融合多传感器数据的智能火灾预警系统设计

梁小瑞，任国凤，赵翊辰

（1.忻州市消防救援支队，山西 忻州 034000；2.忻州师范学院 电子系，山西 忻州 034000）

火灾严重威胁着人民群众的生命和财产安全[1]，所以有必要加强火灾的预防和早期预警研究工作.现有的火灾预警系统参数单一、功能简单，存在对不同位置及起火原因的火灾预警不能准确判断是否起火或判断有误导致误报等问题，给后续的火灾扑救带来不确定因素[2].而采用多传感器数据融合系统进行采集和分析数据，可以有效降低系统判断结果的不确定性，将系统预警的准确性和可靠性进一步提升[3].

从19 世纪至20 世纪初，火灾报警系统主要采用感温式的探测器，这种类型的探测器灵敏度低、响应速度慢、无法识别阴燃火灾[4].1941 年，瑞士发明了离子感烟探测器，实现了火灾的早期预警.

1980 年到1985 年前后，欧美发达国家兴起了基于总线控制的火灾报警系统，由于当时的传感器技术和微处理器技术发展水平不高，因此火灾报警系统只能采集温度和烟雾报警，而且感知的精度、灵敏度较差及处理速度较慢，已经具备了智能化火灾报警系统的雏形[5].进入21 世纪尤其是进入物联网时代，随着感知技术、通信技术、嵌入式技术和物联网技术的崛起，火灾报警系统智能化程度越来越高，并朝着融合多传感数据的方向发展，成为了智慧城市、智慧楼宇和智慧消防的有机组成部分，并发挥着重要的作用.本文针对我国城市建筑火灾预警系统的应用现状，自主设计了一套基于单片机的融合多传感器数据的火灾预警系统.

1 火灾预警系统的硬件设计

融合多传感器数据的智能火灾预警系统见图1.按照功能火灾预警系统模块的组成为：单片机最小系统[6-9]、温度传感器感知和数据采集、烟雾探测器感知和数据采集、火焰探测器感知和数据采集、LCD 液晶显示、蜂鸣器报警.

图1 智能火灾预警系统

系统工作原理为当火灾发生时，火灾发生区域的温度和烟雾传感器将火灾产生的温度和烟雾进行数据采集，并转化为电信号.通过放大电路将微小电信号进行处理，再把这些电信号实施A/D 转换，变为数字类型.最后传给主控部分，跟预置阈值进行比较，如果超出阈值，那么系统及时给出报警信号，进行声光报警并在显示屏上显示数据.

1.1 单片机STC89C51

STC89C51 单片机是一款高性能的8 位处理器，采用8051 内核，具有ISP 在线编程的功能，使用和调试方便，外设丰富.该款单片机存储容量大，具有高达8 K 的程序存储区，还具有EEPROM 存储功能，RAM 空间有512 字节.STC89C51 具有强大的计算能力，时钟频率最高可达80 MHz，能够满足对时序要求比较高的场合，非常适合本文融合多传感数据的火灾预警系统的设计.

1.2 单片机最小系统

该小系统外围接口丰富，接线使用比较灵活，单片机使用的外围接口和功能模块主要包括：电源、晶振、复位、I/O 口、定时器中断、外部中断和RS232 串口等，单片机最小系统的原理见图2.

图2 单片机最小系统的原理

1.3 温度传感器

本文所用温度传感器为DS18B20 数字温度传感器.DS18B20 作为高性能的数字温度传感器直接输出数字信号，不需要额外增加AD 转换电路，具有较高测量精度，性价比较高，同时具有较宽的温度测量范围，能够满足设计需求测量精度为±0.5 ℃.DS18B20 采用模拟IIC 单总线控制，可以节省单片机I/O 等.

1.4 火焰传感器

火焰传感器主要有2 种检测方式，一种是远红外火焰传感器，另一种是紫外火焰传感器，两者的原理类似，只是传感器对火焰检测的波长不同而已[10].本设计采用红外火焰传感器进行火焰和火源的感知和采集，火焰传感器模块见图3.

图3 火焰传感器模块

1.5 烟雾传感器

火灾报警系统通常采用光电和离子感烟2 种类型烟雾传感器.本设计的探测部分采用了MQ-2 型烟雾探测器，其优点是敏锐度高、稳定性好、费用低.当烟雾传感器遇到可燃气体时传感器的电导率会跟随浓度大小的升降而出现变动，电导率大，输出的电阻会出现降低，从而输出的模拟信号就越低.

2 智能火灾预警的软件设计

本设计采用的烟雾传感器有一个缺陷，就是不能断电存放，如果断电一段时间没有使用，那么再次使用时，其不能马上开始工作，首先需要进行一段时间的预热，然后才能对烟雾、温度和火焰等信息进行采集[11].在多传感器所在环境出现烟雾浓度、温度快速升高，火焰产生时，传感器采集信号传送到单片机中，火灾预警控制器将探测到的温度值、烟雾浓度与设置的报警值进行比较，若低于设置的报警值或未能检测到火焰燃烧，那么LCD 显示未报警，蜂鸣器不响，保持原样；若超出设置的浓度报警值，那么LCD 显示报警信息，并且蜂鸣器会响.主程序流程见图4.

图4 主程序流程

3 系统硬件制作和测试

3.1 系统硬件的制作

本文设计的融合多传感数据火灾预警系统硬件电路见图5，需要的元器件清单：

图5 硬件电路正反面

3.1.1 单片机最小系统 STC89C51 单片机1 个，DIP40 单片机插座 1 个，10μF电解电容 1 个，11.059 2 MHz 晶振 1 个，22 pF 瓷片电容 2 片，1 kΩ 色环电阻2 个，四脚复位按键 1 个，10 kΩ 色环电阻 1 个.

3.1.2 供电电源 DC5V 的USB 电源线 1 根，红色LED 电源指示灯 1 个，DC5 V 的电源座 1 个，1 kΩ 色环电阻 1 个.

3.1.3 液晶显示 LCD1602 液晶显示屏 1 块，10 kΩ 可调电阻 1 个.

3.1.4 温度传感器 DS18B20 温度传感器 1 个，4.7 kΩ 色环电阻 1 个.

3.1.5 烟雾探测器 烟雾传感器模块1 个，1 kΩ 色环电阻 1 个.

3.1.6 火焰探测器 火焰传感器模块1 个.

3.1.7 蜂鸣器报警 DC5 V 有源蜂鸣器1 个，PNP 驱动三极管1 个.

3.2 硬件电路的测试

3.2.1 温度传感器的测试效果 接通电源，等待初始化完成，用打火机加热温度传感器，使温度超过预设上限值35 ℃时，液晶屏上显示此时温度为37.4 ℃，此时红灯亮起，蜂鸣器进行报警，结果见图6.

图6 温度报警测试效果

3.2.2 火焰报警的测试效果 测试时利用打火机在火焰传感器旁点燃，火焰传感器感受到周围热源达到上限值时，红灯亮起，蜂鸣器报警，结果见图7.

图7 火焰报警测试效果

3.2.3 烟雾报警的测试效果 测试时利用打火机内的气体模拟火灾发生时的烟雾，当 MQ-2 烟雾传感器感受到周围烟雾浓度升高，超过预设的上限值45×10-6，红灯亮起，蜂鸣器报警，结果见图8.

图8 烟雾报警测试效果

4 结语

本文针对我国城市建筑火灾预警系统的应用现状，设计了基于单片机的融合多传感器数据的火灾预警系统.该控制系统融合烟雾、温度和火焰传感器等多传感器数据，对数据进行采集、融合和分析，可以最大程度上降低系统的误判，提高系统预警的准确性和可靠性，能够实现火灾的极早期预警功能.本文在智慧城市、智慧楼宇和智慧消防的研究方面具有一定的研究价值和很好的市场前景.同时，本文仅针对单个部署位置的多模态数据进行采集、融合和火灾预警，并未实现多个位置的多模态数据采集和分析，这需要在未来的研究中进一步开展.