基于信息融合技術(shù)的無(wú)線火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

摘要 為了解決傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)只對(duì)火災(zāi)的某一種物理或化學(xué)信號(hào)進(jìn)行探測(cè)而容易出現(xiàn)誤報(bào)和漏報(bào)的問(wèn)題，將多傳感器復(fù)合探測(cè)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用到火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一種基于STM32為主控制芯片的智能分布式無(wú)線火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)能同時(shí)采集CO濃度、煙霧濃度和溫度3個(gè)火災(zāi)參數(shù)，利用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用智能算法對(duì)火災(zāi)信息進(jìn)行處理和判斷。經(jīng)調(diào)試，誼系統(tǒng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)警火情。
關(guān)鍵詞 火災(zāi)探測(cè)；STM32；ZigBee技術(shù)；信息融合

火的應(yīng)用對(duì)人類的文明發(fā)展起了重要的作用，而火災(zāi)也一直威脅著人類的生活，造成了重大的生命財(cái)產(chǎn)損失。尤其近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化程度的進(jìn)一步提高，人員密集場(chǎng)所數(shù)量不斷增加，火災(zāi)的發(fā)生頻率越來(lái)越大，需要社會(huì)各界引起高度重視，及時(shí)消除隱患，確保消防安全。
目前，火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛，在很多地方已成為必備裝置，起到了安全保障作用。但在火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，也出現(xiàn)了許多問(wèn)題，市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，存在產(chǎn)品功能單一、可靠性穩(wěn)定性不高；只對(duì)某一種火災(zāi)參數(shù)進(jìn)行探測(cè)，出現(xiàn)誤報(bào)漏報(bào)等諸多問(wèn)題。隨著微處理器技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能技術(shù)等的不斷發(fā)展，火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的主要發(fā)展方向向著高可靠、低誤報(bào)漏報(bào)率及網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。
文中的研究目的在于提出一種基于多傳感器信息融合技術(shù)的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)方案，采集多個(gè)不同的火災(zāi)特征參數(shù)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，利用智能算法進(jìn)行處理和判斷，對(duì)火災(zāi)的發(fā)生進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的探測(cè)和報(bào)警。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1．1 設(shè)計(jì)思想
(1)多傳感器復(fù)合探測(cè)技術(shù)。一般將火災(zāi)過(guò)程分為早期、陰燃、火焰放熱和衰減4個(gè)階段?；馂?zāi)早期釋放的多是燃燒氣體，主要包括CO、CO2、H2等，煙霧、火焰、熱量都較少；陰燃階段則產(chǎn)生大量的可見(jiàn)或不可見(jiàn)煙霧，火焰、熱量也不多；而火焰放熱階段則向外輻射熱量，環(huán)境溫度迅速上升?；馂?zāi)信號(hào)包括許多特征參數(shù)，每個(gè)參量都或多或少地表示了火災(zāi)發(fā)生的概率。從理論上講，系統(tǒng)采用的火災(zāi)參量越多，系統(tǒng)智能化水平越高，誤報(bào)率、漏報(bào)率將會(huì)越低。因此，文中選擇煙霧濃度、溫度、CO濃度作為火災(zāi)參量進(jìn)行復(fù)合探測(cè)。
(2)分布式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一般分為火災(zāi)探測(cè)器和火災(zāi)報(bào)警控制器兩個(gè)部分。早期的系統(tǒng)多采用集中控制方式，探測(cè)器只是一個(gè)純粹的傳感器，它隨時(shí)將采集到的信號(hào)傳遞給控制器，由控制器對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理、判斷得出結(jié)果。這樣系統(tǒng)成本低、信號(hào)處理算法簡(jiǎn)單，但是當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模過(guò)大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生控制器負(fù)擔(dān)過(guò)大、響應(yīng)速度慢、系統(tǒng)可靠性降低等不利因素。為了克服這些缺點(diǎn)，逐漸采用分布式控制方式代替集中式控制方式。于是本文的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)采用分布智能式控制方式。
(3)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式。傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)器的能量供給和信息傳輸通常是通過(guò)電纜線連接，在安裝過(guò)程中電纜線的鋪設(shè)，不僅費(fèi)用高、工作量大，而且有時(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成一定的破壞性。在一些特殊場(chǎng)合，如古建筑消防安全、危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏應(yīng)急檢測(cè)及其他人力難以達(dá)到的場(chǎng)所，有線式的探測(cè)器難以適用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)，采用無(wú)線通訊技術(shù)和小體積、低功耗的微傳感器，它是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通訊方式形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，將火災(zāi)探測(cè)技術(shù)與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)探測(cè)的無(wú)線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，是火災(zāi)探測(cè)研究的新方向。
(4)火災(zāi)信號(hào)的智能算法?；馂?zāi)是一個(gè)復(fù)雜的非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。對(duì)于不同燃燒物質(zhì)和探測(cè)環(huán)境，傳感器所采集到的動(dòng)態(tài)特征參數(shù)值差異很大。在火災(zāi)的探測(cè)中，傳統(tǒng)的閥值法對(duì)于火災(zāi)復(fù)雜的狀態(tài)中信號(hào)探測(cè)來(lái)說(shuō)過(guò)于簡(jiǎn)單，尤其是在報(bào)警延遲時(shí)間和報(bào)警閾值的設(shè)定過(guò)于單一。因此，將智能化算法應(yīng)用于火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)研究，將對(duì)提高火災(zāi)探測(cè)的可靠性以及降低火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的誤報(bào)、漏報(bào)率具有重要的積極作用。
1．2 無(wú)線復(fù)合火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)
文中研究的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，由STM32作為處理器，分別設(shè)計(jì)了火災(zāi)報(bào)警控制器和復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器，形成分布式控制的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。復(fù)合探測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧濃度、溫度和CO濃度信號(hào)的采集，在探測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)信息的處理和判斷，減輕控制器的負(fù)擔(dān)；通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸給火災(zāi)報(bào)警控制器；由火災(zāi)報(bào)警控制器進(jìn)行火災(zāi)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示以及對(duì)探測(cè)節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)籌管理。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

(1)復(fù)合探測(cè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)3種傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境信號(hào)，利用智能算法對(duì)火災(zāi)信息進(jìn)行處理，利用ZigBee通信模塊將信息傳輸給火災(zāi)報(bào)警控制器。若發(fā)生火災(zāi)則啟動(dòng)報(bào)警裝置，同時(shí)向火災(zāi)報(bào)警控制器發(fā)送火警信息，若無(wú)火災(zāi)，則定時(shí)向火災(zāi)報(bào)警控制器發(fā)送驗(yàn)證信號(hào)供火災(zāi)報(bào)警控制器處理，如圖2所示。