红外线和烟感双保险报警器的研制

田淑芬， 董军军， 邱俊彦， 侯志坚， 李 康， 张 璐， 范鑫荣

(1. 北京科技大学 高等工程师学院， 北京 100083； 2. 北京科技大学 自然科学基础实验中心，北京 100083)

在 “大众创业,万众创新”的政策背景下,结合贯彻落实《国务院关于进一步加强消防工作的意见》(国发[2006]第15号)提出的“坚持科技先行,依靠科技进步不断提升防火、灭火和救援能力”的要求,在“防火”方面,研制出有效的、全面的、智能的报警器是社会所需。火灾是人类生活中主要的事故之一,会造成巨大的人员伤亡和财产损失。火灾报警器主要用于早期疏散、管理及消防部门的及时准确告警和火灾的早期扑灭[1-2]。然而,市面上的火灾报警器误报率高,瑞士西伯乐斯公司根据1974年至1994年20年间收集的有关误报资料分析[3],得出误报比为7∶1(误报比警次数:真实报警次数)。1995年调查,感烟探测器误报比为4:1。对1990年至1995年间安装的火灾报警系统误报监视,结果表明(按每个系统平均100只探测器计算,1990年误报率是95%；1995年是69%。虽然数据较早,但是国内报警器起步远远晚于其他国家,这个数据也足以表明传统报警器的不足。由此会产生经济效益损失,搅扰社会秩序,减低人们对火灾的警惕性等不良影响,因此研制多路报警器降低火灾误报率是十分必要的。

1 火灾温度和烟雾浓度分析及传感器的选择

火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程,除了自身的物理化学变化以外还会受到许多外界的干扰,火灾一旦发生便以接触式(物质流)和非接触式(能量流)的形式向外释放能量。接触式形式包括气体、烟雾、气溶胶等。非接触式如声音、辐射等[4-5]。

1.1 温度,烟雾浓度

根据室内火灾温度随时间的变化特点,可将火灾发展过程分为3个阶段,即火灾初起阶段、火灾全面发展阶段、火灾熄灭阶段。3个阶段温度和烟雾浓度随时间变化曲线如图1和图2所示。(以家庭普通室内起火为例)

图1 火灾过程温度随时间变化曲线

图2 火灾过程烟雾浓度随时间变化曲线

根据资料表明[6],火灾过程烟雾浓度变化明显,从图2我们可以看出,在火灾初期,烟雾浓度很快地上升到了一个较大值；待火势蔓延开来,可燃物充分燃烧,虽温度增高但烟雾浓度有所下降；到了火灾后期,烟雾浓度又达到一个较大数值。

根据3个阶段的特点可见,早期阶段是灭火的最有利时机,应设法争取尽早发现火灾,把火灾及时控制消灭在起火点。初起阶段也是人员疏散的有利时机,设置及时发现火灾和报警的装置是很有必要的。同时根据火灾初期物理化学现象,我们可以选择更适宜的传感器,分析火灾初期各参数所占比重变化,从而对火势进行精确的判断。

1.2 传感器选型

火灾探测器按其探测火灾不同理化现象可分为感烟探测器、感温探测器、感光探测器、可燃气体探测器以及复合式探测器。

根据我们对于火灾现场火情参数的研究,温度报警器受环境(温湿度)影响较大,温度存在时滞,且在火灾中期才表现出异常升温趋势,并不符合我们对于火灾初期就报警的要求。红外火焰探测器是探测火灾燃烧火焰的探测器,是继感温、感烟探测器后,较晚出现的一种火灾探测器。由于其感应火焰辐射电磁波,因而具有响应速度快、探测范围广等优点[7]。红外传感器检测灵敏,且存在于火灾各个阶段,对火焰十分敏感,符合我们的要求。烟雾传感器可以检测的信号(烟雾颗粒、可燃气体)数据大,属于火灾早期最易于探测的信号之一,对于检测火情具有较高的灵敏度。然而由于其干扰因素复杂、干扰源多,产生误报的可能性大。因此我们在此基础上选择红外传感器和烟雾传感器进行双路保险,避免误报警现象的发生。

2 远程监测及智能化

我国报警器起步晚,技术不成熟,存在智能化程度低等问题。我国使用的火灾探测器虽然都进行了智能化设计,但由于传感器件探测的参数较少、支持系统的软件开发不成熟、各种算法的准确性缺乏足够验证、火灾现场参数数据库不健全等,火灾自动报警系统难以准确判定粒子(烟气)的浓度、现场温度、光波的强度以及可燃气体的浓度、电磁辐射等指标,造成迟报、误报、漏报情况较多[8]。

我们采用的是单片机及蓝牙等远程通信模块,智能采集以及处理信息,不仅能通过比对算法,实现更高精度的报警阈值,还能将信息进行传输,蓝牙的穿墙功能以及与手机等通信设备的良好沟通,信号传输距离达十米,让我们在听不到报警蜂鸣器报警的情况下还能收到手机发出的警报。

3 算法处理

火灾发生时,伴随很多特征参数的变化,传统火灾报警器只针对单一因素进行阈值判断, 没能将多传感器有机结合,误判概率极大。本报警器采用多传感器概率综合判断[9],综合考虑分析光强、烟雾离子、温度3类监测特征值,确定火灾发生概率,结合实际情况确定灵敏度,驱动系统动作。

P=∑Pλ=P1λ1+P2λ2+P3λ3+…

(Pn=参数贡献率,λn=设定阈值。如P1红外贡献率,λ1红外阈值,P2烟雾贡献率,λ2烟雾阈值)

在火灾发展过程的3个阶段,包括温度,红外线强度,烟雾浓度在内的各个参数都以不同的比重,不同的参数变化速率变动着。我们针对的是火灾初期,那么根据上文研究,烟雾浓度将达到较高值,温度较低,红外线强度也较低。在监测范围为30 m2时,烟雾浓度体积分数达到2%可以判定达到火灾危险,因此我们根据多次测量研究,设定烟雾阈值为2%。

红外火焰传感器方面我们借鉴技术较为先进的三波段红外火焰探测器的原理设计红外传感器[10],各种不同材料的碳氢化合物燃烧产生的火焰辐射光谱各不相同。在火焰红外波段内的4.3 μm附近能够观察到峰值,这是被称为 CO2原子团的发光光谱,为火焰所特有,且比其他频段具有大得多的强度(见图3)[11],因此我们选择靠近火焰辐射峰值波段作为参考波段,4.0 μm是最接近峰值的波段,常常用这一波段的传感器作为参考传感器，并设置烟雾贡献率0.7,红外贡献率0.3(具体贡献率可根据不同火灾环境及条件变化)的权重进行了实验,并取得了良好效果。

图3 碳氢化合物火焰辐射谱图

具体实验步骤如下:

(1) 将烟雾传感器置于密闭空间(纸盒),放置燃烧的纸条物,随时间变化,密闭空间纸盒内烟雾浓度将根据燃烧时间呈线性增长趋势,通过单片机串口监视器记录烟雾传感器模拟量输出。

(2) 将红外传感器置于阴暗条件下,以避免其他光源的干扰；将打火机由1.5 m(打火机火源较小,远距离检测不到)外由远及近向红外探头移动,观察红外传感器模拟量输出。

通过查询相关资料,并将真实火灾情况等比例缩小至实验环境,进行实验数据分析。

实验结果及分析:由图4可见,烟雾传感器根据烟雾浓度线性变化；火焰传感器根据检测到火焰大小呈跳变。对比数据可知,单片机可以准确实现原定计算功能,精确报警。

图4 实验过程曲线

4 整体设计

该火灾报警器能够根据环境中烟雾浓度以及温度变化,在达到报警条件的情况下引发蜂鸣器蜂鸣,指示灯亮起,同时通过蓝牙向手机发送报警信息。报警器共分为电源模块、烟雾检测模块、红外火焰检测模块、蓝牙模块、单片机模块以及报警模块。

以LM2940稳压模块以及100 μF和0.1 μF两种电容组成的电源模块,因为实际产品为独立工作状态,我们要将电池9 V电压转为5 V单片机以及各模块工作电压。

中间是以Atmel Atmega328P-AU单片机为核心的信号处理部分,各传感器模块之间自带AD转换,极大地简化了程序以及电路。传感器模块共享电源模块的5 V供电电压,并将检测到的信息通过输出接口传输至单片机输入接口,传感器模块输出采用更为精确的模拟量输出,根据不同情况我们可以选择不同信号进行处理。

接下来是远程信号传输模块——蓝牙模块,蓝牙模块通过与单片机串口通信,将单片机处理后得出的结果传输至手机等通信设备,实现报警器的智能化,并为报警系统的网络化提供了一个良好的平台[12-13]。

单片机处理后的结果以数字量的形式送到蜂鸣器、指示灯等设备,发出警报,完成报警工作。同时留出消防联动输出口,以备投入使用时单点报警输出触发公共区门禁与机房门禁系统全部打开[14]。

整个智能报警系统电路简洁,排布有序,并且基本实现预计的所有功能。

5 研究成果

(1) 开发了一套可测试火灾报警的新式装置,各项数据基本达到预计的要求。

(2) 对火灾监控采用两种信号源同时检测并比较,可增强火灾报警可信度,降低误报率,减少人为损失。

(3) 新报警器增加了远程报警功能,安全负责人不在现场时能够尽早得到信息。

(4) 数据采用模拟量输出,可提高输出信号精度与准确率。

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