多源信息融合的智能楼宇火灾报警系统设计

胡保玲 王全乐 任坤

摘 要：針对智能楼宇发生火灾率较高、安全隐患较大的问题，设计了一种多源信息融合的智能楼宇火灾报警系统，以快速精确地实现火灾报警。分析了智能楼宇火灾报警系统的需求，并对其整体结构进行规划与设计。在此基础上，搭建该系统的硬件功能模块，包含单片机及其最小系统单元、温度检测模块、烟雾检测模块、数码管显示模块、声光报警模块和按键模块。并对不同功能模块的软件进行分析设计，以驱动该系统正常工作。再通过软件仿真验证了系统可行性，并对所设计的实物装置进行了温度与烟雾检测试验。试验结果表明，所设计的多源信息融合火灾报警系统具有灵敏度强与准确度高的特性。

关键词：多源信息融合；火灾报警；烟雾检测；温度检测

中图分类号：TU892 文献标识码：Ａ文章编号：1674-0033（2023）02-00５３-0９

引用格式：胡保玲，王全乐，任坤.多源信息融合的智能楼宇火灾报警系统设计[J].商洛学院学报，2023，37（2）：５３-６１.

Abstract： The intelligent building fire alarm system based on multi-source information fusion was designed to solve the problem of high fire rates in intelligent buildings and reduce people's property losses effectively. Ｔhe demand for the fire alarm system of the intelligent building was analyzed to plan its overall structure. Based on this， the hardware module of the system is established， including the single-chip microcomputer and its minimum system unit， temperature detection module， smoke detection module， digital display module， sound light alarm module， and button module. Ｔhe software of different modules is designed to drive the system. Ｔhe feasibility of the system is verified by software simulation， and the testing experiments of temperature and smoke are executed by the designed physical device. The experimental results show that the designed fire alarm system has the characteristics of strong sensitivity and high accuracy.

Key words： multi-source information fusion; fire alarm; smoke detection; temperature detection

随着我国建筑楼宇向多功能、高层化方向发展，火灾已成为出现频率较高的一类社会灾害，被人们广泛关注。楼宇火灾不仅会烧毁建筑物内的基础设施，也会破坏建筑物的结构，甚至引发建筑物整体倒塌等严重事故。因此，设计出及时有效的智能楼宇火灾报警系统，对降低楼宇火灾造成的人们生命财产的损失，具有十分重要的意义。国内外学者对其研究较多，乔学增[1]采用了STC89C52单片机为控制核心，设计了一种温度报警器来实现温度的精确检测。时昊等[2]设计了一种基于单片机的红外热成像测温设备，以提高温度检测的精度。秦莉艳[3]提出了一种新型无线通信性能调试方法，通过综合分析烟雾检测等数据来提高调试比特率，从而有效地避免了因调试比特率低而造成无线通信性能差的问题。彭建英等[4]设计了一种STC89C52单片机主体架构的智能烟雾报警系统，可以有效地监测空气中的烟雾浓度数值，达到烟雾示警效果。李宗灏[5]设计了一种智能烟雾报警系统，并结合超低功耗的OLED液晶显示屏来实时显示烟雾数值。许中璞[6]设计了一种温度报警控制系统，通过数码管显示模块方便人机交互，有效地实现了温度的智能化检测。周曦国等[7]设计了一种温度检测方式的火灾报警系统，通过GSM技术将所采集信息传输给用户，用户根据接收到的信息对环境温度进行实时监控。白伟华[8]设计了一种由计数电路、译码电路和温控电路所组成的温度警报系统，有效地提高了温度检测效率。田纯[9]设计了一种基于LoRa的智能建筑火灾自动报警系统，并对数据接收和数据采集程序进行设定，实现了智能建筑火灾自动报警。车文超[10]将烟雾、CO和温度探测数据相融合，设计了一种基于ZigBee技术的火灾报警系统，从而有效克服了传统方式布线难度大、采集信号单一等问题。现有研究对火灾报警系统进行了大量的研究与设计，并取得了一定的研究成果，但系统的检测方式单一，且检测的精确度相对不高等因素制约着其智能化的发展趋势。为了克服上述存在问题，在以上研究的基础上，设计了一种融合多源信息的智能楼宇火灾报警系统，采用温度传感器与烟雾传感器同步检测并预警火灾信息的方式，同时配置数码管显示模块与声光报警模块，从而有效地满足人们对火灾检测与报警的需求。

1  系统设计及硬件设计

智能楼宇的火灾报警系统主要具备温度数值与烟雾浓度的检测功能，并能将检测结果通过显示模块与报警模块输出，以达到实时警示人们是否发生火灾的目的。基于对火灾报警系统的功能需求分析，本设计系统采用AT89C52单片机控制器为内核控制器，并搭配MQ-2传感器与DS18B20温度传感器实时检测烟雾浓度与温度数值，然后通过数码管显示模块实时显示检测的温度数值和声光报警模块来警示烟雾浓度是否超过警报阈值。因此该系统主要包含七大模块，即单片机及其最小系统、温度检测模块、烟雾检测模块、AD采集模块、数码管显示模块、声光报警模块及原模块，其总体构成框如图1所示。

1.1 AT89C52單片机及其最小系统

在CPU的选择上，本设计所选择的AT89C52是一种低功耗且高性能的CMOS 8位微控制器。单片机中最重要的就是单片机最小系统，其主要由单片机、复位电路、晶振电路和电源电路所构成。AT89C52单片机采用5 V直流电源供电。晶振电路由两个电容量均为30 pF的电容C２、电容C３和一个常用的石英晶振所组成。而单片机复位电路与电脑重启键类似，只需按下复位电路的复位键，单片机系统就可重新从头开始运行程序，实现系统的复位操作，单片机最小系统如图2所示。

1.2 温度检测模块设计

所设计系统的温度信息检测功能由DS18B20温度传感器来完成，其中端口1接地，端口3接电源，端口2接单片机芯片P3.5引脚，为保证空闲时总线是高电平的状态，需要再接入一个大小为10 kΩ的上拉电阻，温度采集模块的电路原理如图3所示。

1.3 烟雾检测模块设计

MQ-2传感器与烟尘接触时，若在颗粒间界处的势垒随着烟尘温度改变，会产生表层导电率的改变。因此，烟尘的含量愈高，表层导电率就愈大，而输出电阻则愈小，那么输出的模拟信号质量也愈好，烟雾检测模块接线如图4所示。

1.4 AD采集模块设计

对于烟雾传感器采集到的信息要进行后续的处理，以将传感器采集的模拟量转化为数字量，从而实现单片机对数据的读取识别。而ADC0832芯片可很好地满足这项功能，ADC0832芯片所构建的AD采集模块接线如图5所示。

1.5 数码管显示模块设计

本设计系统采用数码管来显示所测的温度和烟雾，也可显示所设置的报警温度值和烟雾值。LED数码管是由多个发光二极管组成“8”字型的封装器件。LED数码管有两种不同的链接方式，即共阴极和共阳极，数码管显示模块如图6所示。

1.6  声光报警模块设计

声光报警一般采用蜂鸣器及发光二极管。蜂鸣器的声音和二极管的亮度都能起到很好的报警作用，同时这两种器件的操作也相对简单且易实现。所设计的声光报警电路如图7所示，以满足系统的报警需求。三极管的导通条件为单片机输出低电平。若三极管导通时，发光二极管中的电流从正极流向负极，实现发光发亮，R1为保护电阻，防止电流过大损坏二极管。蜂鸣器中也是正极流向负极的电流，可发出声音，且音量及音色的大小均可调节。

2  软件系统

智能楼宇的火灾报警软件系统设计是该系统的重要组成部分，决定了所设计系统是否能正常工作。主要包含3个模块：温度检测模块软件设计、烟雾检测模块软件设计、声光报警模块软件设计。

2.1 温度检测模块软件设计

温度检测模块是火灾检测模块的重要组成部分之一，其所测数据为系统的执行机构提供了重要的依据。基于DS18b20传感器结构和功能，将其设计如下：DS18b20传感器为单线输出，在单片机使用读/写时序来读/写DSl8b20的数据位和写命令字的位，并取其数据，将数据转换成与之对应的温度数值。当被测温度数值大于预设值时，则输出报警信号。反之，继续执行环境温度检测。温度检测程序流程如图8所示。

2.2 烟雾检测模块软件设计

首先初始化A/D，由烟雾传感器采集信号，由于烟雾传感器采集的信号为模拟量，单片机无法直接识别，因此需通过ADC0832来进行信号转换，待转换完成后方可提交给单片机进行识别。待模拟值转换后与预设烟雾浓度值比较，以确定火灾有没有发生。当被测烟雾浓度值大于预设浓度数值时，则系统输出报警信号，反之，则继续执行环境烟雾浓度检测程序。烟雾检测流程图如图9所示。

2.3 声光报警模块软件设计

利用DS18b20温度传感器和烟雾传感器对环境信息进行实时监测，当火灾发生，温度值与烟雾浓度值较高时，便会由声光报警装置发出火灾警报，以提醒人们发生火灾警报，其原理流程如图10所示。

3  系统调试与试验验证

3.1 软件仿真测试

在进行硬件焊接前，需在仿真软件上进行系统模拟仿真，以验证该系统的性能，系统的软件仿真原理如图11所示。所搭建的系统包含了多个模块，分别是数码管显示模块及其驱动电路、温度传感器模块、烟雾传感器模块、AD采集模块、按键电路、声光报警器电路等。仿真软件测试结果表明，各模块之间均可正常运行。

3.2 系统的测试性能

在软件测试合格后，根据电路原理图搭建实物系统，并利用STC-ISP软件将程序烧录至AT89C52芯片内，再对实物系统进行调试，实物系统如图12（a）所示。焊制完成后，将电源接通，观察到报警器初始化时红灯闪烁，同时数码管显示出温度及烟雾浓度，如图12（b）所示。数码管左侧显示“0”为实时烟雾浓度数值，右侧“24”为实时温度数值，实物系统与硬件调试如图12所示。

按下按键改变为报警设置模式，可调节报警的阈值，如图13所示，设置温度的报警值为“29 ℃”，烟雾的报警值设为“4”。

3.3 温度检测

在对温度进行检测时，分别准备了35，36，

37，38 ℃的温水，将卫生纸浸泡在温水中，然后进行试验，设置报警值为37 ℃，把检测到的数据与温度计读数进行对比，观察数码管数值及报警器的工作状态，如图1４所示，试验结果记录见表1。

由表1可知，在组别1和组别2的温度未达到所设定的温度阈值时，报警装置未报警、LED灯常灭，而在组别3和组别4的温度达到所设定的温度阈值时，报警装置报警、LED灯闪烁，从而有效地验证了所设计系统对温度检测是有效的。

3.4 烟雾检测

为了模拟火灾发生时的烟雾场景，使用塑料瓶制作出密闭空间，装入不同浓度的烟雾后进行检测（经过测试，点燃一个香薰产生烟雾时传感器的输出电压约为1 V），模拟试验装置如图15所示。

在模拟试验装置中充入不同浓度的烟雾后，观察并记录数码管的烟雾浓度示数，并设置不同的报警阈值，观察声光报警模块的工作状态。将报警器的工作状态记录下来，图16为不同等级的烟雾浓度模拟运行场景，并对烟雾浓度与报警状态进行记录，见表2。

由表2可知，在场景Ⅰ中，所设置的浓度数据为“1”，不同的香薰点燃数量下，报警装置均报警、LED灯均闪烁。在场景Ⅱ中，所设置的浓度数据为“2”，当香薰点燃数量大于2支以上时，报警装置会报警、LED灯方可闪烁。对于场景Ⅲ而言，所设置的浓度数据为“3”，当香薰点燃数量大于3支以上时，报警装置会报警、LED灯方可闪烁。综上所述，当温度值及烟雾浓度值超标时，声光报警模块开始报警，完成了对火灾的检测及报警，从而有效地验证了所设计系统对烟雾检测的有效性。

4  结语

通过对智能楼宇火灾报警系统的需求分析，本文采用AT89C52处理器设计了一种多源信息融合的智能楼宇火灾报警系统。系统硬件模块包含了温度检测模块、烟雾检测模块、AD采集模块、数码管显示模块、声光报警模块五个模块，并设计了温度检测、烟雾检测、声光报警软件模块以驱动该系统正常工作。温度检测试验结果表明，系统设置报警值为37 ℃，当环境温度小于该阈值时，系统未报警，而当环境温度≥37 ℃时，该系统报警。同时，通过三种不同场景的烟雾浓度检测试验表明，所设计智能楼宇火灾报警系统可有效地实现烟雾检测，达到火灾报警的效果。

参考文献：

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