基于多传感器的智能火灾报警器的设计

4 8 E IC Vo .l 16 2009 No. 4
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仪器仪表用户
□科研设计成果 □
能简化电路 。 系统在上电以后 ,首先是对多个传感器传出的模拟信号
进行 AD转换 ,然后采用神经网络的方法对信号进行处理 。具 体的流程图如图 4。
张红兰 , 李 扬
(广东工业大学 信息工程学院 , 广州 510006)
摘要 : 同时采用烟雾传感器 , 温度传感器和火焰传感器来探测火灾现 场 ,使用神经网络对多个传感器探测到的数据进行处理和识别 。仿真 结果表明 ,该多传感器的智能火灾报警器能够比较准确的识别火灾信 号 ,准确性较高 ,误报率较低 。 关键词 : 多传感器 ; 火灾探测 ; 神经网络 中图分类号 : TP373 文献标识码 : A
在物资的燃烧过程中 ,会产生大量的烟雾 ,本次设计采用 是离子式烟雾传感器 N IS - 05A。这种烟雾传感器具有极小的 电池功耗 ,结构简单 ,比光电式烟雾传感器更便宜 ,更耐用 ,输 出不依赖于烟雾的颜色 ,放射能很小 。该传感器的检测电路如 图 1所示 。当烟雾进入传感器内室的时候 ,烟尘粒子就会被压 制成阴阳双粒子 ,从而上层室的电离电流就会减弱 ,最终导致 对烟尘密度的输入电压比例降低 。这种传感器在空气中的输 出为 5V 左右 ,烟雾敏感度在 1. 2V 左右 ,所以基本不需要外接 放大电路 ,这样就简化了电路 。
图 3 BP神经网络结构
2 系统的软件设计
本次实验采用的是 ATM EL 公司 ATmega16L 单片机来进 行信号的处理 。选用该单片机作为信号处理的一个重要原因 是该单片机内部带有 8 路 12 位转换精度的 AD 转换 ,使用片 内 AD转换能够提高系统的转换速度和抗干扰能力 ,此外 ,还 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息
的传感器大多为单一形式的传感器 ,所以误报率较高 。本次设 计采用多种传感器 ,并使用神经网络的方法对传感器探测的 信息进行处理 ,从而大大减少了报警器的误报率 。
1 系统硬件的组成
本次设计的硬件包括温度传感器模块 ,烟雾传感器模块 , 火焰传感器模块和智能处理模块 。 1. 1 温度传感器模块
物质在燃烧过程中会释放出大量的热量 ,从而使环境温 度升高 。本次设计采用 DALLAS公司生产的单线数字温度传 感器 DS18B20做感温模块 ,它具有经济性好 、抗干扰能力强和 使用方便 ,测温范围宽 ,精度高等优点 ,而且它是数字式温度 值 ,可以直接读取数值不需要再进行 AD 转换 ,这样就大大简 化了外接电路 。 1. 2 烟雾传感器模块
图 2 热释电红外传感器接口电路 1. 4 神经网络部分
在人工神经网络的实际应用当中 ,绝大部分的神经网络 模型是采用 BP网络和它的变化形式 ,她也是前向网络的核心 部分 ,体现了人工神经网络最精华的部分 [3 ] 。本系统中使用 了 BP网络作为系统的处理核心 ,这也是本次设计中的核心部 分 。将经过处理以后的传感器信号输入神经网络之中 ,神经 网络根据事先学习好的参数来判断是否有火灾发生 ,从而决 定是否报警 。本次设计采用标准的三层 BP神经网络 ,输入层的 神经元为三个 ,分别是温度信号 ,烟雾信号和火焰信号 ,输出层的 神经元为三个 ,分别是无火输出 ,明火输出和暗火输出 ,如图 3 所示 。
务 ( GPRS) 技术与应用. [M ]北京 : 人民邮电出版社 , 2004: 105 ～130. [ 6 ] 范成军 ,杨德芳 ,吴杰 ,董兴欣. 基于 GPRS的电能表的设计与 实现 [ J ]. 仪表技术 , 2005, (6) : 21～23. [ 7 ] 吕捷. GPRS技术 [M ]. 北京 : 北京邮电大学出版社 , 2001: 132 ～151. [ 8 ] OL IVER T. W. YU. End2to2End Adap tive QoS Provisioning over
作者简介 :苏培力 ,男 ,河北省栾城县供电公司 ,华中科技大学硕士研究 生 ,研究方向 :信息与控制 。 收稿日期 : 2009 - 02 - 17 ( 9045)
doi: 10. 3969 / j. issn. 1671 - 1041. 2009. 04. 028
基于多传感器的智能火灾报警器的设计
DELAY (100) ;
return (online) ; 2. 2 信号处理
首先读取温度信号和采集离子式烟雾传感器信号 。在明 火情况下 ,温度会有大幅度的升高 ,在暗火的情况下 ,烟雾传感 器的信号会有较大的变化 ,将读取到的温度信号和烟雾信号 经神经网路处理后 ,判断当前是否能够确定火灾的发生 ,如果 能确定则输出火警信号 ,如果不能则进一步关注温度和烟雾 信号的变化 ,并且采集火焰传感器信号 ,将 3种信号输入神经 网络再进行判断 。
5)自动抄表功能 :按照设置的抄表开始时间和抄表间隔 ,到 预定的抄表时刻 ,系统便会依次拨号去抄采集器或电表内的数据 ;
6)设备管理功能 : 如告警 : 开箱告警 、停电告警 、逆相告 警 、超温告警 、过载告警 、倾斜或移动报警等 ;控制 :对欠费用户 进行拉闸等 ;
7)用户界面清晰美观 ,操作简单 ,具有完善的在线帮助功 能 :对数据进行统计 ,分析 ,绘制负荷曲线 ,作平衡分析 ,具有与 银行 ,客服中心的联网功能 。
□科研设ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ成果 □
有以下功能与特点 : 1)安全可靠 :安全性由三方面构成 : a. SQL 数据库是大型的 、多用户的数据库 ,它的安全性高 ; b. 系统对用户实现分级授权管理功能 ; c. 防火墙功能及完善的数据备份功能 ,防备系统受到人为
的恶意攻击 。 2)完善的系统日志 : 系统日志记录了进入系统 ,离开系
图 4 系统流程图 2. 1 数据获取
AVR单片机 I/O 口的 A 口可以作为通用输入输出端口 , 也可以用作 AD转换的输入口 ,本次设计就使用的是 A口作为 AD转换的输入口的功能 ,在进行 AD 转换之前要对 A 口进行 设置 。分别选用 PA0, PA1作为烟雾信号和火焰信号的 AD 转 换口 。烟雾信号的 AD转换设置程序如下 :
PORTA =OXOO; DDRA = 0XOO; / /设置 PA 口位输入 ,无上拉 ADCSR = 0XAD; / /ADC位自由模式且 32分频 ADMUX = 0X00; / /选择 0 通道作为烟雾信号的 AD 转换 通道 ADCSR = 0XED; / /开启 AD 转换 火焰信号的 AD转换设置程序与烟雾信号的设置相似 。 选 用 PA2 作 为 DS18B20 温 度 传 感 器 的 接 口 。完 成 DS18B20温度转换必须要经过 4 个步骤 :复位初始化 ,发送一 条 ROM 指令 ,发送一条存储器指令 ,数据通信。在进行编写程序 时 ,必须要保证严格的时序。温度传感器的复位子程序如下 :
uchar online; PORTA& = ～B IT ( PA2) ; / /拉低数据线 DELAY (480) ; / /延时 480us PORTA | =B IT ( PA2) ; / /释放数据线 DELAY (30) ; / /等待响应 online =DDRA&0X04; / /读取响应
电子工业出版社 , 2003. [ 3 ] 任哲等. 嵌入式操作系统基础 μC /OS - II和 L inux [M ]. 北
京 :北京航空航天大学出版社 , 2006. [ 4 ] 沈文等. AVR单片机 C语言开发应用实例 - - - TCP / IP篇
[M ]. 清华大学出版社 , 2005. [ 5 ] (美 ) R. J. (Bud) Bates著 ,朱洪波 [等 ]译. 通用分组无线业
4 结论
远程无线自动抄表系统利用 GPRS通信技术 ,实现了多表
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数据抄收的功能 ,解决了实时性 、抄收成本及通信距离等间 题 ,本系统已运用于现场 。 □
参考文献
[ 1 ] 蒋俊峰. 自动抄表技术研究 [ J ] , 电测与仪表 , 2003, (10) [ 2 ] 胡大可等. 基于单片机 8051 的嵌入式开发指南 [M ]. 北京 :
图 1 离子式烟雾传感器检测电路 1. 3 火焰传感器模块
火焰是物质着火产生灼热气体而发出的光 ,是一种辐射 能量 ,物质从燃烧开始到发光 ,是物质的全燃烧阶段 。在这个 阶段中 ,火焰的光谱从紫外 、可见光到红外都有能量辐射 ,但 在红外波段内的 4. 35μm 附近有一个峰值 ,同时由于此波长的 太阳辐射因大气的吸收作用而强烈衰减 ,因此该波段是用于 火焰探测的重要波段 。本次设计采用的是一种红外热释电传 感器 ,这种传感器一般是用于人体探测器的 ,能探测的波长为 5～14μm ,虽然不是专门用于火焰探测 ,但它也能感应火焰的 部分光谱 ,而且在价格上比专门的火焰探测器要便宜得多 ,比 较经济实用 [2 ] 。由于热释电红外传感器的输出信号十分微 弱 ,因此在进行信号的处理之前要介入前置放大电路 ,又由于 火焰的闪烁信号频率为低频信号 ,传感器的输出信号也以该 频率变化 ,因此将放大器接成低通形式 ,具体的接口电路如图 2所示 。
3 结论
将经过训练后的隐层权值和输出层权值编入软件之中 并植入单片机之中 ,通过三种传感器的有机结合以及神经网 络算法 ,就可以实现多传感器火灾探测器的智能化 。经过训 练后的火灾探测系统具有较高的火灾识别能力 ,火灾报警系 统报警的准确率较高 ,误报率较低 ,达到了预期的目的 。
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统 ,收费 ,设置硬件 ,改变运行参数操作等及操作者 ,操作时间 , 凡是改变数据库的操作都被记录下来 ;
3)抄表速度快 :抄表快 、数据准确 ,抄表时 PC机只读采集 器的数据 ,保证了传输的准确性 ;
4)广播对时功能 :该功能可使系统中的所有电能表的时 间基准与 PC机保持一致 。只要保证在对时时刻 , PC机的时间 是正确的 ;
D esign of in tellitive f ire a larm ba sed on m ulti2sen sor
ZHANG Hong2lan, L IYang
( Guangdong Un iversity of Technology Guangzhou 510006, Ch ina)
Ab s tra c t: Sm o ke se n so r, tem p re tu re se n so r a nd flam e se n so r a re com b ine d a s a w ho le to de te c t the co nd itio n. The da ta , a cqu ire d by the m u lti2se n so r, is p ro ce s se d a nd a na lyse d by the ne u ra l ne two rk. It is p ro ve d tha t th is in te llitive fire a la rm ca n ide n tify fire com p a re tive w e ll a nd tru ly. It ha s re la tive ly h igh ra te o f true a la rm a nd low ra te o f fa lse a la rm.
Ke y wo rd s: m u lti2se n so r; fire de te c t; ne u ra l ne two rk
0 引言
火灾是危害人类生命 ,财产灾害中最常见的一种 。燃烧 是一种伴随有热和光的化学反应 ,物质在燃烧过程中一般会 出现火焰 、烟雾 、热等物理现象 ,人们已经根据火灾发生时所 产生的这些现象研制出了各种探测器 。但是由于火灾报警器