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摘要
基于單片機技術(shù)，研制了一種新型多功能無(wú)線(xiàn)智能消防報警系統。系統在實(shí) 現傳統煙霧報警的同時(shí)，使用 MQ-2 氣體敏感元件來(lái)實(shí)現對一些可燃氣體濃度的 檢測，通過(guò)熱敏電阻構成溫度采集模塊，使用火焰傳感器，通過(guò)捕捉火焰發(fā)出的 紅外線(xiàn)來(lái)進(jìn)行火焰識別與監控。系統對上述四種監測信號進(jìn)行多信號采集與處理 之后發(fā)送給單片機。系統通過(guò)搭建 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行數據處理，進(jìn)一步提高報 警的準確性。系統在實(shí)際測試中達到預期設計目標，體現在當監測參數超過(guò)系統 預設閥值，系統即進(jìn)行報警。系統基于 LORA 無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，使用 433 無(wú)線(xiàn)模塊 來(lái)進(jìn)行短距離無(wú)線(xiàn)通訊，同時(shí)使用 GPRS 模塊來(lái)進(jìn)行遠距離傳輸。系統具備集成 度高，通信方式多樣化，消防報警功能全，運行功耗低，易于普及和移植的特點(diǎn)， 可滿(mǎn)足多種場(chǎng)合的煙霧檢測、可燃氣體濃度報警、溫度監控、火焰識別的功能。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C；消防報警；多信號采集；BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )；無(wú)線(xiàn)通信
Abstract
Based on the technology of single chip microcomputer, a new multifunctional wireless intelligent fire alarm system is developed. The system can realize the traditional smoke alarm function, and use mq-2 gas sensor to detect the concentration of some combustible gases. The temperature acquisition module is composed of thermistor, and the flame sensor is used to identify and monitor the flame by capturing the infrared ray emitted by the flame. The system collects and processes the four kinds of monitoring signals and sends them to the single chip microcomputer. The system uses BP neural network to process data and further improve the accuracy of alarm. The system achieves the expected design goal in the actual test, which is reflected in the alarm when the monitoring parameters exceed the preset threshold value of the system. Based on Lora wireless communication protocol, the system uses 433 wireless module for short-distance wireless communication and GPRS module for long-distance transmission. The system has the features of high integration, persified communication mode, full fire alarm function, low operation power consumption, easy to be popularized and transplanted, and can meet the functions of smoke detection, combustible gas concentration alarm, temperature monitoring and flame identification in various occasions.
Keywords:Single chip computer; Fire alarm; Multi-signal acquisition; BP neural network; Wireless communication
目錄
第 1 章 緒論
1.1 研究背景
隨著(zhù)人們生活水平的提高，煤碳、壁爐、酒精燈等一些易引發(fā)消防事故或者高 污染的資源和設備正逐漸被天然氣、管道煤氣所代替，人們的生活方式得到了一定 的改善，危險系數也進(jìn)一步的降低。盡管如此，每年因為各種因素，居民樓、醫院、 學(xué)校、工廠(chǎng)等地還是出現了各種大大小小的消防安全事故，加之城市里高層建筑密 集，人口密度大，短時(shí)間疏散困難等一系列原因，每年因為消防事故而造成的人員 傷亡和財產(chǎn)損失都不可估量[1-5].
目前市面上的大多產(chǎn)品還是停留在了傳統的煙霧報警層面，主要存在的問(wèn)題表 現在報警不及時(shí)，報警距離受布線(xiàn)的限制，功耗大，大面積安裝成本大以及實(shí)施難 度大，報警方式單一，功能匱乏等缺陷[6].例如家用、小空間獨立式煙霧報警器， 一旦現場(chǎng)沒(méi)有人的時(shí)候，受到報警方式和距離的限制，一旦出現消防事故，也無(wú)法 第一時(shí)間提醒到當事人和消防部門(mén)，從而無(wú)法及時(shí)做出反應和處理。再例如，網(wǎng)上 已經(jīng)出現了一些無(wú)線(xiàn)報警器，其報警方式具備 GPRS 無(wú)線(xiàn)傳輸，雖然解決了傳統的布 線(xiàn)問(wèn)題，但是只是具備某種一種通訊方式，而且成本高，顧此失彼，沒(méi)有考慮全面[7].
再例如目前廣泛使用的煙霧報警器，使用的是光電傳感器來(lái)感應監控環(huán)境中的煙霧 濃度，只具備了一種報警信號采集模塊，此模塊可以很好的應對一般燃燒過(guò)程中會(huì ) 產(chǎn)生濃煙的火災，但在其他消防事故中就顯得捉襟見(jiàn)肘，比如實(shí)驗室中一些由易燃 金屬引起的燃燒，或者周?chē)扇嘉餅橐恍┤紵^(guò)程中不產(chǎn)生濃煙的物體，或者是面 對可燃氣體的泄露，在這些特殊情況下，傳統的煙霧報警器就不能滿(mǎn)足需要[8].
綜上，本設計針對目前生活中傳統消防報警器的不足開(kāi)發(fā)出了一種低功耗，性 能穩定，傳輸方式多樣，安裝便捷，易于普及，可以采集多種報警信號的無(wú)線(xiàn)智能 報警系統。
1.2 研究目的和意義
近些年來(lái)，由于人工智能的發(fā)展與普及，很多行業(yè)和領(lǐng)域的設備都進(jìn)行了換代 更新，通過(guò)更加精準的算法與更先進(jìn)的控制方式，使得很多設備都具備了高集成度、 高性能、多目標分析等特點(diǎn)[9]. 雖然目前市面上已經(jīng)陸續出現一些基于無(wú)線(xiàn)控制方式的火災報警器，但是其性 能與穩定性良莠不齊，各種弊端也是層出不窮，應用領(lǐng)域窄，因為其本身的功能就 決定了其應用的范圍，存在著(zhù)很大的改進(jìn)與升級空間[10].市面上的消防報警器有一 些也加入了溫度監控功能，但是依舊遠遠不夠，報警精度和系統不能做到很好的兼容，各自過(guò)于獨立沒(méi)有形成完備的系統，報警器之間，報警器與系統之間沒(méi)有太多 的關(guān)聯(lián)性。
另外，在一些非煙霧性質(zhì)的易燃危險氣體泄露方面，也是絕大多數煙霧 報警器無(wú)法檢測到的，例如酒精、甲烷等。在當今大數據很普及的環(huán)境下，報警器 幾乎還停留在獨立的個(gè)體層次，報警的范圍也有著(zhù)很大的局限性，雖然近期也出現 了一些帶 GPRS 或者無(wú)線(xiàn)功能的報警器，但是其成本往往又不能很好的控制，不易普 及，也給產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)增加了難度[11].由于獨立式無(wú)線(xiàn)報警器是單獨供電，如 何在滿(mǎn)足基本功能的同時(shí)又可以盡可能的延長(cháng)待機時(shí)間，這對于報警器本身也是一 個(gè)不得不去考慮問(wèn)題，因此功耗問(wèn)題也顯得至關(guān)重要[12].
基于單片機技術(shù)的智能無(wú)線(xiàn)消防報警系統是在光、機、電一體化平臺上實(shí)施的， 綜合計算機、光學(xué)、信息與傳感器技術(shù)、圖像處理、數據采集分析等多學(xué)科技術(shù)背 景下設計出來(lái)的，在增加了多項功能和提升系統各項性能的同時(shí)，其尺寸與傳統報 警器接近，甚至更小[13].應用范圍廣泛，有著(zhù)極低的待機功耗，智能化程度高，這 也是今后智能報警方面的發(fā)展趨勢與要求。
1.3 國內外研究現狀
1.3.1 國內報警器發(fā)展現狀
國內目前普遍采用的火災自動(dòng)報警技術(shù)，主要有兩種：一種是非智能火災自動(dòng) 報警技術(shù)，包括嫁接新技術(shù)的老式或傳統火災自動(dòng)報警技術(shù)，七十年代末出現的可 尋址火災自動(dòng)報警技術(shù)和八十年代初期出現的模擬量可尋址火災自動(dòng)報警技術(shù)，這 些技術(shù)盡管高技術(shù)含量少，但由于成木低，能滿(mǎn)足眾多小型民用和商業(yè)防火保護需 要，而被國家廣泛應用[14-17]. 另一種是代表現代火災自動(dòng)報警技術(shù)發(fā)展水平和發(fā)展趨勢的智能火災自動(dòng)報警 技術(shù)，從八十年代中期開(kāi)始開(kāi)發(fā)到九十年代中期己發(fā)展成熟，并得到廣泛應用的采 用具有人工智能理論和技術(shù)的高級算法軟件的智能集中型模擬量可尋址智能火災自 動(dòng)報警技術(shù)（即由智能控制器做報警決策的智能火災自動(dòng)報警技術(shù)）和九十年代初 期開(kāi)發(fā)，并得到應用的采用人工智能理論和技術(shù)的高級算法軟件（主要指模糊邏輯 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )軟件技術(shù)）的智能分布型智能火災自動(dòng)報警技術(shù)（即由智能探測器做報 警決策的智能火災自動(dòng)報警技術(shù)）[18].
智能集中型智能火災自動(dòng)報警技術(shù)發(fā)展最快、應用最廣、現已成為智能火災自 動(dòng)報警技術(shù)中的一種主導技術(shù)，其中，由 50 只左右模擬量可尋址感煙探測器構成的 小型智能集中型火災自動(dòng)探測系統發(fā)展最快、應用數量最多，不僅大大改進(jìn)了小空 間的防火安全，而且也推動(dòng)了火災報警工業(yè)的發(fā)展。智能火災自動(dòng)報警技術(shù)主要用 于解決大、中型空間防火安全和多種系統的聯(lián)動(dòng)問(wèn)題[19-22].
1.3.2 國外報警器發(fā)展現狀
八十年代以來(lái)，特別是九十年代以來(lái)，隨著(zhù)經(jīng)濟建設和半導體、微電子、光電、 計算機和信息等科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，國外火災自動(dòng)報警技術(shù)以市場(chǎng)為導向，以應用高新技術(shù)為先導，以減少誤報率、提高可靠性、靈敏度和擴大探測范圍為根 本目的，在開(kāi)展基礎理論和應用技術(shù)研究、老產(chǎn)品技術(shù)改造、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、標準和 規范制修訂、產(chǎn)品質(zhì)量認證和檢驗、系統設計安裝和維護、擴大應用范圍和提高應 用效益等方面，都有了很大發(fā)展，出現了許多新產(chǎn)品、新技術(shù)、使火災自動(dòng)探測報 警系統從火災探測、報警傳輸、信號處理、報警控制顯示到與其他系統聯(lián)動(dòng)等一系 列功能性能和可靠性大大提高與完善，減少了誤報率，增強了人們預防現代各種火 災的能力，為保衛人類(lèi)生命和消費安全發(fā)揮了重要作用，成為現代消防技術(shù)中的一 種必不可少具有廣闊發(fā)展前途的前沿消防技術(shù)和手段[23-26].
1.3.3 報警器發(fā)展趨勢
當前，智能火災自動(dòng)報警技術(shù)發(fā)展的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)和重要趨勢是使用模糊邏輯 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )高級算法軟件。人工智能理論和交互技術(shù)被越來(lái)越多的智能火災自動(dòng)探 測系統采用，已成為消防自動(dòng)報警技術(shù)中的前沿技術(shù)和核心技術(shù)[27].
1.4 研究?jì)热菁爸饕ぷ?/strong>
研究主要設計了一款智能無(wú)線(xiàn)報警系統，系統主要由獨立式無(wú)線(xiàn)報警器、現場(chǎng) 集中器、終端設備組成。獨立式無(wú)線(xiàn)報警器主要由傳感器、信號放大處理模塊、蜂 鳴器、復位按鍵及 LED、電源模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、單片機及其外圍電路組成。設 計中的現場(chǎng)集中控制器提供了一個(gè)現場(chǎng)報警、監控以及信號傳輸的功能，現場(chǎng)集中 控制器配備了一款具備觸摸顯示功能的 TFT 屏幕，可以實(shí)時(shí)顯示各項監控數據以及 完成一些監控閥值的設置。同時(shí)，使用配套的人機界面開(kāi)發(fā)平臺還可以針對不同的 場(chǎng)合需要設計出不同的人機界面。上位機設計主要是監控界面的設計以及報警終端 接收報警信息的方式設置[28-31].
本設計考慮了不同的應用場(chǎng)合，配備了四種報警傳感器分別是煙霧傳感器、溫 度傳感器、捕捉火焰燃燒時(shí)發(fā)散出的紅外線(xiàn)的火焰傳感器，以及檢測易燃危險氣體 濃度的可燃氣體濃度傳感器。
1.5 論文結構
論文的主要分為六章來(lái)進(jìn)行闡述。
第一章主要介紹一下研究的背景、研究的意 義、報警器國內外發(fā)展現狀以及報警系統未來(lái)的發(fā)展趨勢，介紹了研究的內容和具 體工作內容。
第二章闡述了系統的總體設計方案，介紹了系統的硬件設計與軟件編 程環(huán)境，分析了系統的性能需求并給出了系統的應用案例。
第三章對系統的主要模 塊的硬件電路進(jìn)行了細致的分析與介紹，包括其設計思路與工作原理。
第四章介紹 系統的軟件設計，主要包括主程序、故障自診斷、數據采集與處理和系統的報警邏 輯。
第五章是對系統的干擾因素進(jìn)行了分析與介紹以及針對提高系統抗干擾能力所 采取的優(yōu)化措施。
第六章進(jìn)行了樣機的實(shí)際調試，對系統的主要功能進(jìn)行了實(shí)際測 驗，觀(guān)察系統的各項指標與性能。
第 2 章 無(wú)線(xiàn)智能報警系統的設計方案
2.1 無(wú)線(xiàn)智能報警系統的概述
2.2 系統總體設計方案與結構
2.3 系統硬件架構設計
2.3.1 獨立式無(wú)線(xiàn)報警器
2.3.2 集中控制器
2.3.3 監控終端
2.4 系統軟件架構設計
2.5 系統功能結構
2.6 系統性能需求分析
2.6.1 報警精度與反應時(shí)間要求
2.6.2 可靠性與安全性要求
2.6.3 兼容性與擴展性要求
2.6.4 故障處理要求
2.7 硬件設計平臺和程序編輯環(huán)境介紹
2.4.1 AD 軟件簡(jiǎn)介
2.4.2 KEIL 軟件簡(jiǎn)介
2.8 系統應用方案介紹
2.9 本章小結
第 3 章 系統的硬件電路設計
3.1 電源模塊
3.2 單片機的選擇以及外圍最小系統電路的設計
3.2.1 單片機的選擇
3.2.2 單片機外圍電路設計
3.3 可燃氣體檢測模塊
3.3.1 MQ-2 的工作原理
3.3.2 可燃氣體濃度檢測模塊的電路設計
3.4 紅外火焰監控模塊
3.4.1 紅外火焰傳感器的工作原理
5 煙霧監控模塊
3.5.1 煙霧監控傳感器的工作原理
3.5.2 煙霧監控模塊的電路設計
3.6 溫度監控模塊
3.6.1 溫度監控模塊的工作原理
3.6.2 溫度監控模塊的電路設計
3.7 聲光報警模塊
3.7.1 蜂鳴器驅動(dòng)電路設計
3.7.2 LED 驅動(dòng)電路設計
3.8 無(wú)線(xiàn)信號傳輸模塊
3.8.1 433 短距離傳輸模塊電路設計
3.8.2 GPRS 遠距離傳輸模塊電路設計
3.9 本章小結
第 4 章 系統的軟件設計
4.1 系統報警邏輯
4.2 人機界面設計
4.3 報警器的干擾源
4.4 報警系統抗干擾措施
4.5 本章小結
第 5 章 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )數據分析
5.1 系統 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )搭建
5.1.1 樣本數據
5.1.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )架構設計
5.2 數據預處理
5.3 輸出數據分析
5.4 輸出數據處理
5.5 本章小結
第 6 章 系統樣機的綜合調試
6.1 系統測試環(huán)境
6.2 系統功能測試
6.2.1 可燃氣體濃度檢測
6.2.2 火焰監控與識別
6.2.3 煙霧濃度檢測
6.2.4 溫度采集與監控
6.3 本章小結
結論
針對目前廣泛應用的煙霧報警器進(jìn)行了從有線(xiàn)布局到無(wú)線(xiàn)信號傳輸的創(chuàng )新， 基于 LORA 無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議下，使用了 433 段距離無(wú)線(xiàn)通信模塊，使得獨立式報警 器在具備一定的信號穿透力的同時(shí)，報警傳輸距離可以達到 200 米，結合 GPRS 遠距離無(wú)線(xiàn)傳輸模塊以及因特網(wǎng)等方式，可以進(jìn)一步極大的拓展報警信號的傳輸 距離并豐富報警信號的接收方式。設計針對復雜工業(yè)環(huán)境有著(zhù)很好的應用效果， 在實(shí)現傳統火災煙霧報警的同時(shí)又融合了溫度監控、火焰識別以及可燃危險氣體 濃度監測，大大拓寬了消防報警器的應用環(huán)境。硬件方面主要使用到了 STM8 和 STM32 這兩款單片機，利用 STM8 本身的低功耗特性以及心跳程序可以實(shí)現獨立 式報警器的超低功耗待機。 設計中利用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)分析輸入的報警樣品值來(lái)得到一個(gè)輸出范圍值。 依據系統輸出的數據，結合智能報警系統的報警觸發(fā)條件，可以極大程度上減少因 為系統電路以及模塊自身設計缺陷所帶來(lái)的誤差從而提高智能報警系統的報警觸發(fā) 精度與正確性。
軟件上使用了 KEIL 來(lái)進(jìn)行 C 語(yǔ)言的編寫(xiě)，主要包括獨立式無(wú)線(xiàn)報警器程序 編寫(xiě)以及現場(chǎng)集中控制器程序編寫(xiě)。使用 AD 軟件來(lái)進(jìn)行了 PCB 的設計與繪制， 針對系統的功能需求設計了包括單片機電路，傳感器電路，電壓轉換電路等一些 列電路。使用特定的人機界面開(kāi)發(fā)軟件在現場(chǎng)集中控制器上制定了一套特定的操 作界面，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)離線(xiàn)設置報警閥值與系統參數設置。 最后，在特定環(huán)境下對煙霧報警功能、溫度監測功能、火焰識別功能以及可 燃危險氣體濃度監測功能進(jìn)行了硬件上的運行與測試。最終，在滿(mǎn)足基本煙霧報 警識別的同時(shí)，火焰識別報警觸發(fā)率在 95%,報警器溫度采集精度高達 99.59%, 溫度采集誤差為 0.41%,可燃危險氣體濃度監測方面，利用電壓每升高 0.1V,實(shí)際 被測氣體的濃度增加 200ppm 的模塊輸出特點(diǎn)也可以很好的監控環(huán)境中氣體濃度的 變化。
設計綜合考慮了各種報警觸發(fā)條件，使得報警器的運用場(chǎng)合得到了很大的擴展， 具備無(wú)線(xiàn)通信功能，安裝快捷方便，配合設計的低功耗電路，可以實(shí)現長(cháng)時(shí)間待機 功能。另外根據具體的需求搭配相應的無(wú)線(xiàn)模塊，實(shí)現不同距離的無(wú)線(xiàn)傳輸。本設 計在多點(diǎn)觸發(fā)，防誤觸發(fā)方面也做了一定的邏輯判斷，防止出現死機現象。針對一 些特殊場(chǎng)合，還需要滿(mǎn)足更加高的測量精度，這就需要傳感器的精度需要達到一定 的要求，另外現實(shí)環(huán)境中，不免會(huì )有各種干擾信號和一些阻擋，影響信號的接收和 發(fā)送，目前本設計在產(chǎn)品功能上基本實(shí)現，之后還會(huì )針對以上問(wèn)題來(lái)進(jìn)行不斷優(yōu)化。
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致謝
隨著(zhù)畢業(yè)將至和畢業(yè)論文撰寫(xiě)完成，我的碩士學(xué)習生涯也隨之告一段落，回首 這兩年多，我經(jīng)歷了生命中最精彩的一段時(shí)光，因為碩士的學(xué)習平臺，我有機會(huì )接 觸到了很多行業(yè)大咖，有機會(huì )出國參加一些國際學(xué)術(shù)會(huì )議，有機會(huì )加入老師的研究 項目去一些更高層次的平臺。這兩年多，是我目前為止學(xué)生生涯中最忙碌的幾年， 但同時(shí)也是收獲最大，成長(cháng)最快的幾年。 這其中，我很感激我的導師蔣文萍老師，從當初的考研復試開(kāi)始，我的技術(shù)基 礎薄弱，卷面成績(jì)也并不突出，但是導師還是很堅定的選擇了我，可以說(shuō)，她的這 個(gè)決定直接改變了我的命運，因此，我倍加珍惜這次來(lái)不不易的學(xué)習機會(huì )，也憧憬 著(zhù)能做到最好，把最好的一面展示給老師。無(wú)論是在我平時(shí)的學(xué)習研究中，或者參 加競賽或者出席各類(lèi)學(xué)術(shù)活動(dòng)，蔣老師總會(huì )把學(xué)生的發(fā)展和需求放在第一位，縱使 自己很忙碌，她都會(huì )停下手上的腳步，優(yōu)先幫我解決遇到的困難。也是她一步一步 的引導我，給我指明前進(jìn)的方向，讓我從當初進(jìn)校時(shí)的默默無(wú)聞，到最后獲得了研 究生國家獎學(xué)金。
其次我想感謝我的兩位師兄桑建和劉永，是他們帶我入門(mén)，在我撰寫(xiě)畢業(yè)論文 完成畢業(yè)設計的過(guò)程中，給了我大量的技術(shù)指導。一直以來(lái)，兩位師兄不僅僅是我 的前輩，也是我最真摯的朋友，學(xué)習上他們毫無(wú)保留，一點(diǎn)一點(diǎn)的指導我，生活上， 他們也對我這個(gè)小師弟百般照顧，讓獨自一人漂泊在外的我感受到了如同兄長(cháng)般的 溫暖。每當我遇到技術(shù)難題，他們都會(huì )主動(dòng)幫助我，很輕易的就發(fā)現了問(wèn)題關(guān)鍵所 在，彈指間便提出了解決方案，在我心里，兩位師兄的技術(shù)能力高度是我可望而不 可即的。最后我要感謝我的一位同學(xué)王丹，從我決定考研開(kāi)始直至最后的畢業(yè)，她始終 都在我的背后鼓勵支持我，給了我很多實(shí)質(zhì)性的建議，可以說(shuō)，沒(méi)有她的幫助與鼓 勵，我也不會(huì )有這么大的動(dòng)力，奮起直追，不斷進(jìn)步，沒(méi)有她的建議與支持，我也 不會(huì )爭取到這么多機會(huì )，接觸到研究領(lǐng)域中的高等學(xué)府，最后能進(jìn)入到一個(gè)理想的 高校。對我來(lái)說(shuō)，她和同濟大學(xué)一樣，是機遇也是挑戰，需要我不斷努力，持之以 恒的同時(shí)，也給我帶來(lái)了無(wú)限的可能，讓我的人生更加精彩，輝煌！
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