传感器所处的环境中存在大量的烟雾，此时各传感器电阻率会随着空气中烟雾的浓度增加而增加[3]。当电导率增加到一定程度时，输出电阻会随之降低，以此获取到空气中厌恶的浓度。利用带有敏感元件的阻值与空气中被检测气体（一氧化碳、二氧化碳等）的浓度成对数关系变化的规律，做出相应的报警。

多种传感器输出的信号一般是比较微弱的，因此在经过前置电路时首先要对其进行放大调整，以满足烟雾报警器对传感器输入信号的要求。本文选取的烟雾浓度检测传感器属于电阻性传感器，因此在电路中需要串联一个参考电阻，再经过放大电路完成对信号的采集。

2对比实验

为了验证本文设计的宿舍烟雾报警器的可行性，将其与传统的宿舍烟雾报警器做对比实验。为了保证实验的安全性，本文只针对发现早期小火进行实验设计，同时建立早期小火实验可以使采集参数的灵敏度得到验证。为了使实验的准确性更高，在保证其它外界干扰因素不变的前提下，利用两种报警器分别完成两次实验，并将两种实验方法的结果进行记录，如表1所示。

通过实验结果可以看出，本文设计的基于多传感器信息融合的烟雾报警器报警时间明显短于传统烟雾报警器。因此，可以说明，本文设计的烟雾报警器具有更加准确、快速的报警功能。在实验过程中发现，本文设计的宿舍烟雾报警器能够对环境中各参数细微的变化进行采集，保证报警器的精确度。

3结束语

针对传统烟雾报警装置的灵敏度低、易产生错误报警的问题，本文选用温度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度以及烟雾浓度多种传感器对多个信息进行融合的监测方法对宿舍烟雾报警器进行优化，通过实验证明新的报警器能够在火灾发生前更加准确、及时的做出报警，具有较强的实用性。

参考文献：

[1]付瑞玲，王宁，杜志强.基于多传感器信息融合的火灾报警器设计[J].计算机测量与控制， 2018，33（51）：025-028.

[2]王琳琳，陈瑜，陈俊.试论基于多传感器信息融合的无线火灾定位报警系统[J].通讯世界， 2019，386（06）：285-286.

[3]宋清亮，阮颐，邓正敏.一种基于MCU的光电式烟雾报警器设计[J].集成电路应用， 2018， 295（04）：069-071.