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基于无线红外通信的烟雾自动报警系统设计

2021-04-21晏小庆阮云兰文志诚

现代电子技术 2021年8期
关键词:烟雾红外报警

晏小庆,阮云兰,文志诚

(1.江西工程学院,江西 新余 338000;2.湖南工业大学,湖南 株洲 412007)

0 引 言

随着科技突飞猛进的发展,我国市场经济也在飞速发展,人们生活质量逐渐提升,与此同时,也带来了一些负面影响[1],如环境污染、空气污染等,其中,也存在大量火灾危害。所以,对火灾报警装置的需求越来越多[2]。当下,有线通信多数被用作火灾报警装置,虽然能有效救治火灾事故,但是也存在许多不便。目前,此类火灾报警装置仍维护存在问题,如配置复杂和灵敏度低等,在大型建筑物以及特殊场合中配备较繁琐,不适合广泛使用[3⁃4]。基于此,本文将这两种技术结合,实现全无线报警系统的设计理念,完成全无线报警系统的优化。该系统组网灵活性高、费用低、远程报警速率快、易操作[5],不仅打破了以往火灾探测器的局限,更让远程无线火灾报警和消防管控的发展更上一层楼。

在现实应用场所中,传统的烟雾自动报警系统在应用时,当环境复杂且多变时,无法精确检测烟雾浓度,故报警准确度不能达到现实要求,其使用范围受到限制。

为了解决上述问题,本文设计了一款基于无线红外通信的烟雾自动报警系统,在烟雾自动报警方面引入无线红外通信技术,提升报警系统的准确性以及可靠性。实验结果表明,所设计系统能够准确检测异常烟雾情况,实现自动报警。该系统监测结果和实际状况均相符,监测结果可信度较高,应用性能显著。

1 烟雾自动报警系统

1.1 系统总体结构设计

基于无线红外通信的烟雾自动报警系统构建无线传感器网络时,通过无线红外光电烟雾探测模块与烟雾自动报警模块完成远程管控和报警,系统总体结构如图1所示。

图1 烟雾自动报警系统总体架构

在该系统中,传感网络通过ZigBee 技术完成,将相同范围内无线红外光电烟雾探测模块的数据相融合后,保存在ZigBee 协调器节点中,然后使用网关将数据传输至GPRS 收发模块,再使用电信运营商移动通信网络,传输数据到远程服务器数据库中存储,消防监控总控室和消防机构的计算机终端仅需与互联网连接,使用相应的管理软件,便能接收到系统的烟雾自动报警信息[6⁃7]。

1.1.1 系统硬件设计

区域内烟雾浓度、传输速度等有关信息通过区域内烟雾信息探测实时识别,通过真实设定的阈值完成探测,其拥有显著的效果。通过无线红外光电烟雾探测模块、烟雾报警模块、ZigBee 发射模块、ZigBee 接收模块、GPRS 收发模块和主控制器构成烟雾自动报警系统的总体硬件结构,且主控制模块采用S2C2440。系统硬件结构如图2 所示。

1.1.2 无线红外光电烟雾探测模块设计

无线红外光电烟雾探测模块属于透射型烟雾模块,通过主动式红外脉冲发射,经过光电探测器实现接收。其工作原理如图3 所示。

由于探测距离较远,本文选用反射型光电探测完成自动补偿和智能化操作。通过电路将接收的信号反射到反射电路,需要配置反射装置[8]。无线红外光电烟雾探测模块由发射器和接收器构成。报警火灾信息通过接收器输出完成,实现步骤为:

步骤1:红外光束通过反射发出穿过保护空间。

步骤2:通过反射镜将红外光束反射回来,穿过保护空间传输到接收器。

步骤3:通过物质燃烧形成的烟雾散发至光束区域,导致接收器接收的辐射通量减少。

步骤4:设定感烟动作阈值和辐射通量减少的量相等。红外发光二极管配置在发射器中,通过驱动脉冲使红外发光二级管形成的红外光穿过凸透镜,产生类似平行光束。

步骤5:光束经过被保护区域空间射向接收器。反射器反射的红外光束,通过接收器中红外光电管接收并转化为脉冲信号,且产生直流电平,通过内部扩大和积分电路一起工作输出。

图2 烟雾自动报警系统硬件结构

图3 无线红外光电烟雾探测模块工作原理

红外线光束的辐射通量高低,通过直流电平高低模拟完成[9]。火灾报警信号通过信号线输出得到,且直流电平值减少到感烟动作阈值时出现烟雾。

1.1.3 ZigBee⁃GPRS 网关设计

网关是一种网络交叉通信的方式,被大量使用在两个高层协议间,能在传输层完成网络互连,属于网间传输器。网关主要工作内容是接收每个传感器节点的数据,且从ZigBee 集结的节点处理后,利用GPRS 无线模块传送到远程计算机。烟雾自动报警系统通信功能芯片选择GTM900⁃B 芯片,且属于一项三频段GSM/GPRS无线模块,此芯片来源于华为公司[10]。

图4 为ZigBee⁃GPRS 网关逻辑框图。GPRS 无线模块通过和USATR1 接口配合实现通信,由于CC2530 芯片的USART0 接口用于开发调试,且网关中ZigBee 协调器的硬件部分没有传感器单元,其功能与其他传感器节点一样。构建TCP/IP 完成远程计算机与GPRS 无线模块的连接。GPRS 无线模块传送的数据信息将采用远程计算机配置的管理软件,对端口数据实施监听与接收[11]。

图4 ZigBee⁃GPRS 网关逻辑框图

核心控制芯片CC2530 还可分析传感器所接收的数据,并断定是否异样,如果发现环境数据存在异样,将发送报警短信,报警短信提示通过AT 指令,传送到程序所设定的手机号码中,温度报警阈值的温度设定为50 ℃,当火灾和烟雾探测器探测到异样时,马上发送短信报警[12⁃13]。

1.2 系统软件设计

1.2.1 上位机模块软件设计

上位机模块软件服务于终端用户,对于上位机模块的管理软件的界面设计简易明了,容易操作。传感器数据储存和整理利用C#语言在Visual Studio 2010 开发环境中进行开发,再结合Access 数据库完成系统管理软件的设计如图5 所示。

软件功能主要包括四方面:TCP/IP 连接、数据显示、异样报警和数据管理。对数据实行分析,通过TCP/IP协议和GPRS 模块保证接收数据信息。每个传感器节点的真实数据通过数据显示部分进行检测。当远程检测数据出现异样时,报警功能需要设定适合的温度报警阈值。根据数据种类将接收的数据分类存入有关数据表中,利于查询。

图5 系统管理软件设计框图

1.2.2 报警程序设计

报警程序的设计是该系统的重要部分,其功能包括读取AD 值、操控报警指示、控制编程电阻和操控发射端发射等。

报警程序功能实现过程如图6 所示。

图6 报警程序

1)驱动红外发光二极管运行后实施采样、ADC 值采集和数据预处理。

2)判断烟雾值是否大于标准阈值并及时反馈。

3)若阈值异常,将系统放大倍数进行更改,且反复进行采样和处理。

4)若2 次数值大于标准阈值,便可了解存在异常的情况。

5)探测间隔时间设定为0.2 s,若信号长达3 s,在标准阈值范围外,烟雾特性显示下降状态并将其视为异常烟雾,立即启动报警程序。

2 实验分析

2.1 实验环境

为了验证本文系统的准确性和可信度,本文选用TOSSIM 运行环境,采用TinyOs 作为事件驱动程序,在PC 环境下进行仿真,实验对象选取某实验室。图7 是本实验模拟某实验室的界面图。

图7 烟雾自动报警系统界面图

2.2 实验参数

将“%LEL”当作烟雾检测报警探测器的核心参数,即在区域内碰触明火时产生爆炸的燃烧烟雾浓度最小值(即下限值)。反之最大浓度值(即上限值)用UEL 表示。通常,在发生爆炸的情况下,烟雾浓度在上限和下限之间。在实际操作时,将爆炸下限的25%以下作为报警浓度值,0~100% LEL作为可燃烟雾检测设备的检测精度。

2.3 实验方法

本文通过烟雾传感器采用电阻值和烟雾浓度呈现反比例关系,把有关的物理信号转变成电信号,且二者之间是非线性关系,并且在复杂环境下能有效地对烟雾浓度的特点以及信息进行描述,准确完成烟雾报警程序。

2.4 实验结果分析

为了验证本文系统对烟雾浓度检测的准确性,实验对象选在某实验室,选取VESDA 自动报警系统、TA2000 型自动报警系统进行对比分析。其中,出现火灾下限的烟雾浓度特征报警阈值和火灾下限的其他烟雾阈值分别为25%和5%,烟雾报警高限为1%。实验结果如表1 所示。

表1 无线烟雾报警系统在不同检测点的检测结果

由表1 可知,本文系统在对区域内烟雾浓度不同检测点的检测时间远远低于TA2000 型自动报警系统和VESDA 自动报警系统。其中,VESDA 自动报警系统相比TA2000 型自动报警系统报警时间下降1~2 s,本文系统相比VESDA 自动报警系统下降2~4 s。表中VESDA自动报警系统的检测精度相比TA2000 型自动报警系统检测精度高出5%~11%,本文系统相比VESDA 自动报警系统高出27%~39%,说明本文系统能够准确检测异常烟雾情况,实现自动报警。实验分析了存在火灾的情况下,对本文系统的运行情况进行检测,实验结果如表2 所示。

表2 烟雾和温度实验检测平均值

由表2 可知,经过多次实验检测,本文系统的监测结果和实际状况均相符,由此验证本文系统的监测结果具有一定的可信度。

3 结 论

无线红外通信技术通过对数据进行传输实现,其速度快、准确率高。本文设计一款基于无线红外通信的烟雾自动报警系统,若系统中无线红外光电烟雾探测模块,探测到环境烟雾值大于标准阈值,则可判断为烟雾异样,通过ZigBee 发射模块中ZigBee⁃GPRS 网关,将烟雾异常信息传输至烟雾报警模块,烟雾报警模块通过ZigBee 接收模块获取烟雾异常信息后,通过手机短信的形式,将警情信息传送到相关责任人员,且现场发动声光报警,完成立体复合报警的功效。在某实验室进行了实验分析,实验结果表明,本文系统能有效探测烟雾浓度,可应用于烟雾自动报警程序中。

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