基于多传感器信息融合技术的火灾探测报警系统设计研究

基于多传感器信息融合技术的火灾探测报警系统设计研究内容摘要：

国外企业的进入 ,带来的先进产品和技术 ,催化了国内市场的进步和成熟。 但是 专业的生产厂家和产量都不大。 (3)21 世 纪初 ,随着国家开始投入大量资金和研发人员到消防报警产品的研 发中来 ,技术不断进步的同时市场也随之成熟。 据公安部的数据统计 ,我国已有 108 家火灾自动探测报警系统的设备生产商 ,其中虽以中小企业为主 ,但是也出现 [8] 了一批实力相当的合资企业、外资企业和民营企业。 如海湾集团公司是专业从 事火灾报警系统以及消防联动系统产品的生产的企业 ,它是目前国内消防行业昀 大的产品供应商 ,其产品种类齐全 ,技术处于国内领先水平。 国内火灾报警系统中亟待解决的问题 目前 ,在我国的火灾自动报警系统中有诸多问题存在 ,主要有以下几个问题 亟待解决 : 1 火灾自动报警系统中存在着误报、漏报的问题 由于我国火灾探测报警系统中使用的传感器本身存在的缺陷以及探测环境中 各种干扰 ,如气体粉尘和电磁场静电场等因素 ,对火灾探测和判断产生较大的影 [9] 响 ,导致火灾探测和报警系统中经常出现误报和漏报的现象。 2 火灾探测的手段和信号处理算法水平有待提高 火灾信号的探测手段和处理信号的智能算法是火灾探测报警系统的核心部分 , 其水平的高低直接关系到火灾探测报警系统可靠性和及时性 ,越来越受到人们的 关注。 随着火灾探测环境的越来越复杂 ,传 统的火灾探测系统只是采集单一的火 灾参量 ,利用阀值判断和趋势检测算法已经不能适应火灾判断的要求。 因此采用 对多个火灾参量进行智能化的数据融合和判断 ,将大大提高对火灾的辨识能力 , 有效地减少了误报和漏报现象的发生。 3 无线通信技术有待进一步发展 传统的火灾探测器都是通过电缆来实现能量的供给和信号的传输。 施工安装 过程中电缆的铺设成本高 ,并且容易造成对建筑结构的破坏。 同时 ,在一些特殊 的探测环境中 ,如危险化学品泄露检测、建筑工程装修现场以及古建筑等场所 , 有线式的探测器有很多弊端。 然而无线通信技术却可以弥补有线 式探测器的弊端 , 既可以减少导线的铺设成本 ,又可以简化布线网络 ,同时还能够减少对建筑的损 [10] 坏 ,扩大火灾的探测范围。 4 火灾探测的新技术有待进一步推广和应用 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 ? 当前火灾探测技术有两个主要的研究方向 :开发新的传感器技术和研究新的 火灾信号处理算法。 近几年来国内研究的针对大空间早期火灾的光声火灾气体探 测技术、空气采样式激光图像感烟火灾探测技术、光截面图像感烟探测技术、基 于机器视觉技术的火灾空间定位技术 ,以及国外发展的无线探测技术、燃烧声音 探测技术、微薄探测技术等 目前都有待进一步扩大在市场上的应用。 本文主要研究内容及安排 主要研究内容 本课题分析了火灾探测报警系统国内外的发展状况 ,总结了火灾探测报警系 统存在的问题 ,结合目前的发展趋势 ,运用微控制器技术 ,设计了基于多传感器 信息融合技术的火灾探测报警系统。 同时 ,本文研究了基于模糊神经网络的火灾 信号处理系统 ,系统采用了模糊系统和神经网络并联的结合形式 ,对复合火灾信 号进行处理和判断。 本文的主要研究内容 : (1)完成了复合火灾探测报警系统硬件平台的搭建 ,系统采用 STM32 系列微 处理器作为 主控制芯片 ,设计了复合火灾探测节点。 (2)在复合探测节点实现了对多个火灾参量采集以及处理和判断 ,并利用 RS485 总线实现数据及控制信号的传输 ,形成了智能分布式的火灾探测报警系统。 (3)对硬件系统进行了调试和实验。 (4)研究了基于模糊理论和神经网络的智能火灾探测系统 ,对输入的多传感 器信号利用人工智能技术进行融合 ,在分别使用模糊推理系统和神经网络系统并 联判断后 ,昀后用模糊推理进行决策层的 判决 ,从而得到昀终的火灾信号判断结 果 ,利用 MATLAB 进行算法的仿真和实现 ,验证算法的可行性。 本文结构安排 本文共分七章 ,其内容具体安排如下 : 第一章 :绪论 ,首先介绍了本课题的研究背景及意义 ,其次分析了目前国内外 火灾报警系统的研究现状 ,总结了火灾探测报警系统存在的问题以及探测技术的 发展趋势。 昀后陈述了本课题研究的内容及论文章节安排。 第二章 :阐述火灾探测报警系统的设计原则 ,确定了火灾探测报警系统的总体 结构 ,完成了系统主控芯片和传感器的选型。 第三章 :完成了火灾探测报警系统的硬件设计。 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 ? 第四章 :对复合探测节点的火灾智能算法进行了设计 ,完成了复 合探测节点和 火灾报警控制器软件部分的编程 ,实现了复合探测节点和主控制器的通信。 第五章 :对复合火灾探测报警系统进行了调试和实验。 第六章 : 首先介绍了多传感器信息融合的理论基础 ,重点研究了基于模糊神 经网络的火灾信号处理算法。 利用 MATLAB 进行仿真 ,对仿真结果进行了分析 ,并 验证了算法的可行性。 第七章 :总结了本文所做的工作 ,提出了进一步工作展望。 本章小结 本章首先通过阅读和整理相关的文献资料 ,详细介绍了火灾探测报警的研究 背景及意义 ,然后总结了火灾探测报警系统目前在国内外的发展现状 以及亟待解 决的问题 ,昀后叙述了本文的研究内容和结构安排。 5 西安建筑科技大学硕士学位论文 ? 2 火灾探测报警系统的总体设计 系统设计原则 (1)多传感器复合探测技术 一般将火灾过程分为早期 ,阴燃、火焰放热和衰减四个阶段。 火灾早期释放 的多是燃烧气体 ,烟雾、火焰和热量都较少 ,阴燃阶段则产生大量的可见或不可 见的烟雾 ,火焰和热量不多 ,而火焰放热阶段则向外辐射热量 ,环境温度迅速上 升。 火灾信号包括许多特征参数 ,每个参量都或多或少地表示了火灾发生的概率。 从理论上讲 ,系统采用的火灾参量越多 ,系统智 能化水平越高 ,误报率、漏报率 [11] 将会越低。 因此 ,本文选择烟雾浓度、温度、 CO 浓度作为火灾参量进行复合探 测。 (2)分布式的火灾报警系统 早期的系统多采用集中控制方式 ,探测器只是一个纯粹的传感器 ,它随时将 采集到的信号传递给控制器 ,由控制器对这些信号进行处理和判断。 这样系统成 本低、信号处理算法简单 ,但是当系统规模过大时 ,会产生控制器负担过大、响 应速度慢、系统可靠性降低等问题。 为了克服这些缺点 ,逐渐采用分布式控制方 式代替集中式控制方式。 本文的火灾探测报警系统采用分布智能式控制方式。 (3)火灾信号的算法智能化对于不同燃烧物质和探测环境 ,传感器所采集到的动态特征参数值差异很大。 在火灾的探测中 ,传统的阀值法已经不能适应于复杂的火灾信号处理 ,尤其是在 报警延迟时间和报警阀值的设定上过于单一化。 因此 ,将智能化算法应用于火灾 探测系统 ,将对提高火灾探测的可靠性以及降低火灾报警系统的误报、漏报率具 [12] 有重要的积极作用。 系统总体结构设计 本文研究的火灾探测报警系统 ,由 STM32 作为处理器 ,分别设计了火灾报警 控制器和复合火灾探测器 ,形成分布式智能单元 ,由复合探测单元完成火灾信息 采集和处理 ,减轻控制器的负担 ,通过 RS485 总线的方式传输给火灾报警控制器 ,[13] 由火灾报警控制器进行火灾数据的存储和显示。 根据各模块需要完成的功能 , 设计系统的整体结构框图如图 所示。 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 ? 图 复合火灾探测报警系统结构图 ? 复合探测节点如图 所示。 由 STM32(MCU)、 、 RS485 通信模块、 JTAG 接口模块、温度传感器、烟雾传感器、 CO 传感器等组成。 主要功能 :通过三种传感器采集现场的环境信号 ,监测现场的火灾情况 , 对采集 的数据信息进行处理 , 若发生火灾则启动报警装置 ,同时利用 RS485 总线向火灾 报警控制器发送火警信息 ,若无火灾 , 则定时向火灾报警控制器发送验证信号供 火灾报警控制器处理。 火灾报警控制器如图 所示。 由 STM32(MCU)、 、 RS485 通信模块、串口电路模块、 SD 卡存储模块、 LCD 显示模块、按键等组成。 主要功能 : 负责接收复合探测节点的信息并存储 , 通过时钟芯片记录火 灾的时间 以备事后查询 ,利用 SD 卡存储历史信息 ,在液晶屏上实时显示相关检测信息 ,在 检测到报警信息时能够启动报警并开启执行装置 , 同时能定时检测各复合探测节 点 , 判定其是否正常工作。 ? 图 复合火灾探测节点图 火灾报警控制器 系统的主要器件选型 微控制器的选型 微控制器是系统的核心部分 ,系统数据的采。