基于信息融合技术的无线火灾探测报警系统

摘要为了解决传统火灾报警系统只对火灾的某一种物理或化学信号进行探测而容易出现误报和漏报的问题，将多传感器复合探测技术和无线通信技术应用到火灾探测报警系统中，设计了一种基于STM32为主控制芯片的智能分布式无线火灾探测报警系统，系统能同时采集CO浓度、烟雾浓度和温度3个火灾参数，利用无线通信技术进行数据传输，采用智能算法对火灾信息进行处理和判断。经调试，谊系统能够及时、准确地预警火情。
关键词火灾探测；STM32；ZigBee技术；信息融合

火的应用对人类的文明发展起了重要的作用，而火灾也一直威胁着人类的生活，造成了重大的生命财产损失。尤其近年来，随着国家经济的快速发展，城市化程度的进一步提高，人员密集场所数量不断增加，火灾的发生频率越来越大，需要社会各界引起高度重视，及时消除隐患，确保消防安全。
目前，火灾自动探测报警系统的应用广泛，在很多地方已成为必备装置，起到了安全保障作用。但在火灾探测报警系统的实际应用中，也出现了许多问题，市场现有产品质量参差不齐，存在产品功能单一、可靠性稳定性不高；只对某一种火灾参数进行探测，出现误报漏报等诸多问题。随着微处理器技术、传感技术、通讯技术、控制技术和人工智能技术等的不断发展，火灾探测报警系统的主要发展方向向着高可靠、低误报漏报率及网络化、智能化方向发展。
文中的研究目的在于提出一种基于多传感器信息融合技术的火灾探测系统方案，采集多个不同的火灾特征参数，通过无线传感器网络进行数据的传输，利用智能算法进行处理和判断，对火灾的发生进行及时准确的探测和报警。

1 结构设计
1．1 设计思想
(1)多传感器复合探测技术。一般将火灾过程分为早期、阴燃、火焰放热和衰减4个阶段。火灾早期释放的多是燃烧气体，主要包括CO、CO2、H2等，烟雾、火焰、热量都较少；阴燃阶段则产生大量的可见或不可见烟雾，火焰、热量也不多；而火焰放热阶段则向外辐射热量，环境温度迅速上升。火灾信号包括许多特征参数，每个参量都或多或少地表示了火灾发生的概率。从理论上讲，系统采用的火灾参量越多，系统智能化水平越高，误报率、漏报率将会越低。因此，文中选择烟雾浓度、温度、CO浓度作为火灾参量进行复合探测。
(2)分布式火灾报警系统。火灾报警系统一般分为火灾探测器和火灾报警控制器两个部分。早期的系统多采用集中控制方式，探测器只是一个纯粹的传感器，它随时将采集到的信号传递给控制器，由控制器对这些信号进行处理、判断得出结果。这样系统成本低、信号处理算法简单，但是当系统规模过大时，会产生控制器负担过大、响应速度慢、系统可靠性降低等不利因素。为了克服这些缺点，逐渐采用分布式控制方式代替集中式控制方式。于是本文的火灾探测报警系统采用分布智能式控制方式。
(3)无线数据传输方式。传统的火灾探测器的能量供给和信息传输通常是通过电缆线连接，在安装过程中电缆线的铺设，不仅费用高、工作量大，而且有时对建筑结构造成一定的破坏性。在一些特殊场合，如古建筑消防安全、危险化学品泄漏应急检测及其他人力难以达到的场所，有线式的探测器难以适用。无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)，采用无线通讯技术和小体积、低功耗的微传感器，它是由部署在监测区内的大量微型传感器节点组成，通过无线通讯方式形成一个多跳的自组织的网络系统。因此，将火灾探测技术与无线通信技术相结合，实现火灾探测的无线化、网络化、智能化，是火灾探测研究的新方向。
(4)火灾信号的智能算法。火灾是一个复杂的非平稳随机过程。对于不同燃烧物质和探测环境，传感器所采集到的动态特征参数值差异很大。在火灾的探测中，传统的阀值法对于火灾复杂的状态中信号探测来说过于简单，尤其是在报警延迟时间和报警阈值的设定过于单一。因此，将智能化算法应用于火灾探测系统研究，将对提高火灾探测的可靠性以及降低火灾报警系统的误报、漏报率具有重要的积极作用。
1．2 无线复合火灾探测报警系统
文中研究的火灾探测报警系统，由STM32作为处理器，分别设计了火灾报警控制器和复合火灾探测器，形成分布式控制的火灾报警系统。复合探测节点实现对烟雾浓度、温度和CO浓度信号的采集，在探测节点实现了火灾信息的处理和判断，减轻控制器的负担；通过ZigBee无线网络将信息传输给火灾报警控制器；由火灾报警控制器进行火灾数据的存储和显示以及对探测节点的统筹管理。系统的整体结构框图如图1所示。

(1)复合探测节点，通过3种传感器采集现场的环境信号，利用智能算法对火灾信息进行处理，利用ZigBee通信模块将信息传输给火灾报警控制器。若发生火灾则启动报警装置，同时向火灾报警控制器发送火警信息，若无火灾，则定时向火灾报警控制器发送验证信号供火灾报警控制器处理，如图2所示。