公共场合烟雾智能监测及火灾预警系统（包括方案的软硬件实现和实物展示）

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1、前言
        当代社会，戒烟已经成为一种潮流，但在许多公共场合，抽烟现象还是屡见不鲜，抽烟不仅有损身心健康，而且由抽烟引起的火灾对他人的身体、生命、财产等也带来严重的危害。随着社会的不断发展，人民生活水平的不断提高，公共场合人员越来越密集、设备越来越先进、装饰越来越豪华，但火灾也越来越频繁，因此，烟雾智能监测及火灾预警系统已成为公共场合不可缺少的重要组成部分。
         
        火灾往往发生在人群稠密和物资集中的地方，扩展的速度较快，而这些地区的消防通道又常常拥堵，消防车难以进入，消防灭火工作难以展开，往往小的火灾却酿成大的灾祸。因此，我们必须按照“隐患险于明火，防患胜于救灾，责任重于泰山”的概念，做好防范工作，只有严格按照消防规范的规定进行消防设计、施工，才能限制火灾蔓延的范围，及时发现和扑救火灾。随着电子技术和计算机技术的迅速发展，国际上已将该技术广泛地应用于消防报警系统和消防灭火系统。目前我国新建的建筑中也广泛地采用了消防自动报警系统，就是将着火时的烟、光、温度等环境参数的变化通过相应的探测器探测后传给中央处理主机，通过电脑的快速分析，判断是否着火并将着火情况快速地报警，同时启动消防自动灭火系统，控制火情；启动紧急广播系统和人群疏散指导系统，使建筑物内的人员快速撤离；关闭防火卷帘门对火区进行隔离；启动排烟系统将有毒气体排出，尽可能地控制火情，减少人员伤亡，降低财产损失。
         
        消防报警系统就是一种及时发现和通报火情并采用措施控制扑灭火灾的自动消防设施。要保证大楼内人员、设备的安全，随时监控设备的运行环境，系统的没置即使投资大一些也应选用较先进、高可靠性、误报率低的产品。
         
        火灾自动报警系统的基本形式有三种，即：区域报警系统、集中报警系统及控制中心报警系统。公共场合主要采用控制中心报警系统，这是一种复杂的火灾自动报警系统，主要由触发器件、火灾报警装置、消防控制设备、无线通信装置及电源组成。该系统从通报火灾到启动灭火系统和控制各种消防设备，基本实现自动化。
         
        触发器件主要包括火灾探测器和手动火灾报警按钮。火灾探测器是对火灾参数（如烟、温、光、火焰辐射、气体浓度等）响应，并自动产生火灾报警信号的器件。按响应火灾参数的不同，火灾探测器分为感温火灾探测器、感烟火灾探测器、气体火灾探测器、感光火灾探测器和复合火灾探测器五种基本类型。
         
        消防控制设备在火灾自动报警系统中当接收到来自触发器件的火灾报警信号，能自动或手动启动相关消防设施并显示其状态的设备。主要包括：火灾报警控制器；自动灭火系统的控制装置；室内消火栓系统的控制装置；防排烟系统及空调通风系统的控制装置；常开防火门、防火卷帘的控制装置；电梯回降控制装置以及火灾应急广播、火灾警报装置、消防通信设备、火灾应急照明与疏散指示标志的控制装置等十类控制装置。每个系统根据工程的需要应具有十类控制装置的部分或全部。
         
        无线通信装置在火灾预警系统中起到不可磨灭的作用（尤其是火灾现场和控制中心离得较远时），当火灾发生时它能及时准确的将现场情况和当前公共场合的各种参数（如烟、温、光、火焰辐射、气体浓度等）发送到控制中心，告知工作人员作出必要的处理和控制，这样既能减少人员伤亡，又能很快的得到控制。
         
        火灾预警系统属于公共场合系统的一个子系统，但其又在完全脱离其他系统或网络的情况下独立地正常运行和操作，完成自身所具有的防灾和灭火的功能，具有绝对的优先权。    现代公共场合应具备一套满足其功能要求的智能火灾预警系统。
         
        基于对现代社会上一些火灾案例的分析，大部分都是由于防火工作做得不太全面，以至于发生火灾时无法及准确的告知通知人群和控制中心工作人员，所以本项目就是基于烟雾监测和火灾预警的系统。
         
        2、项目概况
        本项目设计思想来源于现实生活。2005年12月25日晚11时许，广东省中山市坦洲镇檀岛酒吧发生特大火灾，2008年9月20日22时30分左右，深圳龙岗舞王俱乐部发生特大火灾事故，2008年11月14日下午5时30分左右，上海商学院宿舍楼发生火灾，据不完全统计2011年2月2日0时至8日12时，全国共发生火灾11813起，死亡40人，受伤37人，直接财产损失达5600余万元。火灾频频发生，在学校、公寓、火车、娱乐场所等各种公共场合都有可能发生火灾，所以，及时准确的对火灾预警并控制是一项很必要的措施。本项目设计的系统是通过监测公共场合的温度和烟雾浓度，并将这些参数通过无线装置实时地发送到控制中心PC机进行分析，当温度和烟雾浓度超过设定的指标之后实现自动报警并控制消防装置及时疏散烟雾和降低环境温度，以免发生火灾，同时控制中心接受装置也将实现报警，并通知工作人员进行必要处理，这样就实现了智能监测和控制，将火灾发生的系数大大降低。
         
        2.1设计目标及原则
        本项目设计的烟雾智能监测及火灾预警系统采用美国爱特梅尔（Atmel）公司开发的EVK1100硬件平台为基础，采用一些必要的外围器件等研发的一套实用先进的智能预警系统。该系统是人们生命财产安全的忠实卫士和公共场合的保卫者，它可以避免由于火灾而造成的巨大经济损失，在火灾初期就可以人为地预防由于火灾造成的一些不必要的损失，使生命财产受到安全的保护。它广泛用于生命安全，紧急信号，防爆防火等各类场所。可保证该系统在生活中对人们的必要性。
         
        一套先进可靠的火灾预警系统可以有效的避免或降低由于火灾而引起的生命财产损失。同时运行的极其安全稳定，先进的可再生功能也可减少公共场合的物业管理工作。本方案即是针对本项目的特点而设计的。
         
        2.1.1系统的环保和创新理念
        本系统旨在“环保和创新”的理念上设计和制作的，当今社会提倡社会主义和谐社会，尤其是人与自然的和谐，本系统充分体现了环保的理念，其设计成本低，如果应运与实际还可节约人力资源，系统本身工作时也不会产生任何噪声和污染。
         
        2.1.2系统的先进性和适用性
        本系统的技术性能和质量指标都较高；同时系统的安装调试、软件的编程和操作使用又简便易行，容易掌握，适合本项目规模大、设备分散、受控点多的特点。此系统可大面积使用，可在高校宿舍，教室、各大公司、火车站、娱乐场所等地。
         
        2.1.3 系统的高性价比
        本系统在设计过程中充分体现了其性价比高的特点，采用了高性能的处理器和当前最主流的芯片，其设计陈本低，但系统的性能很高。
         
        3、系统硬件设计方案
        3.1系统配置及构成
        3.1.1 系统构成
        系统整体方案如下图一所示
         

       

         图一  系统整体方案图

         
        由上图可看出本系统主要由两部分构成，环境参数监测发射部分和接受控制部分，两部分具体硬件结构如下图二三所示。监测部分又分为八个模块：烟雾监测模块、温度监测模块、明火监测模块、信号处理模块、控制模块、显示模块、消防模块以及无线发射模块等组成；接受部分也分为四个模块：无线接受模块、控制模块、上位机以及报警模块。
         

       

                                        图二  监测发射部分
         

       

                                             图三  接收控制部分
         
        3.1.2系统各模块介绍
        监测发射部分
        （1）烟雾监测模块
        烟雾监测模块由烟雾传感器和必要的外围器件组成，其原理图如下图所示。烟雾传感器采用性能良好，高精度的MQ-2，其探测范围为300～ 10000ppmm,响应时间小于1S，工作环境温度 -20°C～ +75°C。此模块能够对环境中的烟雾进行实时监测。
         

       

         
        （2）温度监测模块
        温度监测模块由热敏电阻和必要的外围器件组成，其原理图如下图所示。热敏电阻采用铂热电阻PT100，其在0摄氏度的时候的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。其温度的采集范围可以在-200℃～+200℃之内，且功耗很低。本系统中采用此模块可以对环境中的温度进行实时采集，并配合烟雾监测模块可以实现火灾预警的功能。
         

       

         
        （3）报警模块
        此模块中采用专用的语音模块实现报警功能，由于条件有限，而我们研发的只是一个定型的样品并不是实用的产品，所以在此我们就用蜂鸣器替代。当发生火灾时此控制系统通过控制此模块产生报警信息，告知人们立即撤离现场。
         
        （4）显示模块
        显示模块采用美国爱特梅尔（Atmel）公司开发的EVK1100硬件平台上的DIP204液晶。此模块在正常情况下显示当前时间，温度和一些与环保有关的标语，当发生火灾时则显示提示人们注意安全等字眼。
         
        （5）无线发射模块
        无线传输采用Nordic VLSI 公司封装的RF905无线收发模块,采用高精度贴片晶振，体积更小，性能更优，工作于433MHz 全球开放ISM 频段免许可证使用，高性能低功耗，接收灵敏度高，抗干扰性强，集成度高，通信稳定，实物图如下图四所示。此模块主要用于将当前环境中的温度和烟雾浓度等参数值发送的公共场合控制中心工作室，实时告知工作人员当前环境中的情况。
         

       

                图四  nRF905无线收发模块

         
        （6）“消防”模块
        当环境中的参数指标超出设定的值，或是发生火灾时，控制系统一边驱动报警系统发出预警信息，另一边驱动“消防”模块自主的对现场进行处理。由于本系统条件有限，故消防模块我们采用了一个电风扇来替代，当环境中温度或烟雾浓度过高，处理器控制继电器打开排风扇，及时地降温和疏散烟雾，有效的做到了“消防”工作。
         
        （7）控制系统
        控制系统采用美国爱特梅尔（Atmel）公司高性能的AVR32单片机实现对信号的处理和各个模块的控制。AVR32应用处理器是专为各种计算密集应用而设计的高级片上系统解决方案，在时钟频率为150MHz、电压为1.8V (1.4DMIPS / MHz) 时，可提供210 Dhrystone MIPS (1.4 DMIPS / MHz) 的处理性能，操作功耗为75Ma(500uA/MHz)。此内核拥有内置的DSP、SIMD指令集、跳转预测和存储器管理单元(MMU)。此外，该器件可提供动态频率调整（Dynamic Frequency Scaling, DFS），可在四个片上时钟域 (CPU、高速总线和二个独立外设总线)进行动态的功耗调整。此外，可用的外设包括符合BT 656标准的相机接口、三个全双工IIS音频通道、一个AC97接口、一个内置式2通道16位音频流DAC、一个以太网MAC、一个带7个端点的高速(480Mb/s) USB设备接口、一个双端口MMC/SD卡接口、四个USART、二个SPI接口，以及一个双线接口 (I2C兼容)。其EVK1100硬件平台实物如下图五所示。
         

       

                                        图五   EVK1100硬件平台
         
        接收控制部分
        （1）无线接收模块
        无线接收也采用RF905无线收发模块,。此模块通过和无线发射模块配合，负责将当前环境中的温度和烟雾浓度等参数值发送的公共场合控制中心工作室，实时告知工作人员当前环境中的情况。
         
        （2）控制系统
        接受部分控制系统采用爱特梅尔（Atmel）公司高性能低功耗的ATmega16单片机，其通过SPI接口实现和Nrf905通信，单片机通过SPI 接口读取nRF905接收到的数据并通过串口将数据发送到上位机软件进行显示和分析。
         
        （3）报警模块
        为了防止发生火灾时工作人员因大意失职的情况，我们在接受部分也加入了语音报警功能，这样，处理器经过分析判断采集到的参数，当参数值超过正常指标时在控制中心也实现报警功能，提醒工作人员及时到现场去处理。（本系统只是一个定型样品，条件有限，语音报警部分用蜂鸣器替代）
         
        （4）上位机
        上位机软件通过LABVIEW编写，本软件共分为两部分：串口通讯部分和数据显示部分，其界面如下图六所示。
         

       

                                  图六  上位机软件界面
         
        单片机将接收到的烟雾浓度和温度的值通过串口通讯发送到上位机软件上，在“当前温度烟雾浓度显示区”显示每一时刻的值，并将一分钟之内采集的参数值汇成一条曲线，这样便于工作人员分析当前环境中参数的变化规律，而且在上位机软件上我们也加入了报警功能，当参数值超过正常指标后上位机软件上的指示灯由绿色变为红色，及时提醒工作人员。此上位机软件还可以将各个时刻的信息全部保存下来，方便工作人员查询。
         
        3.2系统特点
        3.2.1安全管理性
        本系统作为一个安全管理系统为生命和财产安全提供迅速准确的救助，自动即时动作，报警响应时间很短，LCD大屏幕显示信息，清晰，易于理解。环境中的所有参数都将通过无线准确无误的发送到控制中心，控制中心将所有时刻各个地点的信息都保存下来，这样也便于工作人员查询，发生火灾时也便于消防人员及时变迁。
         
        3.2.2高可靠性
        本系统只是一个定性的样品，当经过大量研发和制作后，只需将系统的监测部分安装在公共场合各个有隐患的地方，而控制中心只需安装一个接受装置即可，这样系统就可以随时随地的自主监测，不会遗漏任何安全隐患。
         
        3.2.3低成本性
        本系统不仅旨在“环保和创新”的理念，其设计成本也相当低，只需要一款高性能的单片机（推荐使用Atmel公司的）以及一些主流的烟雾温度监测器件和几块无线收发模块即可。
         
        3.2.4节约人力资源
        本系统是一个完全自主性的智能系统，可以对环境自动感知，作出“反映”，并进行必要的处理，完全可以替代传统的人力管理，其可以做到“巡视” 、“监查” 、“通知” 、“消防”等工作，而且既准确可靠又迅速。
         
        4、系统软件设计方案
        4.1系统软件构架
        本系统硬件部分由各个监测模块组成，因此系统软件我们也分别编写各个模块的子程序，最终在整合调试，系统软件构架如下图七所示。
         

       

                                        图七  系统软件构架
         
        4.2系统软件流程图
         

       

         
        5、系统设计成果
        5.1系统总体方案实物图
         

         

         
         
         
         
         
         
         
         
         
         
        5.2系统监测发射部分实物图
         
       
        5.2.1烟雾温度监测模块实物
         
       
        5.2.2明火监测模块实物
         

       

        5.3系统接收部分实物图
         
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