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ID:309515 · 發表于 2018-4-16 21:06

基于單片機的火災報警系統的設計文獻綜述
火災報警系統的檢測技術

摘要：火災報警器是當前社會經濟生產生活中較為常用的火災預警裝置，對國民經濟及人員生命財產安全起到了重要的保障作用。隨著現代科學技術快速發展，智能控制芯片的應用使得火災報警器反應靈敏度大幅提升，對早期火情發現與控制起到了重要的推動作用。火災的及時報警能夠減少人員的傷亡和財物的損失，在現在社會變得尤為重要。火災報警系統發展過程中的主要關鍵技術有：感煙探測技術、感溫探測技術、火焰探測技術和氣體探測技術等。
關鍵詞：火災報警系統；感煙探測技術；感溫探測技術
1前言
隨著信息化的發展與信息技術因公范圍的不斷擴大，結合火災預防與預警的電子系統也在不斷的展開深入研究，更向著自動化與智能化的趨勢所發展，對家庭式的智能火災報警系統的主要以傳感器、顯示模塊、報警模塊及軟件系統組成，硬件的選取和軟件的完成也就成為了我們研究的主要內容。火災報警系統要求能夠在火災初期，對燃燒產生的煙霧熱量和光輻射等物理量進行檢測，通過光電、煙霧和溫度等傳感器變換成電信號，傳輸給火災報警控制系統，根據實際情況對發生的火災及時報警。因此，設計并實現性價比高的火災報警系統有著非常大的應用前景。
2火災報警系統的發展歷程及其現狀
2.1火災報警系統的發展歷程
從遠古時期,人類從雷火中取得火種到現代高新技術的大力運用，火在人類發展史中占據著無比重要的地位。火災是指在時間和空間上失去控制的燃燒所造成的災害，引起這些災害的原因卻是多樣的。起火原因揭示火災是怎么發生的，火災成因解決火災是如何發展蔓延成災這個問題的。火災必須是發生在燃燒的情況下的，而燃燒有三要素可燃物、助燃物、溫度。對不同的火災可以有不同的滅火方法，但總體來說，滅火的主要措施就是：控制可燃物、減少氧氣、降低溫度，化學抑制。近年來，火災發生率及死亡人數呈現出顯著上升態勢，據我國國家安全部門統計，2013年，由火災直接導致人員傷亡的人數高達266人，同比增長3.2%，對社會公共秩序及人員生命財產安全造成了嚴重威脅。在此背景下，火災報警系統也就發揮重要作用了。
火災報警系統是由觸發裝置、火災報警裝置、火災警報裝置以及具有其它輔助功能裝置組成的，它具有能在火災初期，將燃燒產生的煙霧、熱量、火焰等物理量，通過火災探測器變成電信號，傳輸到火災報警控制器，并同時顯示出火災發生的部位、時間等，使人們能夠及時發現火災，并及時采取有效措施，撲滅初期火災，最大限度的減少因火災造成的生命和財產的損失。
目前，隨著集成制造技術的發展，單片機[1]的功能越來越強大，功耗低，體積小，價格低使得其得到了廣泛地應用。現代社會的建筑規模越來越大、人員密集度高和眾多的設備都對防火提出了嚴格的要求。為了及時發現并迅速火災報警，防止和減少火災危害，火災報警系統已成為必不可少的設施。
2.2 現有火災報警系統面臨的挑戰
目前，傳統意義上的火災報警系統已經不能適應現代建筑，急需一種能夠及時、迅速檢測火災的新型裝置[2]。隨著科技的不斷發展，人們將電子技術、通信技術、計算機技術、傳感器及檢測技術、自動控制技術等各方面技術應用到火災報警系統中，研制了各種智能火災報警系統。但是，國內的智能火災報警系統存在一些問題[3]。總體來看，火災報警系統在當前及未來發展中主要面臨以下6個方面的挑戰。
（1）適用范圍過小。我國火災報警系統在易造成群死群傷的中小型公眾聚集場所和社區居民家庭甚至部分高層住宅都沒有規定安裝火災報警系統，適用范圍過小。
  （2）智能化程度低。我國使用的火災探測器雖然都進行了智能化設計，但由于傳感器件探測的參數較少、支持系統的軟件開發不成熟、各種算法的準確性缺乏足夠驗證等，火災報警系統造成的遲報、誤報、漏報情況較多。
  （3）網絡化程度低。我國應用的火災報警系統形式基本上以區域火災報警系統、集中火災報警系統和控制中心火災報警系統為主，安裝形式主要是集散控制方式，自成體系，自我封閉，尚未形成區域性網絡化火災報警系統。
  （4）組件連接方式有待改善。火災報警系統以多線制和總線制連接方式為主，探測器和報警器及控制器之間是采用兩條或多條的銅芯絕緣導線或銅芯電纜穿管相接，存在耗材多、成本高、抗干擾能力差的缺點。
  （5）火災報警系統誤報、漏報問題較多。由于火災探測器的安裝環境極其復雜，加之各種傳感器在探測火災方面存在著某些先天不足，對火災發生過程中所產生的不同粒徑和顏色的煙存在探測“盲區”，誤報、漏報現象時有發生。
2.3.火災報警系統今后的發展方向
火災報警系統應用技術應進一步著眼于當前國際發展的新形勢，加快更新改造進程，加強對數字技術和新工藝、新材料的應用，使火災報警系統應用技術向著高可靠、低誤報、智能化方向發展[4]。當前，火災報警系統的發展趨勢主要表現為六個方面。
（1）網絡化。火災報警系統網絡化是用計算機技術將控制器之間、探測器之間、系統內部、各個系統之間以及城市“ll9”報警中心等進行相互連接，實現遠程數據調用，對火災報警系統實行網絡監控管理，從而彌補部分火災報警系統擅自停用的不足。
（2）智能化。火災自動報警系統智能化是使探測系統能模仿人的思維，主動采集環境溫度、濕度、灰塵、光波等數據模擬量并充分采用模糊邏輯和人工神經網絡技術等進行計算處理從而準確地預報和探測火災，避免誤報和漏報現象。
（3）小型化。火災報警系統的小型化是指探測部分或者說網絡中的“子系統”小型化。如果火災報警系統實現小型化，依靠網絡中的設備、服務資源進行判斷、控制、報警，這樣火災自動報警系統安裝、使用、管理就變得簡潔、省錢、方便。
（4）社區化。隨著我國經濟的不斷發展、人們安全意識的增強、火災報警系統的進一步完善以及智能化程度的提高，在社區家庭特別是高級住宅積極推廣應用防盜、防火聯動報警裝置或獨立式感煙探測器，對干預防居民家庭火災是非常必要和行之有效的措施。
（5）藍牙技術無線化。與有線火災報警系統相比，藍牙技術[5]無線火災報警系統具有施工簡單、安裝容易、組網方便、調試省時省力等特點，而且對建筑結構損壞小，便于與原有系統集成且容易擴展，系統設計簡單且可完全尋址，便于網絡化設計。
（6）高靈敏化。針對當前火災報警系統存在的通訊協議不一致，系統誤報、漏報頻繁，智能化程度低網絡化程度低、特殊惡劣環境的火災探測報警抗干擾等問題較為突出的現象，通過對新技術、新工藝、新材料和新設備的應用研究，對系統方案、設備選型的優化組合，向著高可靠性、高靈敏性、低誤報率、系統網絡化、技術智能化方向發展，從而更好保護國家和人民的生命財產安全，這是火災報警技術的研究發展趨勢。
3火災報警系統發展過程中的檢測技術
火災報警系統按基本形式可分為區域報警系統、集中報警系統、控制中心報警系統。從發展來看,系統可分為傳統火災報警系統與現代火災報警系統,現代火災報警系統又可分為可尋址開關量報替系統、模擬量探測報警系統以及多功能火災智能報警系統。火災報警系統技術的核心是火災信號探測技術。以下是火災報警系統的幾種探測技術。
3.1感煙探測技術
感煙探測器[6]是使用最廣泛的一種探測器，據統計各種感煙探測器在國外市場上的銷售和使用量約占火災探測器總量的70%～ 80%。其中主要是單一火災探測原理的點型離子感煙和光電感煙探測器,且光電感煙探測器的用量越來越大于離子感煙探測器。有數字說,在日本離子感煙探測器只占市場份額的 3%弱, 光電感煙則占97%以上,成為主導產品,這主要是出于環保的原因,離子感煙的原料镅-241 等,屬于放射性元素。因此在國際市場上離子感煙探測器正在逐步縮小份額,預計會退出市場, 而由光電及其它新型探測器的出現來取代。
3.2感溫探測技術
近些年, 感溫技術在探測原理、方式上沒有大的突破,出現的新技術是線型感溫探測技術,歐洲已經出現了對可選擇的探測熱源精度在1米之內的新一代感溫電纜。線型感溫探測器[7]在我國已能生產并投入應用,主要適宜于電纜管井、配電裝置、貨架倉庫、管道線棧、冷藏及市政設施、橋梁、港口等。光纖溫度探測系統也已進入我國市場,并在揚子、長江三峽等大型項目中得到應用,但尚無自己的產品。
3.3火焰探測技術
火焰自動探測技術主要是用于工業、國防等領域的防火、防爆上。國外新出現的體型火焰探測技術,是該領域的一大突破。它是采用紅外攝像監視燃燒的煙、溫、氣體和火焰在空間的分布。美國將其稱為機械圖像探測技術。它優越于點型和線型火災探測技術,是最為直觀、確切的,可廣泛用于火焰監視、火災探測上,必將成為今后發展的重點。
3.4氣體探測技術
對于物質燃燒初期產生的煙、氣體或易燃易爆場所泄漏的可燃氣體的探測，可使我們及時發現或預防火災和爆炸的發生。國際上以CO 探測技術發展最快。理論上認為,火災中的燃燒,不論是多么充分的燃燒,都會產生CO ,因此,CO 探測也是火災探測的一個途徑[8]。
目前常用的CO 探測方法有四種:比色分析法、半導體法、電化學法和吸光法。國外由于家庭市場的發展比較快,因此以家用為主的電池電源的比色分析法CO探測器和采用干線電源的半導體CO 探測器銷量很大,占主導。目前此類產品需解決的主要問題是降低成本、延長壽命,以促進其普及。
4火災報警檢測技術的發展方向
4.1感煙探測技術的發展方向
感煙探測的物質燃燒種類寬廣，如電線、電纜、橡膠、家具等大量燃燒初期產生可見或不可見大粒子煙的可燃物，特別適用于探測燃燒緩慢和陰燃火。由于現代社會中的編織品、家具和建筑產品等使用受火燒時會產生大粒子黑煙的阻燃材料的增多，它的適用范圍也在不斷擴大。
其次，它具有誤報率低、靈敏度穩定性好的突出優點，即它受現今建筑中出現的一系列范圍寬廣的物理和氣候變化的影響和干擾小，特別適用于救生疏散路線。
4.2感溫探測技術的發展方向
線式感溫探測技術的發展進一步開拓了溫度監控與火災探測技術的應用領域，也為人身和社會財產安全增加了一道強有力的防線。
隨著社會與科學技術的發展，線式感溫探測技術也在朝著有利于人類的方向發展。隨著微處理器、集成電路技術和信息技術的發展和完善，線式感溫探測技術中慢慢開始引入物聯網技術，報警系統也變得更加智能化。
探測器由傳統的開關量式變為模擬量式，體積更加小巧輕便，信號處理方式也日趨智能化，系統控制可以采用自動控制方式，未來也將實現信號接受和發送無線化。可靠性是火災報警系統的一個重要特征之一，隨著信號處理技術的提升，系統算法也變得更加復雜，多參量多判據也能夠很好的保證傳感器報警的可靠性，同時，引入復合探測技術也會提高感溫探測的效率。
4.3氣體探測技術的發展方向
氣體探測報警技術是紅外吸收光譜分析技術在可燃氣體探測領域的具體應用，紅外吸收光譜分析技術的發展將為氣體探測報警技術提供更好的設計思路及更大的發展空間。隨著計算機技術及紅外技術的飛速發展，近年來近紅外光譜分析技術在工業領域已被廣泛應用。氣體近紅外區吸收圖譜的分析應用，將解決氣體探測器3 ~ 5 μm 波段探測過程中，紅外發光器件的選擇及光路傳輸等技術難題，為提高探測器的探測性能提供必要的改進條件。
氣體探測器的探測模式、探測效率及工程適用性方面具有十分明顯的優勢，但由于產品的構成形式及器件選擇等方面的因素，目前氣體探測器產品的售價均在幾萬元甚至十幾萬元之間。高昂的價格成為該類產品擴大市場份額的瓶頸，雖然用戶認可線型可燃氣體探測器產品的探測性能，但往往由于價格因素望而卻步。因此，降低產品的生產成本將是線型可燃氣體探測器產品發展的必然趨勢。
5總結
火災報警系統以其方便，實用的特點以及在火災預警方面的突出作用而受到廣泛使用，其涉及的探測技術也在進一步的完善、發展和改進當中，對人類生活的人身和財產安全有很大的保障。但目前國內廠家多偏重用于大型倉庫、商場、高級寫字樓、賓館等場所大型火災報警系統的研發，他們采用集中區域報警控制方式，其系統復雜、成本較高。而在居民住宅區、機房、辦公室等小型防火單位，需要設置一種單一或區域聯網、廉價實用的火災報警裝置，因此，研制一種結構簡單、價格低廉的火災報警系統裝置是非常必要的。

參考文獻
[1]謝維成,楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計（第3版）[M].北京:清華大學出版社,2014:280-301．
[2]王棣善.基于B/S架構的設備全生命周期管理系統的設計與實現[D].天津大學，2013.
[3] SHEN Li-min,LIU Dong-xiang. Design of Smart Home Control System Based on GSM Networks [J]. Sensor World,2011,17(1) :32-36.
[4]張伯威.新型火災報警控制系統的設計與實現[D].廣東工業大學，2011.
[5]李卓.藍牙技術在火災報警系統中的應用探討.
[6]李景民.基于單片機火災自動報警系統設計[J].中國高新技術企業，2011.
[7] ZHANG Feng,CHEN Guangwu. Design of Senor Node Network Based on FlexRayBus[J]. New Industrialization Straregy,2013,3(12):69-76.
[8]錢愛玲.傳感器原理與檢測技術[M]．北京:機械工業出版社,2014．
[9]溫譯斌. 國內外火災自動報警技術的發展及前景[J].消防技術與產品信息，2012，12(20):52-53.
[10]苗強,張鵬,湯小松.基于PIC16F87X單片機的火災報警系統設計[J].世界電子元器件,2007,12(44)：101-107.
[11]李海娜,基于單片機的火災報警系統的設計[J].電子世界,2014.
[12]陳輝,基于單片機的火災自動報警系統的設計[J].科技風,2013.