火灾探测器性能评估试验台的测控系统设计

林 峰，王晓晓，曲晓光，王晓桐，王宇熙

(沈阳航空航天大学 自动化学院，沈阳 110136)



火灾探测器性能评估试验台的测控系统设计

林 峰，王晓晓，曲晓光，王晓桐，王宇熙

(沈阳航空航天大学 自动化学院，沈阳 110136)

火灾探测器性能评估试验台用于对火灾探测器的综合性能进行定量评估，其中测控系统包括上位机和下位机两个部分。下位机对各种执行器和传感器进行控制检测,从而实现试验台测试段和模拟段的温度、湿度、风速等参数的测算控制，并进行记录处理。上位机与下位机实时通讯实现对实验数据的记录处理，并显示各执行器和传感器的工作情况和试验平台各个区段的环境数据。从实际上实现了人机交互，测控效果达到了实验平台要求。

火灾探测器;性能评估试验台；检测控制；上位机；下位机

火灾探测器性能测试平台是定量评估火灾探测器性能的试验闭环通道，是由一个环形的通道组成，由测控系统的上位机控制下位机协调各个执行器和传感器，并通过系统显示器显示实验通道测试段和模拟段环境状况，并测试火灾探测器在火灾早期的模拟环境和典型干扰下的环境适应性、抗干扰性能和火灾响应性[1-2]。测控系统主要完成系统的温度、湿度、风速的测量和控制，并对风机、加热器、加湿器等执行器进行控制，实现火灾环境的精确模拟。其中系统软件和硬件的集成和优化测控系统设计的关键环节。

随着火灾探测器的不断升级优化，火灾探测器性能评估试验系统也需要进行不断的改进。近年来国内外已有很多学者对火灾探测器性能试验台的设计进行了研究。然而，在已有的试验台设计研究中都没有考虑模拟环境参数的检测控制和检测数据的存储和具体通信方式，只是大体描述试验台的结构和设备情况。本文在总结前人工作的基础上，对火灾探测器性能评估试验台的测控系统进行了设计和改进，对上位机和下位机协调通信进行了说明研究，并最终实现了对火灾探测器的定量评估。

1 火灾探测器评估试验台的测控系统结构

图1为火灾探测器评估实验通道结构示意图，通风管道内部为0.4 m×0.4 m的矩形截面，管壁内外均为不锈钢板，钢板之间填充硅酸铝刺毯棉隔热层。上、下管道侧面均有可打开的门，进气口和出气口及其中间处均有可开关的阀门。内层尺寸为：1 m×0.5 m，外层尺寸为：1.8 m×1.3 m。测试段安装有温湿度传感器和风速传感器，模拟段有轴流风机、加湿器、加热器等。轴流风机采用风量为360 CMH，功率为500 W的单相交流电容启动的风机，满足风速调控范围0.2～5 m/s；加热器采用可提供0～100 ℃之间连续稳定的温度值的工业加热棒，满足温度调控范围≤90 ℃[3-4]。风速传感器灵敏度为0.1 m/s满足风速检测精度的要求。系统主机为联想计算机，上位机应用软件开发安装后能够采集实时数据，并记录、显示。下位机采用Arduino Mega2560板，响应上位机的命令，并检测控制温湿度等定量参数。

图1 火灾探测器评估实验通道结构示意图

2 测控系统上位机

上位机应用软件需要实现实时数据的采集，且记录并显示，并与下位机保持良好的通讯环境，保障数据准确实时的传输。其中软件数据库包括不同试验区段的试验日期、结果、温湿度曲线等信息，人机界面友好，易于操作。

软件采用Visual Basic编程，数据库采用Visual Basic程序自带可视化数据库管理器进行编程。上位机通过名为Microsoft Communication Control(简称MSComm)的通讯控件与下位机通讯，采用工业上的Modbus通讯协议，实现数据的良好通讯。数据库的访问通过VB中的ADO控件连接访问数据库，实现数据库的实时记录更新。采样实时曲线的绘制采用数据采集显示用VB中的绘图曲线line函数来绘制曲线。为试验者提供直观，具体的实验数据。图2为应用软件的界面，图3为实时数据的采集显示界面。

图2 应用软件界面

3 测控系统下位机

下位机采用Arduino Mega2560板，Arduino Mega2560采用USB接口的核心电路板，它最大的特点就是具有多达54路数字输入输出，特别适合需要大量IO接口的设计。Mega2560的处理器核心是ATmega2560， 同时具有54路数字输入/输出口(其中16路可作为PWM输出)，16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源 插座，一个ICSP header和一个复位按钮[8]。图4是下位机与执行传感器件连线图。用两个继电器控制加热器和加湿器的通断来控制测试段的温度和湿度，用变频器

图3 实时数据的采集显示窗口上半部 (a) 和 下半部(b)

控制风机的转速。3个温湿度传感器分别检测测试段和模拟段的温湿度状况。

3.1 传感器的选型

3.1.1 温湿度传感器选型

根据试验台的环境要求和测控系统规划，选择SHT15温湿度传感器作为试验台温湿度的测量，SHT15是由多个传感器模块组成的单片全校准数字输出相对湿度和温度的传感器。采用了工业级的COMS技术，能够正常工作在-40～123.8 ℃和0%～100%RH之间，满足试验台的试验温湿度要求，有很高的可靠性和稳定性。SHT15能够通过I2C总线直接输出数字量温湿度值，引脚GND为接地端，DATA为双向串行数据线，SCK为串行时钟输入，VDD为0.4～5.5 V电源端，能很方便地与Arduino Mega2560相连。

3.1.2 风速传感器的选型

试验台对风速测试的灵敏度要求较高，在0.2～5 m/s之间，选用JL-FS2 风速传感器，分辨率为0.1 m/s，工作温度为-40～100 ℃，测量范围为0～30 m/s，满足试验台的测量要求。采用防水航空插头，能够长期适应试验台火灾模拟环境。

3.2 执行器的选型

继电器采用SSR-40DA，为固态内置光耦隔离的工业级固态继电器，选择高温轴流风机，性能优良，耐高温性能良好，效率高，能在300 ℃高温条件下连续运行100 min以上，100 ℃温度条件下连续20 h不损坏；加热器选择工业级的防爆电加热器，选择2 000 W的电加热器，满足试验台的空间温度要求。加湿器选择工业级JCSB超声波加湿器，满足试验台的加湿要求；变频器选择AY AS01-4W 变频器，能够方便地通过PWM输出来控制风机的转速。

3.3 Arduino Mega2560的测控及控制箱的布线

继电器接主板的5、6号口，通过模糊PID控制算法来控制温湿度，继而转化为继电器的通断。3个温湿度传感器SHT15的数据端，分别接2、3、4口，时钟端接21口，通过I2C总线读取温湿度传感器的值，并与控制算法结合来控制试验台的温湿度精确模拟不同的火灾环境。风速计接A4模拟端口，变频器接端口7，通过检测风速，控制算法输出精确的PWM，控制风机转速控制试验台风速。实验布线均使用抗干扰隔离线，以防止变频器对传感器信号的干扰。图4是下位机与执行传感器件连线图，图5是Arduino Mega2560核心电路板端口图。

图4 下位机与执行传感器件连线图

图5 Arduino Mega2560核心电路板

4 结论

火灾报警器性能评估试验台的测控系统包含了上位机以及下位机的测控设计，其中上位机应用软件的开发和下位机测控算法程序的编写是测控系统设计的核心。根据系统的设计指标选择执行器以及各个传感器的型号，经过实际运用测试，对于温度的测控达到了≤90 ℃的应用指标，风速达到0.2～5 m/s的测控要求，满足火灾探测器性能评估试验的要求指标。如图6所示为本文试验台，图7为测控系统电控箱。

图6 试验台

图7 测控系统试验箱

[1]董文辉，王卓甫，梅志斌，等.火灾探测综合评估试验台测控系统集成[J].建筑电器，2007，16(4)：36-38.

[2]兰乾玉，陆愈实，杨瑞奇，等.复合火灾探测器综合性能评估试验台[J].消防科学与技术，2015，34(1)：89-91.

[3]厉剑，董文辉，梅志斌，等.火灾探测器性能综合评估算法研究[J].大连理工大学学报，2005，45(6)：883-887.

[4]Siebel R.A composite detection algorithm using signal rend information of TWO different sensors[J].Fire Safety Jounral,1991,17(6):519-534.

[5]Wang S,Dou Zheng.Exclusive trend detector with variable observation windows for signal detection[J].Electronics Letters,1997,33(17):1433-1435.

[6]Wang J M，Bi W T，Wei Q D.Effects of an inclined Rod on Circular Cylinder-Plate Junction Flow[J].Exp Fluids，2009，46(6)：1093-1104.

[7]Klose J.Analysis,synthesis and simulation of signals as a tool for the test of automatic fire detection systems[J].Fire Safety Journal，1991，17(6)：499-518.

[8]程晨.Arduino开发实战指南1版[M].北京：机械工业出版社,2012:2.

[9]谢启源，袁宏永，郭慧亮.感烟火灾探测器的评测与比较[C].中国消防协会.2003火灾科学与消防工程国际学术会议论文集,2003:351-354.

[10]谢启源，袁宏永， 郭慧亮.厨房油烟引起感烟火灾探测器误报实验研究[J].消防科学与技术，2003,22(6):504- 506.

[11]Ulrich Muller,O liver Linden,Ingo lf Willms,et al.Test duct for multi sensor fire detectors[C].Proceeding of AUBE 04’.Duisburg,Germany,2004.

[12]Thomas C,Michelle D and William G.The fire emulator /detector evaluator:design,operation,and performance[C].Proceedings of AUBE01’.Gaithersburg U.S.A,2001

[13]Gross handler W L.Towards the development of a universal fire emulator/detector evaluator[C].Proceeding of AUBE 95’.Duisburg,Germany,1995

[14]Cleay T,Grosshandler W,Chernovsky A.Smoke detector response to nuisance aero so ls[C].Proceeding of AUBE 99’.Duisburg,Germany,1999

[15]武林，楼恩平，侯冬晴，等.基于 PID 算法的无线温湿度控制系统[J].仪器仪表学报,2006，6：619-620

(责任编辑：吴萍 英文审校：刘敬钰)

Design of measure-control system for the performance evaluation tester of fire detectors

LIN Feng，WANG Xiao-xiao，QU Xiao-guang，WANG Xiao-tong,WANG Yu-xi

(College of Automation,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The performance evaluation tester of fire detectors is a testing platform which is used to conduct quantitative evaluation on the comprehensive performance of fire detectors.The measure-control system includes two parts,the upper computer and subordinate computer.The latter controls and checks various actuators and sensors,realizing the test and control for such parameters as temperature,humidity and wind speed of test section and simulation section of test stand,and makes data processing.The real-time communication between upper computer and subordinate computer achieves data processing and displays working situations of actuators and sensors,as well as the environmental data of the tester.The human-computer interaction is realized,and the measure-control effect meets the requirements of the experimental platform.

fire detectors;performance evaluation tester;detection and control;upper computer;subordinate computer

2015-04-20

林峰(1966-)，男，辽宁沈阳人，教授，主要研究方向:控制理论与控制工程， E-mail:lfshenyang163@163.com。

2095-1248(2015)04-0078-05

TP274

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.04.013