專利名稱：早期火災識別的無線火災探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及火災報警器，特別涉及一種基于傳感器陣列技術與ZigBee(紫 蜂)無線技術相結合的早期火災識別探測器。
技術背景火災發生后具有不易疏散、救援困難、火災發展快等特點， 一旦失火往 往造成大量人員傷亡和巨額財產損失，因此對于火災的早期檢測顯得尤為重 要。雖然我國城市中的大、中型建筑及公共場所安裝的火災報警系統及消防 設施以逐漸普及、完善，但在實際使用過程中暴露出的問題也日益突出。主要表現在兩個方面:其一，傳統的火災探測器主要是由單個傳感器構成(煙 霧傳感器、溫度傳感器等)，對起火點檢測，通過閾值來判斷是否發生火災。 這樣容易產生誤報、漏報，更無法實現火災早期預警，火源點類型與位置的 確定。其二，現有的火災探測器之間多采用硬線連接，使得系統耗材多，功 耗大，設計、施工與維護困難，而且連接線容易老化或遭到腐蝕、磨損，故 障發生率多，同時導線的數量也會隨著火災探測器的數量的增加而增加，因 此不能實施大規模的布置。申請號為200710041172.3的中國專利申請專利公開了基于ZigBee的大空間火災盲區探測系統，比較好的解決了以上的兩個問題。采用光電感煙感溫復合式火災探測器，能相應的提高預報的準確率；利用ZigBee無線 模塊實現了火災信息的無線傳輸。但美中不足的是，采用光電感煙感溫復合 式火災探測器依舊不能實現火災的早期預報以及火源的定位，且存在著一定 的誤報(比方說香煙)，應有的場所也有一定的局限性(比如說舞廳，煙霧 比較多)。為了實現對火災準確的、早期的預報，必須嚴格識別火災過程中 產生的氣體。 一般來說，火災的狀態空間分為無火狀態，隱燃狀態和火災狀 態，而光電感煙感溫復合式火災探測器只有在火災狀態下才能實現預報。在 無火、隱燃狀態下，由于煙霧濃度不大、溫度上升不明顯，實現不了預報。 發明內容本發明的目的是提供一種具有早期火災識別，火源點定位，溫場，煙場 可視化描述的無線火災探測器。采用傳感器陣列技術來對火災隱燃狀態下產 生的氣體進行準確的識別，從而實現火災的早期預報以及類型的判別；將傳 感器陣列技術與ZigBee無線模塊相結合構建無線傳感網絡，從而實現基于 多邊定位技術及煙霧擴散模型的火源定位。本發明的目的是這樣實現的 一種早期火災識別無線火災探測器，由傳 感器陣列模塊，模式識別模塊以及ZigBee無線技術來實現，其特征在于-由多路氣體傳感器和溫度傳感器來構成傳感器陣列模塊，獲取氣體和^^度信 息，經信號處理模塊處理后，采用三層BP人工神經網絡火災識別算法對火 災發生初期產生的氣體進行檢測和識別；通過ZigBee無線模塊，將識別的 結果以及溫度和煙霧強度以無線的方式發送給監控中心；監控中心的電腦則 根據這些信息來實現火源點的定位以及溫場、煙場的三維空間的描繪。本發明所述的無線火災探測器的火災識別算法采用的是三層BP人工神 經網絡，輸入層，隱含層，輸出層；輸入層采用6個神經元來連接六路傳感 器信息，通過S型傳遞函數將輸入層的信息傳送給擁有15個神經元的隱含 層，最后采用線性傳遞函數將隱含層處理后的信息傳遞給擁有4個神經元的 輸出層，根據輸出層的結果來判斷火災的類型。本發明所述的無線火災探測器，其中溫場以及煙場的三維空間描繪由放 置于建筑物中所有的火災探測器來實現；火災探測器構建無線傳輸網絡，在 無線網絡中每一個火災探測器有了唯一的標識；利用每一個火災探測器返回 來的溫度信息以及煙霧強度，采用計算機進行三維構圖，實時描繪出建筑內 的溫度，煙霧的分布，從而實現了溫場和煙場的三維空間描繪。本發明所述的無線火災探測器，其中火源點定位是基于放置于房間內的 多個火災探測器來實現；房間內多個火災探測器檢測到有火災發生，而每一 個火災探測器檢測到的火災強度以及時間不同，根據氣體擴散模型，利用時 間差、氣體擴散速度可以較為精確的定位到火源點的位置。本發明所述的無線火災探測器的傳感器陣列模塊由TGS2600、 TGS2610、 TGS2611、 TGS2620和TGS2442等多個氣體傳感器和LM35溫 度傳感器來組成;傳感器采集到的電壓信號通過插排Pl連接到處理模塊上。本發明所述的無線火災探測器的信號處理模塊由電源模塊、電子開關模 塊、信號放大或縮小模塊，信號輸入輸出接口組成；電源模塊采用7805、 7133轉換后分別得到5V和3.3V電壓，5V電壓提供傳感器模塊，3.3V提 供給ZigBee無線模塊；FHZ2、 FHZ2分別控制三極管Ql ， Q2，為TGS2442 提供周期的控制信號；調節后的TGS2600、 TGS2610、 TGS2611、 TGS2620、TGS2442， Tout信號以及FHZ2、 FHZ2連接到插座上P3;所述的ZigBee 無線模塊采用2.4GHz的CC2430;傳感器陣列模塊上的插排Pl與信號處理 模塊上的插座P3相連；信號處理模塊上的插座P2連接到ZigBee無線模塊 上的P6;主芯片CC2430則利用內部集成的14位A/D轉換器，實現模數轉 換；利用燒寫在CC2430的存儲器里的火災識別算法以及火源的定位算法， 對量化后的數據進行火災類型的識別和火源點定位，最后將識別的結果通過 天線發送出去。


下面結合附圖對本發明的火災探測器詳細描述。 圖1是本發明火災探測器框圖； 圖2是本發明傳感器陣列模塊框圖; 圖3是本發明信號處理模塊框圖； 圖4是本發明ZigBee無線模塊框圖 ， 圖5是本發明火災檢測系統框圖； 圖6是本發明節點軟件流程圖； 圖7是本發明火災識別及分類結果； 圖8是本發明傳感器模塊電路圖； 圖9是本發明信號處理模塊電路圖； 圖10是本發明ZigBee無線模塊電路圖。
具體實施方式
(1)火災探測器主要有三部分組成，如圖l所示傳感器陣列模塊、信號處理模塊，ZigBee無線模塊。傳感器陣列模塊如圖2所示，由日本FIGRO公司的TGS2600, TGS2610 ， TGS2611, TGS2620和TGS2442等多個氣體傳感器和National Semiconductor公司的LM35溫度傳感器來組成，其共同的特點是壽命長， 性能穩定。除TGS2442為CO傳感器外，其它四個氣體傳感器對氫氣、氣 態碳氫化合物和醇類等有不同程度的交叉敏感性，而物質燃燒除了會產生 CO、 C02,還會有有機的可然性氣體。LM35是精密集成電路溫度傳感器， 它們的輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，因而，LM35比按絕對溫標校準的 線性溫度傳感器優越的多，LM35系列傳感器生產制作時候已經經過校準， 輸出電壓與攝氏度一一對應，使用極為方便。靈敏度為lO.OmTC，精度在 0.4°C 0.8°C (-55。C 15(TC溫度范圍內)，重復性好，輸出底阻抗，線性輸出 和內部精度校準使其與讀出或控制電路接口簡單和方便，可單電源和正負電 源工作。因此利用具有交叉敏感性的傳感器構成傳感器陣列，可以實現對不 同類型火災的識別和分類。其電路圖如附圖1，其中Pl是傳感器陣列模塊 與信號處理模塊之間的接口。傳感器電源端及信號端全部連接到P1 口。信號處理模塊如圖3所示，具體由五個部分組成。模塊的主要作用是 濾除信號中的干擾成分，對信號進行相應的放大或者縮小。其電路圖如附圖 2，主要是由7805和7133來實現電壓的轉換。7805和7133都是三端穩壓 器件，輸入端，輸出端，地。7805輸入電壓寬5V 35V，內含過流、過熱 和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達1A，輸出電壓5V 18V，常 規使用時為5V。 7133采用的是CMOS技術，功耗低，輸入電壓可以高達 24v，外接不同電路可以得到3V 5V電壓輸出，常規使用時為3.3V。 9V 直流電壓經P4 口接入，通過7805轉換后得到5V電壓用來作為傳感器陣列模塊的電源，利用紅色發光二極管DS1來指示電壓是否轉換成功。5V電壓 經7133轉換后，得到3.3V的直流電壓作為ZigBee無線模塊的電源，以綠 色發光二級管DS2來指示是否轉換成功。傳感器信號經P3 口接入，利用可 調電阻Rl、 R2、 R3、 R9將TGS2620、 TGS2600、 TGS2610 、 TGS2611 調節到0 3.3v，以便后期進行數據的量化。根據TGS2442的使用要求，三 極管Ql和Q2用來做電子開關。在FHZ1脈沖的控制下，對TGS2442提供 周期性的加熱。在FHZ2脈沖的控制下，間歇性的讀取TGS2442傳感器的 信號。因為溫度信號TOUT實際輸出范圍在1.25V以下，所以不需要進一 步對信號進行調理。所有傳感器的信號匯接到P2接口 ，以便連接到ZigBee 無線模塊。Pl接口為ZigBee無線模塊提供電源。ZigBee無線模塊如圖4所示，由信號輸入接口模塊、晶振模塊、天 線模塊、串口數據傳輸模塊以及CC2430主芯片構成。信號輸入接口提供了 多路傳感器信息以及CC2430的電源。晶振模塊為CC2430提供32MHz的 外部頻率。CC2430與上位機之間的通信由串口數據傳輸模塊來完成。ZigBee無線模塊的主要作用是實現數據的無線傳輸以及火災的識別、 分類以及火源的定位。CC2430是一顆SoC CMOS芯片，內嵌高性能和低 功耗的8051微控制器核，集成了 14位模數轉換ADC及符合IEEE 802.15.4 標準的2.4 GHz RF無線收發器，具有優良的無線接收靈敏度和強大的抗干 擾性。在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27和25 mA。 CC2430的 休眠模式和超短時間轉換到主動模式的特性，特別適合于要求電池壽命長和 系統運行時間長的火災監測應用。其電路圖如附圖3，外部只須連接少量的 器件，提供電源，晶振，天線就可以實現數據的無線發送。P8是電源插針，P9是調試接口， P6是CC2430的10擴展接口，此接口與信號處理模塊的 P2相對應。其中火災識別算法以及火源的定位算法就燒寫在CC2430的存 儲器里，因此CC2430除了加入/退出ZigBee無線網絡，實現數據無線傳輸 之外，還須進行火災的識別和定位。 (2)火災探測器原理監控中心作為ZigBee無線網絡的管理者，建立ZigBee無線網絡以便 火災探測器節點加入。管理網絡實現對災探測器狀態的遠程監控。火災探測器開啟火災探測器后，其軟件流程如圖6所示。首先是完 成相應的初始化，通過掃描信道來搜尋ZigBee無線傳感器網絡。成功加入 到網絡中去之后，啟動傳感器陣列模塊采集環境中的氣體信息，進行模數轉 換，將六路數字信號(五路氣體參數， 一路溫度參數)作為火災識別算法的 輸入量。以此來判別有無火災，以及火災的類別。火災信息識別火災分類可用決策樹、貝葉斯、k近鄰(K-NearestNeighbor)等方法。 對于高維信息，可以采用主成分分析(P rincipal Component Analysis, PCA) 方法，利用輸入狀態之間的線性相關關系對多維信息進行統計壓縮，用少部 分互不相關的主元成分來描述多維空間的絕大部分的動態特性，從而使高 維信息向低維信息過度，然后再結合常用的模式識別方法。實驗中，采用應 用最為廣泛和簡單的BP神經網絡(Error Back Propagation Network)來融合 電子鼻傳感器數據，就可以實現對火災信息的識別及分類。圖7是對木材、棉和泡沬三種燃燒物質的識別結果。煙霧火災探測器無線火災探測器木材2 0 0 s9 0 s棉花未檢測到8 5 s泡沫3 4 0 s12 5s表l 火災識別時間對比火源定位利用火災探測器構建的無線火災探測網絡來獲得火災早期氣體信息，依 據靜風受限空間火災氣體擴散速度以及氣體擴散模型，利用三邊定位算法或 者圓盤傳感器陣列算法來實現火源點的實時定位。溫場、煙場的圖形可視化根據每個無線火災探測器傳回來的溫度、氣體濃度信息，利用計算機進 行溫度及氣體濃度的線性與非線性插值，實現火災空間溫場與煙場的連續圖 形的可視化，為撲滅火災和選擇逃生通道提供可靠的依據。
權利要求
1.一種早期火災識別無線火災探測器，包括傳感器陣列模塊，模式識別模塊以及ZigBee無線模塊，其特征在于由多路氣體傳感器和溫度傳感器來構成傳感器陣列模塊，獲取氣體和溫度信息，經信號處理模塊處理后，采用三層BP人工神經網絡火災識別算法對火災發生初期產生的氣體進行檢測和識別；通過ZigBee無線模塊，將識別的結果以及溫度和煙霧強度以無線的方式發送給監控中心；監控中心的電腦則根據這些信息來實現火源點的定位以及溫場、煙場的三維空間的描繪。
2. 如權利要求1所述的火災探測器，特征在于火災識別算法采用的 是三層BP人工神經網絡，輸入層，隱含層，輸出層；輸入層采用6個神經 元來連接六路傳感器信息，通過S型傳遞函數將輸入層的信息傳送給擁有 15個神經元的隱含層，最后采用線性傳遞函數將隱含層處理后的信息傳遞 給擁有4個神經元的輸出層，根據輸出層的結果來判斷火災的類型。
3. 如前述任一權利要求所述的火災探測器，特征在于所述的溫場以 及煙場的三維空間描繪由放置于建筑物中所有的火災探測器來實現；火災 探測器構建無線傳輸網絡，在無線網絡中每一個火災探測器有了唯一的標 識；利用每一個火災探測器返回來的溫度信息以及煙霧強度，采用計算機 進行三維構圖，實時描繪出建筑內的溫度，煙霧的分布，從而實現了溫場 和煙場的三維空間描繪。
4，如前述任一權利要求所述的火災探測器，特征在于所述的火源點 定位是基于放置于房間內的多個火災探測器來實現；房間內多個火災探測器檢測到有火災發生，而每一個火災探測器檢測到的火災強度以及時間不 同，根據氣體擴散模型，利用時間差、氣體擴散速度實現精確的定位到火 源點的位置。
5. 如前述任一權利要求所述的火災探測器，特征在于所述的傳感器陣列模塊由TGS2600、 TGS2610、 TGS2611、 TGS2620和TGS2442多個氣 體傳感器和LM35溫度傳感器來組成；傳感器采集到的電壓信號通過插排 Pl連接到處理模塊上。
6. 如前述任一權利要求所述的火災探測器，特征在于所述的信號處 理模塊由電源模塊、電子開關模塊、信號放大或縮小模塊，信號輸入輸出 接口組成；電源模塊采用7805、 7133轉換后分別得到5V和3.3V電壓，5V 電壓提供傳感器模塊，3.3V提供給ZigBee無線模塊；FHZ2、 FHZ2分別控 制三極管Q1， Q2，為TGS2442提供周期的控制信號；調節后的TGS2600、 TGS2610、 TGS2611、 TGS2620、 TGS2442， Tout信號以及FHZ2、 FHZ2 連接到插座上P3;所述的ZigBee無線模塊采用2.4GHz的CC2430;傳感 器陣列模塊上的插排Pl與信號處理模塊上的插座P3相關信號對應相連； 信號處理模塊上的插座P2的相關信號對應連接到ZigBee無線模塊上的P6; 主芯片CC2430則利用內部集成的14位A/D轉換器，實現模數轉換；利用 燒寫在CC2430的存儲器里的火災識別算法以及火源的定位算法，對量化 后的數據進行火災類型的識別和火源點定位，最后將識別的結果通過天線 發送出去。
全文摘要
本發明涉及火災報警器，特別涉及一種基于傳感器陣列技術與ZigBee(紫蜂)無線技術相結合的早期火災識別探測器。由傳感器陣列模塊，模式識別模塊以及ZigBee無線技術來實現，由多路氣體傳感器和溫度傳感器來構成傳感器陣列模塊，經信號處理模塊處理后，采用火災識別算法對火災發生初期產生的氣體進行檢測和識別；通過ZigBee將識別的結果以及溫度和煙霧強度以無線的方式發送給監控中心；監控中心的電腦實現火源點的定位以及溫場、煙場的三維空間的描繪。本發明具有早期火災識別，火源點定位，溫場，煙場可視化描述。
文檔編號G01K13/02GK101577032SQ20091003992
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月2日 優先權日2009年6月2日
發明者劉美輕, 莊哲民, 張新峰, 李卡麟, 李志華 申請人:汕頭大學