气体传感器在消防网络中的应用研究

岳浩

【摘要】文章首先阐释了气体传感器在消防网络中的设计方式，并对网络层次的划分进行论述。其次重點介绍传感器的模块组成与功能实现原理，以框图的形式进行解释。最后检验介绍系统软件的设计方法，可做出消防网络建设工作的参考依据，为建筑物使用阶段提供安全保障。

【关键词】气体传感器；消防网络；传感技术

一、系统设计方案

根据图1可知，消防网络由三部分组成，首先是总控制机房，对管辖区域内的消防设施以及隐患情况进行检测，一旦发现隐情会向网络中的设备发出灭火指令。总控机房后线路会进入到各商场或居民建筑的中层主机中。最后便是传感器设备，当火灾险情发生后，传感器最先感受到烟雾信息，并将这一情况反馈中层主机。是以信号的形式进行传播的，传感器中包含编码模块，将感应到的信息以电磁变化传入编码器中，编写后的信号会快速传播到总控制中心。对方案进行设计时会将总网络划分为A、B、C三个层次，C是最先接触到烟雾气体的，但并不具备管理功能，A与B对险情进行控制，并发出管理指令。C层为气体传感器，有若干个传感器挂在同一根数据总线上，每个传感器有1个编码，当有危险信号时，传感器会立即通知B层管理监控主机，主站人员能在几秒钟内完成防护措施。同样A层消防单位主机也得到报警，随时做出相应的消防准备。A层的主要工作是对B层网络的集中管理，并提供有关消防的数据。

二、传感器电路组成与工作原理

图2是对气体传感器功能的概述。分析组成模块，可以发现传感器工作需要电源，基础部分由气体敏感元件组成，感知到烟雾气体后会流经电流会发生变化，传感器中的编码模块捕捉这一现象后将有用功放大，并转化成控制系统可以接受的信号形式。在单片机中事先设定好传感功能的程序，信号进入后可自动分析运算，并快速实现转换，为救援工作争取更多时间。单片机模块会与存储器相连接，以保障信息安全。最后是通讯模块，将捕捉到的烟雾信息以电磁信号的形式传输到控制中心，传感任务可在短时间内进行，全过程由自动化系统控制，并不需要人员参与。当确定有火灾隐患存在时系统会发出报警信号，方便消防人员对火势进行控制。电源向各功能模块供电，并向传感器前置电路和A/D转换器提供基准电压源。气体敏感元件将监测到的气体浓度信号传送给前置电路进行调整放大，放大后的信号由A/D转换器转换为数字量，由MCU单片机计算、判断、处理，其结果由通讯模块送到串行数据总线上。存储器除用来存储程序外，还存储传感器的地址信息。传感器中的气体敏感元件需要稳压电源提供216V/80mA的电流，这是由运放LM358的一部分驱动三极管9013提供的。另一个运放LM358用在后面的电压放大中，稳压电源的参考电压由LM285基准稳压二极管提供，调整P1可以得到所需电压，气体敏感元件的输出电压通过运放LM358放大调整，送到TLC1549的10位串行数据输出A/D转换器，它的工作电流<1mA。X2045监控串行E2PROM，除了内含512@8位的EPROM外，还包含一个可编程的WATCHDOG和电源电压监视器，用来监视微控制器AT89C2051的工作状态。AT89C2051内部含有2K的FLASHROM作为程序存储器，在6MHz时钟频率下，其工作电流<10mA。通信电路是RS485，它的静态工作电流<20mA，LM285提供稳定度极高的215V基准电压，同时提供给LM358预稳压值，以使LM358和TLC1549A/D转换器作为电压基准。

三、系统软件设计

气体传感器是由程序控制来实现功能的，软件设计自然成为消防网络构建中的重点内容。可供程序编写设计的模块由单片机组成，但感知延误气体的存在并不是传感器的全部功能，还能够将设备运行过程中的参数变化记录在其中，一旦出现异常系统会迅速捕捉到，并显示在液晶屏幕中。技术人员在对系统运行稳定性检验时，会察觉到这一异常，对设备零件进行维修或者更换。该装置无任何可调元件，全部装在体积很小的壳体内。RS485是传感器与外部进行数据交换的惟一途径，通过RS485气体传感器可以完成3种功能：1）测量上、下限校验；2）网络地址设定；3）测量数据传送。根据以上要求，可定义用于传感器的通信协议，其组成结构如下：

对建筑物消防安全进行检查时，数据会沿着控制流程的反方向传输至总控中心，到达任何一部分系统时，控制功能会展现出来，第一时间对火情做出控制，减少火灾带来的经济损失以及人员伤亡。在整个监测系统中，传感器始终处于从处理器的位置，其通信协议中开始位表示每一帧数据的开始，传感器的工作方式由它定义。通信协议第3位是测量数据的单位，它表示环境中被测气体浓度。0X00表示主机请求测量数据，0XFF表示传感器发送数据，0XC5表示设定地址，0XA3表示下限设定，0X3A表示上限设定。通信协议位分别表示传感器的地址、测量或校准、校验的结束位，其中用校验的一帧数据前5位的累计和来判断通讯数据是否正确，检测结果任何时候都是0XFF。当需要对传感器进行设定时，在标准气体环境配合下，用上位机运行专用设定校验程序，当传感器接到上位机请求测量命令后，向上位机发出一帧包含传感器地址、测量数据单位校验和结束位的信息。传感器数据交互过程软件流程如图3所示。为方便传感器和不同类型的上位机连接，AT89C2051串行口无奇偶校验位的串行通讯波特率设置为2400bit。

四、测试结果

传感器的气体敏感元件采用（QM）N5半导体元件，测试电路如图4所示。气体敏感元件需由稳压电源提供1个5V/80mA的电流，在正常空气环境下，A，B两极间导电率很低，阻抗值为兆欧级，B点输出电压接近0。在测试环境中，一旦气体体积分数达到一定程度，气体敏感元件A，B两极间电阻会迅速下降到数百欧。根据气敏元件以上特点，把（QM）N5半导体气敏元件分别放在不同体积分数的气体中（气体体积分数误差值忽略不计），气敏元件处于正常工作状态，可以得到气体体积分数与气敏元件电阻变化的对应关系，即气体敏感元件对气体灵敏度特性，如图5所示。

从图5可以看出，正常空气中气敏元件电极间处于高阻状态，当气体敏感元件工作于达一定体积分数的有害气体中时，气体敏感元件电极间阻值迅速下降，稳定在100～80欧左右，输出电压为500mV。气体传感器的气体敏感元件电极间输出电压通过运放LM358放大调整，送到TLC1549的10位串行数据输出A/D转换器。当传感器接到上位机请求测试命令后，向上位机发出一帧包含传感器地址、测量数据、单位校验和结束位的信息。

小结：通过文章对消防网络中传感器技术的解释，我们可以明确在气体传感器消防网络系统中，上位机运行专用的校验程序，主机节拍式发出测试命令，气体传感器运行于环境空气中。当空气中的有害气体体积分数达到一定程度时，传感器能及时监测，并对监测到的数据进行处理，使网络A，B层能及时收到相关信息，发出报警信号，预防火灾发生。如换用瓦斯敏感元件，可运行于煤矿中，进行井下瓦斯的监测与报警，有很好的推广价值。

参考文献：

[1] 莫以豪 半导体气敏元件的新进展[J]；传感器技术；1982年Z1期

[2] 潘刚，马骝 火灾探测传感信息提取方法的研究

[3] 赵望达 建筑火灾模拟试验智能测控系统开发和研究 2006