5020213
基于多传感器的多路无线火灾报警
监控糸统设计
齐斌1，胡兵2
(1-新疆建设职业技术学院，新疆乌鲁木齐830054；2.新疆工程学院，新疆乌鲁木齐830023)
摘要：针对传统火灾传感器监控系统布线复杂、功能单一等缺点，提出一种基于多传感器的多
路无线火灾报警监控系统。传感器硬件部分主要分为多传感器的数据采集&C8051F020单片机、监
控报警平台以及信息远程报警四个模块，通过温度、火焰、烟雾传感器采集到室内环境的数据信息，
由C8051F020单片机将室内环境数据传输至火灾监控报警平台上；平台使用VISA串口实现数据
信号的接收，转换接收信号使其以波的形式进行数据显示。系统软件主要由Xbee无线终端、以太
网数据、LEWEI50云平台设置完成局域网的内部数据交互、数据的云端储存以及监控端控制命令
的发送。仿真实验表明，传感器的监测误差较小，能够满足实时火灾报警监控需求。
关键词：多传感器；C8051F020单片机；VISA串口；Xbee无线终端；以太网；L EWEI50云平台
中图分类号:TP212.9文献标识码：A文章编号#1000-0682(2021)03-0050-05 Design of multi-channel wireless fre alarm monitoring system bae on multi-nsor
QI Bin1,HU Bing2
(1.Xiiang Vocation&Tednical College o ConPoucon,Xiiang Urumqi830054,China+
2.Xiiang"伉!**o Enginee C ng,Xiiang Urumqi830023,China#
Abstrace:Aiming at the shortcomings of traditional to nsor monimang system such as complicated woeongand songeetunctoon,a mu et o-channe ew oee ee s toee a ea em mon oto eong s sstem bad on muetopeen-soesospeopod.Thensoehaedwaeepaetosmaonesdoeoded ontotouemoduees:mueto-nsoedataacquo-sotoon,C8051F020songeechop moceocomputee,monotoeongaeaem peattoem and eemoteontoematoon aeaem. Theondooeeneoeonmentdataontoematoon osco e cted theough tempeeatuee,teame,and smokensoes. TheC8051F020songeechop computeeteansmotstheondooeeneoeonmentdatatotoee
monotoeongand aeaem peattoem.Thepeattoem ustheVISAeoaepoettoeeceoeedatasognaes,and coneeetstheeeceoeed sognaes todospeasdataon thetoem otwaees.Thessstem sottwaeeosmaonescompod otXbeewoeeee s teemonaes, Etheenetdata,and LEWEI50ceoud peattoem t ongstocompeetetheonteenaedataonteeactoon ottheeocae aeeanetwoek,theceoud stoeageotdata,and the nd ong o tcont eo ecommands teom the mon oto eong te em o-nae.Somueatoon e ipe eoments show that the mon oto eong e e o eo tthe nso e os sma e,and otcan meetthe eeae-tometoeeaeaem monotoeongeequoeements.
Keywords：multi nsor；C8051F020MCU;vi aal poO;Xbee wireless teoiinat;Etherng；LEWEI50ceoud peattoem
收稿日期#2020-12-07
基金项目：无线火灾自动报警装置的设计与实现(2017B01A27)作者简介：齐斌(1975)，男(汉族)，新疆乌鲁木齐人，硕士，新疆建设职业技术学院副教授，研究方向为火灾自动报警及联动系统、建筑智能化系统应用)0引言
城市建筑不断增加，火灾发生的频率也逐年增加。因此消防系统就成为了建筑中尤为重要的一部分，
对于消防产业而言，现阶段致力于将成熟的计算机通信技术与消防系统结合，并且通过网络将系统与外部网络互相连接，形成一个动态稳定的消防网
2021351
络控制、报警系统。
就此，文献［1］提出基于Web Server的船舶舱
室火灾报警远程监测系统，针对在处理船舱监控时
需要计算数据量较大问题，该设计方案将Web Server
应用到远程监控系统内，使其可以通过互联网兼容
不同的管理系统，实现报警信息实时共享，主动地对
舱内状态进行监控，并且可根据采集获得的数据进
行预测，提高船舶舱室的安全性。仿真实验表明该方法能够应对多种火灾报警，适合使用在各种船舱内。但是由于船舱的结构较为简单，所以该监控系统的性能较为单一，应用在其他复杂环境下，其出
现误报和漏报情况超出安全阈值，难以使用。文献［2］提出的换乘站火灾报警及监控系统设计方案，首先划分不同的车站类型，从经济性、可靠性和管理便利方面入手，针对车站中的火灾报警监控系统给出分设与合设两种不同方案并且将二者进行分析对比，得出不同类型的车站火灾监控报警系统的建议设置方案，即建设时序间的间隔较为接近时，适合采用合设方案，间隔较远时，适合采用分设方案。该方案的设计环节较为复杂，操作复杂性更高，实际应用性较低。
在实际应用过程中，既要满足监测点分散性和监控对象的多样化，还要降低运算时间和计算误差，这就对监控系统的性能要求更为严格。此外传统的有线通信方式的布线复杂，增加了劳动强度的同时，可能还会由于布线的局限性导致出现监控盲区，一旦线路被破坏，系统就会崩溃，失去监控作用。因此，该文提出一种基于多传感器的多路无线火灾报警监控系统设计。系统使用温度、烟雾、火焰传感器对环境数据信息进行采集，当火灾发生时，以上三种 参数均会发生变化，为了使多路传感器数据进行结合，采用综合概率法结合实际发生火灾三种参数的变化规律判断火灾发生的概率，随后通过系统的软件部分进行信息交互，实现监控的实时性。实验表明该文系统的能够准确地监控出环境内的烟雾浓度、火焰强度、温度等信息，且误差较小，具有较高的实际应用价值。
1多传感器下多路无线火灾报警监控系统设计方案
多传感器无线火灾报警监控系统主要分为多传感器的数据采集、C8051F020单片机、监控报警平台以及信息报警模块(SIM300)四部分。其基本框架如图1所示。
1系统基本框架图
系统通过多传感器采集到室内环境的数据信息［3］，如温度、火焰、烟雾等，随后对采集到的信号进行处理后，将其传送给C8051F020单片机，随后将室内环境数据传输至火灾监控报警平台上。平台使用VISA串口实现数据信号的接收，并且对信号进行转换处理，使其以波形的形式显示，完成火灾的实时监控，监控平台可以完成各个警报参数的临界点设置，最后通过信息报警模块向用户发出警报信息，实现远程报警功能。
1.1系统硬件电路设计
1-1.1多传感模块
DS18B20单片机是一种混合信号的系统级芯片，其内核与8051指令集可以完全兼容。能够在单片内集成出系统所需的多种模拟和数字外设和其他功能部件。其中包括ADC(Attack Damaye Carry/Core)、数模转换器、电压比较器、可编程增益放大器、内部振荡器、看门狗定时器、点基准等等。这些外设的部件被设计成体积小、能耗低、可靠性高的单片机应用为系统提供了很大方便的同时，也使系统的成本大大降低。温度传感器主要采用DS18B20单线数字温度计⑷，该温度计仅需要一条线口即可实现与微处理器之间的双向连接，温度传感器可以多点组网，能够通过数据线直接提供电源，不需要再接入外部电源，监控的温度范围在-40S~130S之间，具有较好的抗干扰能力、安装方便，成本较低等优
宣城见杜鹃花点，且电路较为简单如图2所示。
+5V|—1〒
3
Bl
DS18B20
GND
I/O
VCC
4.7kU
图2DS18B20
电路图
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火焰传感器是远红外传感器其探头能够将红外光变化转化为电流的变化［5］)经A/D转换器处理后，反映出0~260之间的数值变化。能够检测出波长在700nm~1000nm之间的红外光。稳定性较好、探测距离较长、受灯光影响较小、灵敏度较高等优点。其原理如图3所示。
烟雾传感器为离子传感器，功率较小，且结构简单，成本比光电式烟雾传感器［6］更低，放射性更小且耐用性更高。其工作电路如图4所示。
2-1.2多路传感信息火灾发生概率综合评判当火灾发生时，可能会有较多参数发生变化，为了使多路传感器进行有机结合，综合考虑温度、烟雾及光强三种因素，判断火灾发生的概率。综合评判模型如图5所示。
■*0*0
图5综合评判模型
模型中，上文三种传感器的监测值为输入项，通过概率加权和运算获得输出值如下：
(1)得出火灾的发生概率值P；
(2)得出危险系数)，根据相应的规则判定出发生火灾的概率，具体规则包括：当危险系数小于预警下
限时，监控设备继续监视，但是不发出警示；当危险系数处于预警状态时，蜂鸣器和警示灯按照相应的危险系数频率做出反应；当危险系数大于预警上限时，系统控制继电器断掉电源，开启相关消防设备。判断规则与详细的推理模型如下：
火焰的强度能够影响火灾发生的概率主要取决于光强标准差和均值［7］)设规定的统计分析时
间为：0，通过某一频率e下采集的光强信息，统计出这一时刻内光强的标准差S和均值E，二者与火灾发生概率P之间的函数关系可以表示为Pp =
91(st和P e=9(E)o p p=9(st可简化成线性模型
如下：
r0,(0<S$S F)
P s={$(S-S f),(S f<s<S u)(1)
■1,(S'S b)
式中:S f表示光强的标准差阈值;S b表示光强标准差的饱和值;$表示标准差系数,$=1/(S b-S f))当标准差
值S较小时，光强度几乎没有改变，则不存在发生火灾的风险，当S逐渐增大时，光强的变化也逐渐变强，当标准差阈值达到S f时，考虑火灾发生概率P,P会随着S的增大而呈线性增长的趋势，当达到饱和值S b时，即可以通过光强信号来确定火灾已发生。P e(E)可以简化成下式：
J p,(0<E<E f)
P E={*(E-E f)+P“，(E f<E<E b)(2)■1,(E'E b)
式中:P p表示均值影响概率的下限;E f表示均值下限值;6”表示均值影响火灾发生的饱和值;*表示影响系数,*=(1-Pg)/(E b-E f)。
对标准差和均值进行综合考虑，获得火灾发生概率的总影响函数如下：
P1=91(Sfe(E)(3)
针对烟雾和温度两种影响因素的计算模型可以简化成：
■0,(0<w$)
P p=、l(w-a，1),(a［<w<a2)(4) 11,(w'a2)脚后跟疼怎么回事
式中:P,(i=2,3)表示烟雾和温度单独反映出的火灾发生概率;a1表示对应信号阈值;a2表示对应饱和值;Z表示对应影响系数,0=1/(a2-a1)o
设P2二=2(%),%表示烟雾浓度;P3二=3(+)，+表示温度。
分别获各种因素对总结果的影响权
2021353重⑷，则火灾最终的发生概率是通过各个因素的影
响概率加权和获得的：
等待3
p=(p入=9(Sf2(E),1+9(%)，2+
=1
3(+),3(5)
式中:P，表示单独因素影响火灾发生的概率,,,(i=
1,2,3)为相应权重。
危险系数和火灾发生概率之间的关系可以简化
为以下线性模型：
(0,(0<P$P#)
)(P)=，*P-P#)(6)
■k m,(P'P m),(P#<P<P m)
式中：)(P)表示火灾等级;P#表示火灾报警概率的阈值;P m表示火灾预警概率的饱和值;I表示火灾预警程度的最高等级;t表示等级的折算系数,*= IW P m~P#)O
当火灾的发生概率没有达到P#时，则可以认为当前环境是安全的，报警器不报警；超过P#时认为该环境存在发生火灾的危险，若危险系数随着P的增大则呈线性增加，则报警器开始预警，且随着火灾等级)(P)越大报警示器的响声越急促，报警等的闪烁频率更快；当发生概率超过饱和值P m时，则认为火灾发生的概率超过容忍程度，可以大概判断火灾已经发生，需要采取必要的措施，关闭当前环境下的所有电源，同时迅速启动消防系统。综上所述，需要根据监控环境的实际情况确定P#和P”)例如，建筑的主材料为木质材料时，那么烟雾则起到了主导影响，则可以增加烟雾的权重⑼)
2系统软件设计
系统软件主要分为Xbee无线终端、以太网数据、LEWEI50云平台设置三个模块组成。用来实现各个传感器之间数据的采集、局域网的内部数据交互、数据的云端储存以及监控端控制命令的发送等等。
2.1Xbee无线终端程序设计
Xbee无线终端的程序设计主要为传感器数据信息读取、数据传输、液晶显示等。首先对环境监测和远程开关控制进行设计，其运行流程如图6、图7所示。
早梅古诗
流程中设置了看门狗定时器［10］，确保程序在进行非正常运行时系统能够自动复位。
图6环境监测模块流程图
I液晶心器販嬴1
(艺始)
|初始化LCD，开启看门狗；设置溢出丽1
22_I读取电压、电荒功率、电量|
图7远程开关控制模块流程图
2.2以太网模块数据设计
(开始)
初始化LCD，开启看门狗，设置溢出时间
|看门狗—|
图8鱼香肉丝用什么肉
以太模块流程图
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以太网［11］模块主要包含通过协调器进行终端数据的传输，以太网模块的数据上传和监控终端的命令接收，其具体流程如图8所示。该模块需要首先将网络I地址、DNS服务器的数据进行配置，然后通过LEWWI50云平台中的TCP通信协议函数实现远程开关控制以及数据上传等功能。
2.3LEWEI50云平台设计
LEWEI50物联网平台［12］主要为用户提供传感器的云服务功能。用户可以使用传感器标识、用户密钥等手段，通过以太网模块来完成对应标识的数据传输，实现系统对传感器数据的实时采集。用户也可以自定义控制函数，随后通过云平台将指令发送给以太网模块，最后由无线终端根据控制命令做出相关反应。
3仿真实验
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怎么清洗银饰总
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糊
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10-2
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目标线
误差变化曲线
10152025
时间/min
图10烟雾误差变化曲线
_
_
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-2
-3M
o
o
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目标线在生活上的自我评价
误差变化曲线
该文系统可以对各个传感器的实际工作状态进行实时显示，并且对实时信息进行储存。为验证系统的有效性，对实验收集到的数据通过式(7)进行归一化处理。10-5
1015
时间/min
2025图11火焰误差变化曲线
"ma-%n
式中:M表示系统的输入或者输出数据；M c为数据变换的最大值为数据变换的最小值。处理后数据如表1所示。
从图9,10,11中可以看出，温度监控实验误差小于既定目标，烟雾和火焰传感器的结果相似，实现了系统的设计要求，证明本系统可以满足实际的火灾监控需求。
4结语
表1归一化处理后数据
数据内容12345
温度/S20.117.6 3.2 4.726.9烟雾浓度/% 6.7 3.216.933.560.8火焰波长/nm176237209218154仿真训练的过程中，各个指标的误差变化如，下图9,10,11所示。
b--------------------------------------------
盍10亠'、''、、、、
®1O-4-'、、、
io-5-—目标线
—一误差变化曲线
10.6------------1--------------\-------------\-------------\
510152025
时间/min
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图9温度误差变化曲线
该文火灾报警监控系统基于LEWEI50物联网平台，通过多个传感器同时采集监控环境内温度、烟雾、火焰信息，提高了对火灾的辨别能力，并且可以将报警信息远程发送给相关人员实现火灾的远程监控。系统在解决漏报、误报和智能化方面都取得了较好效果。并且系统可以通过Xbee无线终端实现无线监控，在一定程度上降低了布线的复杂程度，且节约成本，性价比更高易于操作。
在创新性方面，该文对多传感器数据进行了概率综合，并且可以根据监控环境的实际情况对参数权重进行调节，使系统更加人性化，并且在火灾发生时系统可以切断监控环境内电源，降低危险性减少损失。
综上所述，该文系统的结构简单，操作方便，实际应用价值较高，下一步将会对不同环境下的参数权重进行研究，对系统进行进一步完善。
参考文献：
［1］陈颖，周元.基于Web Server的船舶舱室火灾报警远程监测系统设计［J］.舰船科学技术,2018,40(08)：
172-174.
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