1、第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .项目来源：天津市应用基础研究多元投入基金（）；国家教学创新团队项目（）收稿日期：修改日期：，（，；，；，；，）：，：；：基于平面传感阵列的大型仓储火灾报警系统研究张素萍，王 莉，孟庆宜，高照阳，董玲娇（天津中德应用技术大学能源工程学院，天津；天津中德应用技术大学智能制造学院，天津 南京工业职业技术大学机械工程学院，江苏 南京；温州职业技术学院智能制造学院，浙江 温州）摘 要：针对现有大型仓储火灾报警系统存在无法定位火灾源头的问题，提出基于平面传感阵列的大型仓储火灾报警系统。该系统由平面传感阵列数据采集前端、火灾报警控制器及远程监控中心三部分组成。平面传感
2、阵列数据采集前端由红外感烟发射器和接收器组成一个或者多个平面传感阵列，实时采集被监控区域的火源信息。火灾报警控制器控制数据采集前端扫描采集火源信息，进行火源定位和声光报警。远程监控中心进行远程系统状态监测、参数设置及探测器调试。经实验验证，该系统火灾报警响应时间为 ，故障报警响应时间为 ，定位误差不大于 。关键词：火灾报警；平面结构；火灾定位；二总线；中图分类号：文献标识码：文章编号：（）随着当今社会经济和技术的快速发展，大型仓储（如粮仓、烟仓、棉仓等）越来越多，而上述场所一般为大空间物资高度集中及堆放密度高的地方，一旦发生火灾，轻则影响社会物流的正常运转，重则造成巨大的经济损失和人员伤亡。因
3、此，如何在火灾发生的早期时能够尽快对火源地做出精准的定位，以便采取相应措施，及时杀灭火源，将火灾造成的损失减少到最小，具有十分重要的意义。目前，上述场所火情监测主要采用感烟、感温、火焰及图像类探测器。根据图 和 可知，火灾在初起和阴燃阶段所占时间较长，且环境温度不高，火源尚未达到蔓延发展程度，采用感烟探测器最合适。感烟类的火灾报警系统主要分为点型感烟类、红外线型感烟类及吸气式感烟类火灾报警系统。由于点型感烟类火灾报警系统监控范围较小，所以不适用于大型仓储；吸气类感烟火灾报警系统需要在大型仓储的顶棚或侧墙壁上布局采样管网，并要定时清洁被烟尘、灰尘等颗粒堵塞的采样管道，系统成本较高；红外线型感烟类
4、火灾报警系统具有成本低，探测范围广，易安装及维护等优点，目前在大型仓储中具有广泛的应用。但是前述火情监测方法均不具有定位功能，不能解决火源精准定位问题。因此，提出一种基于平面传感阵列的大型仓储火灾报警系统。第 期张素萍，王 莉等：基于平面传感阵列的大型仓储火灾报警系统研究 图 普通可燃物质典型起火过程曲线 系统总体设计方案如图 所示，系统包括数据采集前端、火灾报警控制器、远程监控中心。其中数据采集前端由一个或多个平面传感阵列（个）组成，而一个平面传感阵列由四个红外感烟接收探测器（简称接收器）和若干个红外感烟发射探测器（简称发射器）组成，接收器位于平面结构（矩形形状）的四个夹角上，发射器等间距位
5、于平面结构的两个宽边上，依据 ，本系统平面结构长边范围为 ，宽边范围为 ，发射器等间距为 ，所对应的空间高度为 （平面传感阵列布局见图）；数据采集前端负责被监控区域烟雾信息的实时采集工作；火灾报警控制器负责控制前端数据采集、数据处理、火灾定位与报警等工作；上位机负责远程前端信息监测、系统参数设置及探测器调试等工作；火灾报警控制器与采集前端、远程监控中心分别采用二总线和 进行数据通讯。图 系统总体设计结构图 系统硬件 数据采集前端发射器由、红外发射、二总线接口等电路模块组成，主要是接收火灾报警控制器指令，按照一定的发射强度将受控的已调脉冲电流信号转换成波长为 的红外光束信号发出。为了降低系统功耗
6、和成本，发射器选用超低功耗 位单片机 作为控制核心，只红外发射管，经由 的，端口和相关三极管驱动电路对其进行逻辑控制，实现其左右红外光束的发送功能。红外发射电路设计如图 所示。图 红外发射控制电路设计图 接收器由、红外接收、二总线接口等电路模块组成。为了降低系统功耗和成本，接收器选用超低功耗 位单片机 作为控制核心，只红外接收管，组成一个红外接收阵列，将接收到的红外光束信号经过运算放大器 和 相关电路后接入 的 口，进行 采集，并将采集结果返回给火灾报警控制器。其中 用于根据接收档位，选择相应的运算放大器放大陪数。红外接收相关电路设计如图 所示。电 子 器 件第 卷图 红外接收相关电路设计图
7、火灾报警控制器硬件 选型及供电、液晶、键盘、实时时钟等外围电路 如图 所示，系统选用 作为火灾报警控制器的，该 运行主频高达，具有 个通信接口，内置 的，的 及高速，具有较高的性价比，能够简化系统设计，便于系统扩展、升级及维护；系统 电源一路经 变换器后，产生出 ，为火灾报警控制器和液晶主板供电。另一路由、（）组成的电源变换电路产生出 电源为远程监控中心通信电路供电；由于 内部的 和 资源，能够满足系统需求，所以不需要外扩 和；为了保证系统重要参数掉电后不丢失，在火灾报警控制器上设置了 片 作为系统黑匣子；选用 作为 显示器，作为键盘、灯指示、报警喇叭及 时钟驱动芯片；火灾报警控制器与远程监控
8、中心基于 进行数据通信，采用 进行 接口信号转换，进行 接口信号转换，可通过拨码开关进行 选择。图 火灾报警控制器硬件设计结构图 二总线接口电路与传统、总线相比，二总线具有自供电、无极性及抗干扰能力强等优点，同时为了便于系统扩展，本系统采用两个独立的二总线接口实现火灾报警控制器与探测器之间的通信。二总线接口 电路原理相同，本文以图 为例进行接口 设计说明。总线供电：系统上电后，初态时置 第 期张素萍，王 莉等：基于平面传感阵列的大型仓储火灾报警系统研究（由 的 控制）为高，由 产生的 电源关断，输出为。初态时的（由 的 控制）为低，此 时 导 通，电源直接加到二总线 端口，为各总线模块供电。在
9、系统进入到受控工作状态后，通过 控制 为高、为低，在总线上得到 高电平，为总线模块供电或提供高逻辑电平信号。逻辑输出信号产生：发送到各总线模块的通信信号是电平方式，代表逻辑，代表逻辑。逻辑 的产生过程：首先置 为高电平，关断 输出。而后置 为高，此时一方面 饱和导通，从而控制 饱和导通，使 发射极、基极间仅有 电压，从而关断了，使总线电压为；另一方面，为高，使 饱和导通，通过 进一步将总线上残余电平下拉到。在上述双重保险下，总线输出为 电平。逻辑 的产生过程：首先置 为高电平，关断 输出。而后置 为低，其余逻辑控制与逻辑 的产生过程刚好相反。回送输入信号检测：总线模块回送给火灾报警控制器的信号
10、是通过回拉一个信号电流来实现的。在模块回送信号检测期间，口关断，而将 送到总线上。回送信号检测过程：首先将 置低，一方面 的 脚输出 电压，再经 只 二极管降压（约降低 ）后得到一约为 电压送到 总线上。由于 为低，截止，经 加到 基极并使其饱和导 通，使 截 止，截 断 了。此时置 为低，使 不能提供静态电流。在总线为 期间，总线模块的回拉电流经 及其外围电路共同构成的镜象电流源，总线上的电流经 被镜象到，该电流在 上被转换成电压信号，分别被送到 的 口采样。图 二总线 口 硬件设计原理图 系统软件 数据采集前端软件发射器和接收器的软件设计流程如图、图 所示。每个发射器和接收器中均有一个固化
11、的 位 号，上电后由火灾报警控制器根据 号对其进行地址编码。火灾报警控制器软件 火灾报警控制器与探测器通信协议约定火灾报警控制器与探测器基于主从结构进行数据通信，每一个探测器具有唯一的地址码。本系统一个字节数据按照 流进行设计，通讯格式：起始位（）位数据码（）地址 数据标识位（：表示地址码，：表示数据码）结束位（）。一帧完整的通信信息约定为：地址码命令码数据长度数据块（为前面所有字节数的）。通信波特率为。当地址码为 时，表示根据探测器 号配置其物理地址。火灾报警控制器主程序火灾报警控制器主程序包括开机过程、正常巡电 子 器 件第 卷图 发射器软件设计流程图图 接收器软件设计流程图检、故障 报警
12、处理、显示、参数设置、探测器通讯等功能模块。火灾报警控制器上电后先执行开机过程，而后进入正常巡检，在巡检过程中，如果发生故障或报警事件后，则进行故障或报警事件处理，否则继续正常巡检，同时能够响应用户按键请求，进行系统参数设置及探测器调试等操作。主程序设计流程如图 所示。图 系统主程序设计流程图开机过程：如图 所示。图 系统开机过程程序设计流程图正常巡检：详见 故障和报警处理：故障处理：一旦检测到对象（探测器、电源、二总线口）出现故障时，在不打破正常巡检顺序下，火灾报警控制器对故障对象进行故障状态记数和故障确认时间计时，当连续故障检测超过 次，故障确认计时超过 ，故障即被确诊，故障被存入故障历史
13、表和当前状态表，故障声响被启动。若在 内，一旦检测到故障对象恢复正常，故障状态记数和确认计时器清，对象即被重新确定为正常。报警处理：一旦检测到对象（与发射器相匹配的接收器）回送数值衰减达到报警阈值时，若对象没处于报警状态，则暂停正常巡检，进入报警检测程序。若对象已处于报警状态，则对象只作正常巡检处理，不再进入到报警检测程序。报警检测程序：对疑似报警对象进行连续 次检测，若满足 次（含）以上符合报警条件，报警才被确认，报警模块第 期张素萍，王 莉等：基于平面传感阵列的大型仓储火灾报警系统研究 立即被存入报警历史表和当前状态表中，报警声响被启动。系统正常巡检和数据处理程序正常巡检：一个巡检周期按照
14、工程结构序号递增顺序对探测器进行遍历；在对每个探测器巡检间隙，扫描并响应 次键盘；全部探测器巡检结束时，扫描 次系统状态（电源、总线口等）；在巡检的过程中检测到报警或故障时，进入到报警或故障处理程序；平面巡检时，先完成一个平面内的左发射，再完成一个平面内的右发射。一个工程应用结构巡检时间不大于 。系统防火平面结构如图 所示。设平面长度为，宽度为，发射器间距为，总发射器数量为，则单边发射器数量为，设最底边发射器起始编号为（），则最底边发射器结束编号为（），最上边发射器起始编号为（），最上边发射器结束编号为（），最下边处于起始与结束之间的发射器编号用（），（）表示，最上边处于起始与结束之间的发射器
15、编号用（），（）表示，接收器为，同时接收器和发射器的地址段必须连续编号，先接收器后发射器，如 地址为，则、地址依次应为、，发射器起始地址为，其余发射器依次连续排列。设平面结构的坐标原点在 处。图 系统防火平面结构设计图平面结构扫描顺序：区 区 区 区。其中 区（左发射区）：（），（），（），（），区（左发射区）：（），（），（），（），区（右发射区）：（），（），（），（），区（右发射区）：（），（），（），（）。平面巡检时，先执行 区巡检，火灾报警控制器控制 打开其电源，然后用（）所对应的左接收档位参数控制 接收档位调整，使 处于准备接收红外光束状态，再用（）所对应的左发射强度参数控制（）进
16、行红外光束发射，最后通过二总线接收 的返回数据，并存储该数据，同时根据实时返回数据调整（）快基准（左），并根据火灾报警控制器与、（）的通讯结果，记录它们的运行状态。当 与（）之间完成一次发射和接收后，（）地址加一，轮流到（）开始工作，火灾报警控制器用（）所对应的左接收档位参数去调整 的接收档位，再用（）所对应的左发射强度参数控制（）进行红外光束发射，最后通过二总线接收 的返回数据，并进行数据存储、探测器状态更新、（）快基准（左）更新。依次类推，直至（）和 完成红外发射和接收工作，最后关闭 的电源，整个 区的巡检工作完成。之后火灾报警控制器开始进行 区的巡检工作，区的工作流程与 区类似，不同的是用发射器（），（），（），（）所对应的参数（左接收档位，左发射强度）与 进行适配。当 区和 区巡检完成后，即完成一个平面的左发射方向巡检，用发射器右方向上的参数继续 区和 区的巡检工作，工作流程类似 区和 区。当 区和 区巡检工作完成后，即完成一个平面的右发射方向巡检，至此完成了一个平面结构的巡检周期。接下来是对本次平面结构巡检数据进行处理。平面结构巡检数据处理：如图 所示，先执行探测器故障处理程