多传感器信息融合的汽车火灾探测报警系统设计研究

吴海潮

摘要：随着科技的发展和生活水平的提高，人们对汽车的需求逐年增加，在汽车数量增多的同时，汽车火灾事故的发生几率也呈现上升趋势。汽车火灾事故不仅会给人们造成巨大的财产损失，更重要的是严重威胁着人们的生命安全。传统的汽车火灾探测系统使用单个传感器，探测效率低下，因此，采用多传感器信息融合的方式，可实现对汽车火灾及时、准确的探测与报警。首先简析汽车火灾的发生原因，确定了汽车火灾探测报警系统研究思路，设计了多传感器信息融合的车辆火灾探测报警系统。

Abstract： With the development of science and technology and the improvement of living standards， people's demand for cars is increasing year by year. With the increase of the number of cars， the incidence of car fire accidents is also on the rise. Car fire accident will not only cause huge property loss to people， but also seriously threaten people's life safety. The traditional automobile fire detection system uses a single sensor， which has low detection efficiency. Therefore， the way of multi-sensor information fusion can realize the timely and accurate detection and alarm of automobile fire. Firstly， the cause of automobile fire is analyzed， the research idea of automobile fire detection and alarm system is determined， and the vehicle fire detection and alarm system based on multi-sensor information fusion is designed.

關键词：多传感器信息融合;汽车火灾;探测报警;系统设计

Key words： multi-sensor information fusion;car fire;detection and alarm;the system design

中图分类号：U463.1                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0212-02

0  引言

如今，汽车是人们使用最多的出行交通工具，这些年来汽车火灾事故数量在不断增加，由于汽车设备和系统的复杂，使得汽车火灾的探测与报警系统难度较大。多传感器信息融合技术，可从多方收集传感器数据和信息，进行综合处理与分析，获得准确、全面、可靠的信息，以提高汽车火灾系统探测准确性。汽车火灾探测与报警系统主要依据多个传感器来推断是否有火灾的发生，依靠蜂鸣器实现火灾报警。多传感器信息融合的汽车火灾探测报警系统也有助于火灾扑救和预防工作的进行[1]。

1  汽车火灾发生原因

1.1 电气电路故障

是汽车火灾中最常见的一种起火原因，很多时候是因为汽车启动和发动的时候，电气电路发生短路接触不良，之后出现拉弧现象。另外电气电路故障中最常见的就是电瓶故障，当汽车电瓶存在故障后，无法正常充电和正常启动，导致电池内的热量不断增加，通电的瞬间，会导致电气线路温度上身，很容易烧毁线路，引起汽车火灾事故，另外在发动机启动的一瞬间会因为较高的电压导致了电气电路的故障，最后引发火灾的发生。

1.2 油路故障

汽车的运行离不开燃油，但是燃油属于可燃物品。在汽车的运行过程中，燃油在相对封闭的油箱和油管中运动。汽车启动之后，汽车的发动舱排气系统和车轮等各个系统的温度都会很高，会引发汽油的挥发。这些高温度的系统部件会使油气相遇，从而引发火灾。另外油路堵塞、卸油等问题也会引发不同程度的火灾，但是比较严重火灾的发生位置一般是集中在汽车的油管周边的。

1.3 机械故障

也是汽车发生火灾的主要原因之一。汽车在运行的过程中最容易出现的问题就是发动机故障。汽车发动机冷却系统是汽车行驶中非常重要的系统，冷却液的温度偏低或者偏高以及冷却液渗漏等都很容易对发动机产生不利影响，无法及时、科学调整温度，造成发动机温度过高，很多汽车运行的时候发动机可能会出现发热起火，再加上一直处于长时间高速高负荷的运转状态，就会导致发动机高温起火[2]。

1.4 人为与环境影响

也不排除人为因素造成汽车火灾，如果吸烟者没有及时将烟头处理，当烟头接触到汽车上易燃物品时将很有可能引起汽车火灾。另外，周围环境也有可能引起汽车火灾事故的发生，空气指数、外界气温、严重气候等环境因素有可能会引发微小的电气故障，加上汽车内部各设备和线路之间接触较为紧密，当某个设备出现故障以后也可能会引起其他设备的故障，从而对汽车的正常状态产生影响，容易引起火灾。

2  多传感器融合的汽车火灾探测报警系统设计思路

2.1 汽车火灾探测特征量的确定

汽车发生火灾的时候会有很多明显的特征，对这些特征信息的全面测量可实现对火灾情况的准确、可靠判断，为控制探测成本和降低系统的复杂程度，无法做到对众多信息的探测，因此，对汽车火灾探测特征量的选择，要适用于不同种类汽车的探测，且探测数量不应过多。虽然不同物品燃烧产生的气体不同，但不充分燃烧情况下都会有一氧化碳气体和烟雾的产生，同时燃烧会导致温度升高，因此，进行汽车火灾探测报警系统的设计时可选择一氧化碳气体、烟雾以及温度这三个特征量。

2.2 多传感器信息融合过程

汽车火灾探测报警系统采用了多传感器信息融合技术，通过对数据信息的获取、预处理，进行特征的提取，之后对多传感器得到的数据进行融合计算，得出融合结果。对环境中一氧化碳、烟雾以及温度特征量进行采集，将模拟信号转化为电子设备可识别的电信号，然后再转化为数字信号，供微处理器识别、计算。数据传输过程中会有干扰信号和噪声对信号处理造成影响，因此需要添加信息的预处理过程，对数字信号进行除噪和滤波以后再提取特征，这样处理得到的融合结果较为准确[3]。

2.3 多传感器报警过程

采用多传感器分别对汽车火灾特征信息进行收集，获得现场的实时数据，然后经系统核心板对数据进行分析和判断，数据分析模块通过采集现场环境相关数值，和设定的正常数值进行实时对比，得出两种数据的差值，若判定发生火灾，则触发蜂鸣器进行报警，也可将现场数据通过显示屏显示，并且同时将系统检测到的数据信息发送到用户智能设备中，起到预报提醒和火灾报警的作用。

3  多传感器信息融合的汽车火灾探测报警系统设计

3.1 系统总体方案设计

根据对汽车火灾探测报警系统思路分析和多传感器信息融合技术的应用，设计了汽车火灾探测报警系统，系统核心控制器选用的是MC9S12XS128型号的主控板，按照汽车火灾特征信息，在传感器模块的设定上选择了一氧化碳传感器、温度传感器以及烟雾传感器，最后的现场环境数据信息可通过液晶屏显示出来，此模块选择了LCD12864点阵液晶显示模块，还通过与主控板的接口相连，设计了蜂鸣器进行报警。首先汽车火灾探测模块与主控板内置的ATD模块相连，可将各个传感器收集的温度、CO和烟雾等数据信息传递到核心控制板中，通过直流电源为主控板提供5V的工作电压，单片机也可为传感器模块供电，蜂鸣器、LCD液晶显示模块均与單片机I/O口连接，当探测数值达到一定高度时蜂鸣器进行报警，其实时探测数据也可通过液晶显示模块显示出来。

3.2 主要硬件模块的选型与设计

3.2.1 MC9S12XS128主控板

单片机是整个汽车火灾探测报警系统的核心控制板，其上边可以集成各种设备，以实现相关探测与报警功能，因此，主控板的质量关乎着系统的运行效果，系统选择飞思卡尔公司的S12XS系列MC9S12XS128单片机，是一款增强型的16位单片机，此主控板拥有丰富的外部I/O接口和内部存储器，在存储器的容量上具有8KB数据Flash和128KB程序Flash。此型号单片机因其优越性能已被广泛应用于汽车领域。

在MC9S12XS128主控板的电源电路设计上，因主控板的工作电压在5V，因此需要利用适配器将外部220V的交流电压转化为12VDC的直流电压，经单片机内部LM2940芯片将12V转化为5VDC后才能为单片机供电。

在蜂鸣器电路的设计上：蜂鸣器采用NPN型三级管进行驱动控制，三极管在此起到开关的作用，当蜂鸣器输入为高电平时，三极管导通，蜂鸣器蜂鸣报警;当输入端为低电平时，三极管截止，蜂鸣器则就会停止蜂鸣[4]。

3.2.2 传感器模块

当汽车发生火灾时，由于不充分燃烧会造成一氧化碳浓度增加，同时伴随大量的烟雾，燃烧以及烟雾导致环境温度升高，因此，汽车火灾的探测功能模块由烟雾传感器、一氧化碳传感器以及温度传感器组成。

①烟雾传感器。MQ-2传感器对烟雾较为敏感，其与主控板相同，采用直流5V的工作电压，使用前需要加热等待一段时间，其检测烟雾的范围在100ppm到10000ppm之间，具有响应快、灵敏度高、寿命长等优势。火灾产生的烟雾会影响MQ-2烟雾传感器的导电率，烟雾越大，导电率越小，输出模拟信号就越大，将其门限电压与输出电压相比，就可完成汽车火灾探测模块的检测功能。

②一氧化碳传感器。此系统选择MQ-7型号的传感器，此传感器的工作电压也是直流5V，工作原理为：将电热丝加热，通过气体电离获得不同等效电阻，由此计算出一氧化碳气体的浓度。适用于家庭、工业上的一氧化碳气体检测与报警，可检测浓度在10ppm到1000ppm之间的CO气体，测量精确度为差值5ppm加减百分之六的范围，在使用前也需要预热，且在标准测试条件下，电压的范围在4.9到5.1伏特之间。

③温度传感器。采用DS18B20型号温度传感器，其拥有独特的单线模式，即通过一条总线即可进行数据传输，与上述两个传感器都有着体型小的优点，可应用于机房、汽车甚至空间狭小的场地。其对温度的检测范围在零下55度和125度之间，固有检测范围精度大概在0.5度，测量结果是以9到12位的数字量方式串行传送[5]。

3.2.3 液晶显示模块

此模块采用LCD12864点阵液晶显示屏，工作电压在3.3V到5V之间，有串口和并口两种控制时序，在此系统中采用并口通讯，在液晶显示屏上，英文字符占一个字节，中文占两个字节，通过忙检查、写数据、写指令、初始化这四个控制函数，就可以完成LCD12864显示屏将对汽车火灾探测与报警系统相关数据信息的呈现。

4  结语

综上所述，人们对于汽车的使用已经较为普遍，但汽车火灾事故原因复杂，发生几率也在逐年上升。多传感器信息融合技术的应用，可有效减少传统单一传感器系统存在的汽车火灾险情的误报、漏报等情况，通过对核心单片机、传感器等模块的选型与研究，设计了多传感器信息融合的汽车火灾探测报警系统，提高了汽车火灾探测报警系统的准确性与可靠性。

参考文献：

[1]冯润根，杨清虎.火灾检测报警与自动灭火系统的设计与实现[J].科技通报，2019，35（06）：173-176.

[2]李洋，赵雪琪.基于汽车构造的汽车火灾事故原因分析[J]. 安全与环境工程，2018，25（04）：134-138.

[3]李珉澄，李泓.一种车载烟雾报警系统的设计[J].电子产品世界，2020，27（01）：81-83，86.

[4]陈培豪，肖铎，李晨辉.多传感器融合的火灾识别算法研究[J].消防科学与技术，2020，39（06）：810-813.

[5]孙晓通，张超，纪仕鹏.多传感器融合报警器设计[J].科学技术创新，2020（18）：93-94.