多传感器系统在火灾中的应用

天津大学TianjinUniversity多传感器系统在火灾预警中的应用机械工程2017级硕士机制二班郭志成汇报人：王国锋老师：2017年12月12日目录•选题背景1•传感器的选取2•各种传感器的分类及原理3•系统功能的实现4•参考文献5选题背景——选题的背景1各种火灾必然产生大量烟雾，在烟雾成分中，CO,CO2,烟雾浓度异常增大、湿度异常增大、温度异常增高，这是必然会出现火灾的特征。火灾现场1.选题背景及意义火灾是最经常和普遍的威胁社会安全和发展的重要灾害。1.选题背景及意义目前市场上使用的火灾报警系统可以分成两类：传统火灾报警系统和现代火灾报警系统。从检测原理分析，传统的火灾报警系统一般采用单一的感温或感烟方式。但是，火灾的发生是一个伴随着大量物理、化学反应的非线性动力学过程。单一的传感器仅仅探测火灾的一种特征，并没有考虑环境状况变化的多个因素。当报警阈值设置过低时，则会在烹饪烟雾等干扰下产生误报警;如果报警阈值设置过高，则会在有真正的火灾危险时不能报警。现代火灾报警系统具有一定的智能化，将温感和烟感结合，可以进行联网控制，具有自动和手动操作功能。火灾报警系统传感器的选择——火灾发生的特点2——依据特点选择传感器1.火灾发生的特点热解过程：当温度经过一段时间上升到热解温度，此后材料表面处于不完全燃烧状态，产生不可见的燃烧生成物，如CO。发烟过程：热量进一步聚集，材料局部就会发生完全燃烧，释放出更多的气体，C02开始产生，同时伴随大量的含水蒸气的烟雾。火焰扩散：材料温度的不断上升，可燃气体的大量释放，开始出现了火焰。衰减：可燃物燃烧结束后。温度开始下降，烟雾也减少。全燃：产生大量的热量、火焰、浓烟，CO和C02浓度继续增加。吸热过程：材料从外界吸取热量。2.依据火灾特点选传感器1234CO浓度异常增大一氧化碳浓度传感器烟雾浓度传感器烟雾浓度异常增大二氧化碳浓度传感器CO2浓度异常增大温度湿度异常增大温湿度传感器各种传感器的分类及原理——传感器的分类3——传感器的原理（信号转化和信号处理）1.CO浓度传感器当一氧化碳扩散到气体传感器时，其输出端产生电流输出，提供给报警器中的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用。当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电流也随之成正比变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电等检测与报警功能。基本原理CO浓度传感器1.选题背景及意义1.CO浓度传感器当一氧化碳气体通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。其化学反应式为：在工作电极上发生氧化反应产生的离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应。其化学反应式为：因此，传感器内部就发生了氧化-还原的可逆反应。其化学反应式为：这个氧化-还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差。当气体传感器产生输出电流时，其大小与气体的浓度成正比。通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小，便可检测出一氧化碳的浓度。信号转化的原理1.选题背景及意义1.CO浓度传感器一氧化碳CO传感器的输出脚输出的是电流信号，需要先经过一级放大器进行电流到电压的转换，同时加土偏置电压进行跟随，这样信号才能变成单片机可以AD采集的电压信号，但是此时的输出电压如果直接进行AD转换的话，因为其波动幅度太小，不能被准确的被分辨开，为了采集的准确性，该电压需要进入二级放大器进行再次放大，这样就得到单片机可以进行准确分辨的AD转换电压信号，同时需要注意进行信号保护及滤波，这样信号接到单片机的AD转换IO口，就可以实现一氧化碳的采集了。信号处理的方式2.CO2浓度传感器132固体电解质CO2气体传感器电容式CO2传感器红外吸收型CO2传感器常用CO2浓度传感器有以下三种，具体介绍新型的红外吸收型CO2传感器。2.CO2浓度传感器红外吸收CO2传感器是利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，吸收强度与气体浓度有关的事实来检测CO2浓度的。如果气体吸收谱线在入射光谱范围内，那么红外辐射透过被测气体后在相应谱线处发生能量的衰减，未被吸收的辐射被探头测出，通过测量该谱线处能量的衰减量来得知被测气体浓度。实际上，构成分子的原子之间距离是变化的。由于热运动的影响，原子之间会发生振动现象。分子在发生振动时能级的跃迁需要一定的能量，这个能量通常由辐射体系的红外光提供。分子在振动过程中必须有瞬间偶极矩的改变，才能在红外光谱中出现相对应的吸收光谱。基本原理红外吸收型CO2浓度传感器1.选题背景及意义2.CO2浓度传感器单片机控制光源驱动电路产生脉冲调制信号，利用脉冲调制信号驱动红外发光管发射红外光，CO2红外传感器将检测到红外光强度转换成相应的电信号，然后经过放大、滤波处理，输入到单片机，经过内部AD转换器后，得到相应的数字量，通过液晶显示单元显示CO2气体的浓度值以及需要的参数值，DA转换电路将数字量转变成0-1V的模拟电压。信号处理的方式3.烟雾浓度传感器在探测器的电离室内放粒子放射源，其不断地持续放射出粒子射线，以高速运动撞击空气中的氮、氧等分子。在粒子的轰击下引起电离，产生大量的带正负电荷的离子，从而使得原来不导电的空气具有导电性。当在电离室两端加上一定的电压后，使得空气中的正负离子向相反的电极移动，形成电离电流。具体电流的大小与电离室本身的几何形状、放射源活度、粒子能量、电极电压的大小及空气的密度、温度、湿度和气流速度等因素有关。当烟雾粒子进入电离室后，由于气熔胶吸附大量的正负离子，使其中和。烟雾越浓，导致离子复合几率加快，从而使空气中电离电流迅速下降，电离室阻抗增加，因此根据R值变化可以感受到烟雾浓度的变化，从而实现对火灾的探测。信号转化原理烟雾浓度传感器1.选题背景及意义2.烟雾浓度传感器首先要经过一级运算放大电路。然后将输出电压接到单片机的AD口进行转换采集。信号处理的方式4.温湿度传感模块温湿度传感器由温度传感器和湿度传感器组成。（1）热电偶温度传感器两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端，则回路中就有电流产生，即回路中存在的电动势，称为热电动势。（2）湿度传感器湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。信号转化原理温湿度传感器1.选题背景及意义4.温湿度传感模块湿度采集可以直接把输出接到单片机定时器IO接口，在定时器初始化时设置为计数模式就可以了。通过计数模式得到的每秒的脉冲计数次数，就是温湿度传感器输出的频率来求湿度。下图所示为湿度与频率的关系图，湿度越高，频率越低。信号处理的方式系统功能的实现41.选题背景及意义系统功能的实现经过归纳，有三种数据采集需要用到AD转换，即一氧化碳、烟雾浓度、温度，虽然本单片机有至少8个AD采集IO口，但是每次ADC中断只能采集一种数据，所以对于这三种参数，为了及时得到数据，软件设计每10ms进行一次ADC启动，三种参数轮询交替采集。这样采集的数据既稳定，又及时，满足了系统设计的要求。与此同时其他三组数据，湿度是采用定时器计数模式，因此它可以每100ms得出一次数据;二氧化碳是通过串口发送指令得到二氧化碳浓度，它也可以每100ms执行一次。工作流程参考文献5参考文献[1]李宏文，张向阳.建筑物火灾监控系统的智能化发展.工程设计CAD与智能建筑，2002,2:21-23.[2]刘浩东.浅谈电气火灾监控系统的施工技术[[J].城市建设理论研究(电子版)，2013(3).[3]武玉泽，杨兴荣.论火灾报警控制系统的技术发展.消防技术与产品信息，2004(1):16-19.[4]黄海龙.(2008).火灾监控系统在智能建筑中的应用分析.科技致富向导，14,087.[5]姜岩蕾。多传感器信息融合火灾探测器及算法研究[n].焦作:河南理工大学，2005.[6]韩敬.(2002).火灾报警系统及发展.山西建筑，28(7),85-86.[7]王军，马青波，隋虎林，等.火灾自动报警监控联网技术的应用与发展[[J].消防技术与产品信息，2003,12(8):1.[8]王钊.智能型火灾报警系统的设计与研究[D].西安理工大学，2009.[9]郭键，王汝琳，李明.火灾探测技术的现状及发展方向[[J].辽宁工程技术大学学报，2004,23(2):209-209.[10]李小亚.基于人工智能的数据融合技术在火灾探测中的应用研究[D].广州:广东工业大学，2005.