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家庭火灾中的低功率无线烟雾报警系统

Low Power Wireless Smoke Alarm System in Home Fires

Juan Aponte Luis 1, Juan Antonio Goacute;mez Galaacute;n 2,* and Javier Alcina Espigado 1

1 OnTech Security LLC,C/Hispano Aviacioacute;n,7-9, 41300 La Rinconada, Sevilla,Spain;E-Mails:juan.aponte@ontech.es(J.A.L.);javier.alcina@ontech.es (J.A.E.)

2 Department Electronic Engineering,Computer Systems,and Automatics, University of Huelva,Ctra Huelva, La Raacute;bida, s/n, 21819 Huelva, Spain

*Author to whom correspondence should be addressed;

E-Mail: jgalan@diesia.uhu.es;Tel.: 34-95921-7650;Fax: 34-95921-7348.

Academic Editor: Ingolf Willms

Received: 28 April 2015 / Accepted: 17 August 2015 / Published: 21 August 2015

摘要: 目前已经出现了一种用于室内火灾探测的新型传感装置，这种火灾探测器使用了多个传感器的组合，这些传感器不仅能探测到烟雾，而且还能探测到不同类型的烟雾。这个特性有效的避免了假警报，并且能在不同情况下发出警报。无论在硬件方面还是软件方面都对功耗进行了优化，电池能持续工作五年，保证了传感器装置的自主性。传感器设备收集到的数据会通过无线通信方式传输到基站。低成本和紧凑简洁的特点使得该种烟雾报警系统具有广阔的应用前景。

关键词:火灾探测器;烟雾传感器;无线传感器网络;低功耗

1.引言

家庭火灾探测是一个非常值得关注的问题，因此，许多发达国家在实现自动化探测系统方面投入了很多人力与物力。可靠的火警系统通过对烟雾和高温等特征的判别来及时通知建筑物内部人员是否发生火灾。烟雾传感器由于其烟雾探测能力和快速响应能力以及相对较低的成本，通常被用作火灾探测器。其他的火灾探测器基于气体传感器或温度传感器。使用单个烟雾传感器的火灾探测器，由于温度的变化使得探测器的虚警率很高。烟雾传感器是基于红外线折射的原理，当有烟雾进入一个房间时，浓雾引起光线折射，从而发出警报。红外LED和光电二极管具有感温功能，尽管这种效应在高性能设备中被抑制，但烟雾传感器的灵敏度也会取决于环境温度，因此，结合多种传感器的火灾探测器提供了一种更有效的火灾报警系统。

传统的方法是基于有线系统（如CAN总线），在关键应用中安全性高。虽然总线网络在可扩展性和维护方面有了很大的改进，但是近年来，无线系统变得更加具吸引力，它具有低成本和空间灵活性的特点，无线传感器网络要求传感器节点，体积小以便于部署，并且由于其使用电池供电从而限制了电力消耗。无线消防系统必须保证射频通信的功能和安全性，避免误报。此外，系统必须及时通知组件的故障，物理损坏或蓄意破坏以便于维护，从而减少不必要的成本。

2.传感设备描述

成熟的传感装置允许部署无线网络，在这个无线网络里，数据将被发送到基站进行进一步处理。基站将作为传感器节点和用户之间的网关。我们还需要开发了一个移动应用程序，以实时通知用户火灾警报。无线传感器网络收集家庭火灾的传感数据，分析传感器发出的数据，准确触发火灾报警。该设计满足无线节点小尺寸和低功耗要求。部署大量的传感器节点也需要一个低成本的解决方案。该报警系统会通过对不同参数的测量来对家庭火灾进行检测。该传感器节点包括用于测量烟雾、一氧化碳(CO)和温度的模拟传感器。图1显示了已开发传感器装置的构建块。它由一个微控制器a，短距离无线电收发机，电池，一氧化碳传感器，烟雾传感器，温度传感器，电容性触摸按钮，红色LED和蜂鸣器组成。整个系统由一个特定的保护盒保护。

图1 传感器节点框图

火灾探测装置的设计是在两个印刷电路板上进行的。其中最为简单的是控制触控按钮的电路和控制蜂鸣器的电路，而主板包括所有火灾探测过程中所需要的探测电路、指示灯、数据处理和无线数据传输电路。

主板是传感装置中最重要的部分，因为它采集了所有的烟雾浓度，气体种类，以及温度测量数据，并将它们发送到控制中心作为警报。若想使得能源利用适当，我们需要使用低功耗传感器、微控制器、调节接口和收发器。所选的单片机是Microchip公司的PIC24FJ128GA306 (Chandler, AZ, USA)。无线电模块以868兆赫的无线方式与基站节点交换数据，遵循标准的IEEE 802.15.4。基站节点充当传感器网络和用户之间的网关(如果系统被用于工业将被视为单位)。设计该装置时，电源由一个AA锂电池（CR123-3V 1600 mAh）组成，使系统在应有的功能基础上实现了低功耗，从而该传感装置的功能持久性和工作自主性得到硬件的保证。此外，该软件也包括了节能模式，电池续航时间约为5年。

无线电模块 :该无线电模块基于Microchip的MRF89XA收发器，这是一种具有较低功耗的设备。MCP9700A温度传感器是一种低成本、低功率的模拟传感器，不需要额外的信号调节电路。电压输出直接连接到微控制器的ADC输入，该传感器适用于测量温度相对变化。

烟雾传感器 :该传感器通过光电技术来检测烟雾，在光散射原理的基础上进行操作。黑暗条件下，接收器不能通过黑色材料吸收光来探测光的通道，所以使用由欧司朗在黑暗房间里驱动发光二极管发出的一束光，在这个房间里，当烟雾粒子进入光路时，光照射到粒子上，散射到光敏装置上，然后提醒微控制器。图2显示了房间的几何形状。

图2.烟雾传感器内部结构

图3显示了烟雾传感器的电路方案。这种拓扑结构非常吸引人，因为这个设备所需要的器件比传统方式更少。光电二极管工作时产生零偏压，从而实现精确的线性操作和较低的噪音。此外，这种配置更适合于精确应用，但在速度切换方面有所损失。只需要使用一个放大器作为电流到电压的转换器，就能使光电二极管的电流被转换成一个可用的电压。

图3.烟雾传感器的信号调节接口

CO传感器 :该传感器测量燃烧过程中产生的一氧化碳的浓度水平，以家庭火灾中燃烧材料为典型。Figaro (Minoo，大阪，日本)的TGS5342传感器被选中，是因为它具有体积小、寿命长、稳定性好、精度高的特点。它可以在广泛的温度范围内检测到高达1% 的CO的浓度。这种传感器对于区分燃烧木材所产生的水蒸汽或烟雾是至关重要的。图4显示了基于基本跨阻抗放大器CO传感器的基本测量电路。

图4.CO传感器的方案

2.1.传感器数据采集

该单片机控制着无线传感装置，并控制着特定的传感器、信号处理、数据管理和通信模块的数据采集。使用模数转换器将传感器输出的模拟信号转换成二进制数值的数字信号。图5显示了已开发设备主板的详细图像。温度传感器、微控制器、发光二极管和无线电模块位于板的顶部，而烟雾传感器、一氧化碳(CO)传感器和电池在底部。

图5.火灾探测装置主板.(a)顶部;(b)底部.

图6显示了设计的电磁屏蔽，以避免射频电路与相邻电路之间的干扰问题。

图6.无线电模块的电磁屏蔽

很少有商业烟雾传感器或火灾探测器内部含有一氧化碳传感器，此处的系统含有该传感器，并提供一个简洁的解决方案。在作者看来，这是最小的烟雾报警系统，内部包含了一个一氧化碳传感器。关于从板，其功能是捕捉传感器顶部面板上电容触控按钮的脉冲信号，并且管理不同的蜂鸣器声音，以警告用户烟/火的存在。该板由蜂鸣器、电容式触控板、篡改感应器以及控制这些元件的电路（如图7所示）。篡改感应器可以检测到已开箱状态或企图破坏的行为。

图7. 辅助板 (a)顶部;(b)底部

触控按钮允许用户打开或关闭无线感应装置，来自Atmel(美国加州圣何塞)的AT42QT1010-TSHR传感器被用于触摸检测，因为它能够产生一个中断的触摸。微控制器不需要连续检查按钮的状态，这使得在功率消耗和自动化方面得到优化。它可以通过触摸传感器产生的中断从低功耗状态中唤醒。

图8显示了触控板电容式传感器的电路和蜂鸣器的电路方案。

图8.

图8.(a)触控板电容式传感器方案 (b)蜂鸣器原理电路

2.2.软件

在固件层面，应为射频通信开发了一个特定的协议栈。对制造商提出的MiWi协议进行初步测试时，在高延迟方面表现出了不稳定的结果，有时还会阻塞部分需要立即处理的硬件（MiWi频繁使用正忙等待周期）。此外，还实施了加密算法，以提高射频通信的安全性。

开发的协议栈使用一个由中断处理来最小化延迟的SPI控制器和微控制器的正忙等待周期。收发器的控制器可以在后台工作，它不会浪费正忙等待周期，所以没有延迟。

设计的堆栈是分层的，这样每个层都可以独立于其他层，允许不同级别的功能的分离，这将存在更大的代码可移植性，更好地适应新的硬件和更容易的调试和测试。MiWi提出的相同寻址方案被保留并支持一个集群树网络拓扑(由LLC层提供)。我们的设计已经考虑到了降低延迟和处理器使用的时间，几乎不需要等待周期。因此，整个设计基于SPI控制器的中断，所有的函数都是作为状态机实现的，其中每个状态都是在前一个操作结束时由中断触发的。异步通信(如接收新消息或网络中断)是由于对每个层的api添加了一组回调而完成的。由于这一点，尽管开发过程比MiWi使用的栈要复杂得多，但它已经减少到处理器使用的最小值，而且协议栈对设备的其他组件几乎没有影响。由于CPU在空闲时间较多，所以功耗也降低了。

传感节点还包括一个引导加载程序功能，它的目标是双重的:首先，它允许对固件进行远程维护，从而节省维护成本。其次，我们可以验证执行测试应用程序的正确硬件操作。然后，我们可以完成测试阶段和编程加载最终的应用程序。在软件级别，引导加载程序需要定义内存结构、通信协议和数据共享。在硬件方面，还包括了外部闪存，从而存储要加载的新固件，防止其丢失，或者微控制器内存可能因电源故障而损坏， 或者远程更新过程中通信失败。

2.3.包装设计

图9和图10显示了为保护传感设备免受环境影响而设计的包装。这是一个圆柱形的盒子，里面的金属边上有孔，允许烟和气体进入，还有一个前面板，设有电容式触摸按钮。该包装不影响传感器的响应时间、精度和数据传输。传感器封装的最终尺寸直径70毫米，高度30毫米。

图9.包装设计 图10.制造整个无线烟雾系统的细节

3.结果

对所提出的硬件和软件解决方案进行了验证，并对器件的功能性能特点，如范围、灵活性和稳定性进行了评估。火灾探测装置包括三种类型的传感器：烟雾、温度和一氧化碳，从而减少了由水蒸气、鼻烟等引起的误报次数。

火灾探测过程是直接在烟雾出现的情况下进行的，可以准确地定位火灾现场和火焰传播。CO传感器和温度传感器的使用提高了系统的可靠性，减少了假警报。

对于报警检测算法，它依赖于三个参数的联合检测。检测器不断监测三个输入变量，并且实时选择一个合适的线性组合，类似以下形式：FD＝（KStimes;delta;SK KCtimes;delta;CO KTtimes;delta;T）times;KH的线性组合，其中Ks是烟雾校正因子，KC一氧化碳是校正因子，KT是温度校正因子。 KH是安装高度，Delta;SK是烟雾传感器内部的增量，Delta;CO是CO传感器内部的增量，Delta;T是温度传感器级的增量。因此，校正因素的主要作用是根据家中的安装位置分配给每个传感器，以实现大致相等的灵敏度。

由此产生的变量FD代表了来自特定火灾的瞬时危险。通过对FD的进一步加权，可以使用同一个的检测器实现不同灵敏度在不同情况下的应用。三个校正因子KS、KC和KT分别被分配到低、中、高级别，视安装位置而定。详情见表1。校正因子在每个类中都有一定程度的隶属度，从0到1。图11显示了检测过程的详细流程图。

图12和图13显示了不同的火灾探测场景。图12显示了无线火灾报警装置的三个传感器(温度、烟雾和CO)的测量值。请注意，所有传感器都增加了它们的值。火灾报警器之所以能区别其他类型气体（如水汽）是因为火灾发生过程中过程中燃烧释放的CO，火灾传感器更易探测到。因此，图12显示火灾探测

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