（机械电子工程专业论文）基于arm7的电气火灾自动报警控制器研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着电气火灾在火灾中的比例越来越高，电气火灾已严重地威胁了 人民群众的生命财产安全。而目前市场上主要是针对常规火灾的监控产品，对于 能同时监控常规火灾和电气火灾产品的研究相对不足。 本论文研制出基于a r m 7 的电气火灾自动报警控制器。集成烟雾、温度、 烟温复合、电压、电流、漏电电流传感器，实现对电气火灾的全状态实时监测； 采用大尺寸彩色液晶屏( l c d ) 和触摸屏，实现交互式的人机界面；整合基于 u c o s i i 操作系统和u c g u i 界面程序的系统软件平台，编写硬件驱动程序和 多任务应用程序，实现对数据的实时分析处理、大容量数据保存、快速动作响应、 高速数据通信、动态界面更新。 论文的第一章中，概述了电气火灾监控系统的研究现状和趋势，论述了课题 的研究意义和研究内容。 论文的第二章中，设计了电气火灾监控系统的整个结构，对其关键的部件迸 行了说明，并提出了该监控系统的应用方案。 论文的第三章中，破译了火灾探测器的通信协议，研制出基于p i c 单片机的 火灾探测器驱动模块，并确定了各种检测传感器。 论文的第四章中，研制开发了控制器的硬件系统，包括基于a r m 7 核心控 制、电源管理及传感器驱动等部分。并进行了一系列实验和测试，完全达到设计 要求，并符合国家相关标准。 论文的第五章中，开发出控制器的软件系统，包括多任务实时操作系统、交 互式人机界面、硬件驱动和应用程序等部分。并进行了大量的调试和测试，软件 系统运行稳定可靠。 论文的第六章中，归纳整理了本论文的主要研究结果和结论，对今后需要进 一步研究的内容和研究方向提出了展望。 关键词：电气火灾a r m 7u c o s u c g u i 控制器 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e u ty e a r s 。w i t ht h ei n c r e a s i n gr a t i oo fe l e c t r i c a lf i r et of i r e ，e l e c t r i c a lf i r eh a s b a d l yt h r e a t e n e dp e o p l e sl i f ea n dp r o p e r t ys e c u r i t y b u ti nc u r r e n tm a r k e t , m o s to f t h ef i r ec o n t r o lp r o d u c t sa r ed k e c t e da g a i n s to r d i n a r yf i r e ，t h er e s e a r c ho fp r o d u c t s w h i c hc a ns y n c h r o n o u s l ym o n i t o rt h eo r d i n a r yf i r ea n de l e c t r i c a lf i r ei sr e l a t i v e l y i n a d e q u a t e i nt h i st h e s i s ，a l le l e c t r i c a lf i r ea l a r mc o n t r o l l e rb a s e do na r m 7i sd e v e l o p e d s m o k e s e n s o r , t e m p e r a t a r es 铋s o ls m o k et e m p e r a t u r ec o m p o s i t e ss e n s o r ) v o l t a g es e n s o r ) c u r r e n ts e l l s o ra n dl e a k a g ec u r r e n ts e n s o ra 舱u s e dt od e t e c te l e c t r i c a lf i r e a l a r g e s i z ec o l o rl c da n dt o u c hs c r e e na r eu s e dt om a k ea ni n t e r a c t i v ei n t e r f a c e h a r d w a r ed r i v e r sa n dm u l t i - t a s ka p p l i c a t i o n sa r cd e v e l o p e db a s e do nt h es o f t w a r e p l a t f o r mw h i c hi sc o n s i s t e do fu c o s l ia n du c g u i ，w h i c hc a l la e h i e v em a n y f u n c t i o n s ：r e a l - t i m ed a t aa n a l y s i s ，l a r g e - c a p a c i t yd a t ap r e s e r v a t i o n , q u i c kr e s p o n s et o a l a r m , h i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o n sa n dd y n a m i ci n t e r f a c er e f r e s h i nc h a p t e r1 t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u sa n dt r e n do fe l e c t r i c a l 觚a l a r ms y s t e ma r e i n t r o d u c e d a l s ot h er e s e a r c ha i ma n ds i g n i f i c a n c ea r ed e s c r i b e d i nc h a p t e r2 ，t h ew h o l es t r u c t u r eo ft h ee l e c t r i c a lf i r ea l a r ms y s t e mi sd e v e l o p e d ，a n d i t sk e yc o m p o n e n t sa r ed e s c r i b e d a l s ot h ea p p l i c a t i o ns c h e m ei sb r o u g h tf o r w a r d i nc h a p t e r3 ，ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo ff i r ed e t e c t o ri sd e c i p h e r e da n dad r i v e m o d u l eo ff i r e 出沌撇b a s e d0 np i cm i c r op r o c e s s o ri sd e v e l o p e d a l s oa l lt h eu s e d s e l l s o r sa r es e l e c t e d i nc h a p t e r4 ，t h eh a r d w a r es y s t e mo ft h ec o n t r o l l e ra l ed e v e l o p e d , i n c l u d et h ec o r e c i r c u i tb a s e do na r m 7 ，p o w e rm a n a g e m e n tc i r c u i ta n ds e n s o rc i r c u i te t c as e r i e so f e x p e r i m e n ta n dt e s ta r ec a r r i e do u t , a n dt h er e s u l ts h o w st h a ti ta c c o r d sw i t ht h e h 浙江大学硕士学位论文 d e s i g nr e q u i r e m e n ta n dt h er e l e v a n tn a t i o n a ls t a n d a r d s i nc h a p t e r5 ，t h es o f t w a r es y s t e mo ft h ec o n t r o l l e ra r ed e v e l o p e d ，i n c l u d em u l t i - t a s k r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m , i n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ，h a r d w a r ed r i v e r sa n da p p l i c a t i o n se t c a l s oal o to fd e b u g g i n ga n dt e s ta r ec a r r i e do u t , a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h es o f t w a r e w o r k ss t a b l ya n dr e l i a b l y i nc h a p t e r6 s o m ec o n c l u s i o n sa 把g i v e na n ds o m en e wv i e w sa r ep u tf o r w a r di nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lf i r e ， a r m 7 ，u c o s i i ，u c g u i ， c o n t r o l l e r i i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘姿盘茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：白，讫 签字日期： 秒。了年万月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 番、缱 签字日期：z 呷年占月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 引戈华 签字日期：o ? 叼年6 月 电话： 邮编： f 日 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 火灾监控系统的研究现状 1 1 1 常规火灾监控系统的研究现状 火灾给人类带来的损失是巨大的、可怕的和不可估量的。而随着本世纪以来 世界城市建设的不断发展，各类建筑规模越来越大，结构越来越复杂，不仅楼层 高，而且建筑标准高，人员密集，设备分散，这些都给建筑防火提出了越来越高 的要求。在这种情况下，1 8 9 0 年，消防自动报警探测器及其成套系统出现了。 一个世纪以来，消防自动报警探测装置得到了飞速的发展，目前它已经成为楼字 内的必备装备，为保护人类的生命财产安全发挥了极其重要的作用【1 埘。 目前，火灾报警探测器及相关设备的生产在世界上已相当普遍，并形成了颇 具规模的产业。国际上，根据主要特色的同一性划分，火灾报警探测设备大致以 美系、欧系、日系分类口，4 】。美国n o t i f i e r 公司的a f p 系列火灾报警探测器是美 系产品的代表，该产品以良好的实用性著称：技术成熟、性能稳定、外型美观、 性能价格比高：欧系产品的突出特色是大量采用高新技术，但在稳定性与价格方 面稍逊。欧系产品可以德国的西门子为代表；日系产品的优势在于系统完整性突 出，且价位低廉，但产品技术更新相对滞后，这类产品的典型是n o h m i 。这三 大系列产品目前在国内经济较为发达地区使用面很广，并占据了绝大部分高档楼 宇的消防报警设备市场【4 】。 国际市场上的代表如：n o t i f i e r ，西门子，f i r ec o n t r o li n s t r u m e n t s ( f c i ) 等公 司。他们的产品品种多，规模全，能够应用于不同的场合和环境，工作安全可靠， 但是价格昂贵。比如n o t i f i e r 公司的典型产品从适合中小型场合的a f p 4 0 0 火灾 报警控制器到超大型的n f s 3 0 3 0 火灾报警控制器，如图1 - 1 。a f p - 4 0 0 集灭火 和火灾报警于一体，带3 9 6 个智能探测器和模块，性价比优良；n f s 3 0 3 0 具有 极大容量的系统配置，可带3 1 8 0 个智能探测器和模块，支持多种逻辑和延时算 法，现场及离线编程；可独立及网络组合使用。此外，n o t i f i e r 公司还提供针对 中国市场的a f p 3 2 0 0 火灾报警控制器。a f p 3 2 0 0 火灾报警控制器符合中国国标 要求，同时最大化的满足中国客户的需求和中国消防产品的特色。n o t i f i e r 公司 作为在国际消防报警系统产品市场上占据领导地位的公司，承担过各种火灾报警 浙江大学硕士学位论文 监控系统的项目，包括智能楼宇、工厂、电厂等各种场合，比较大型的有悉尼奥 运场馆、f l 赛场等场馆的火灾报警监控项目”。 n o t i f i e r 公_ 副的a f p - 4 0 0 火 西门予a l g o r e x 火灾报 灾报警控制器( 中小型) 警系统b c 8 0 0 2 控制器 图1 - 1 国外火灾报警控制器 国内火灾报警装置的研究生产从7 0 年代开始，但发展十分迅速。尤其近十 几年来，随着国内基建项目的兴起，上海松江电子设备厂、海湾集团、南京消防 集团等公司，此外还有江苏京安、科大立安、上海互易，等一大批生产厂先后崛 起，国内厂家已达近百家。这些厂家很快占据了国内7 0 以上的消防报警设备 市场，年产探测器的数量也达到了近8 0 万只，由此，国内的消防报警设备产业 业已形成州。 海湾集团专业从事火灾自动报警和消防联动控制系统产品的生产，产品种类 齐全、系统，大容量分布智能火灾自动探测报警及消防联动控制系统居国内领先 水平。g s t n e t 火灾自动报警联网监控管理系统利用计算机网络、光纤、无线公 网和公用电话网等多种传输媒介，能实现对企业内部火灾自动报警和未联网的火 灾自动报警系统的运行状况进行实时数据采集和处理，实现企业内部火灾自动报 警的可视化联网监控，及对火灾联网监控设备的自动巡检，如图l - 2 所示。海湾 集团生产的火灾报警控制器也是系列化产品，满足国标的要求。从4 0 个编码点 的小型产品，到1 4 0 0 0 个地址编码点的超大型产品，从简单无极二总线连接，到 以太网、电话线、g p r s 无限、r s 4 8 5 总线、l o n 总线等多种网络连接形式盼6 1 。 2 浙江大学硕士学位论文 图1 - 2 海湾集团g s t n e t 火灾自动报警联网监控管理系统 1 1 2 电气火灾监控系统的研究现状 当电气线路及装置因绝缘破损有接地故障时，在漏电故障点和导体不良连接 处将引起电弧、电火花，这种电弧具有很大的阻抗和电压降，它限制了故障电流， 使过电流保护器不能动作或不能及时动作来切断电源，而几百毫安的漏电弧产生 的局部高温可达2 0 0 0 ( 2 以上，足以引燃周围的可燃物而引起火灾p 一。况且其范 围涉及到建筑物的各个角落，危害范围广。如不对系统的漏电进行监测和防控， 就会对人身安全存在很大的危险性，对线路存在破坏性，同时，存在很大的火灾 隐患【1 5 1 。 因此，根据电气火灾的产生特点，目前国内市场上也出现了很多电气火灾的 监控设备。根据其产品结构形式，主要有三种类型【9 1 9 冽： 第一种是“多功能漏电开关型”，主要有广东和福建的厂家在生产，如图1 3 所示。这种产品的特点是：具有剩余电流探测、报警功能等多功能，还集漏电、 短路、过载、过压、欠压、缺相、延时送电、防误合闸甚至防雷等功能于一体， 并可以组成网洛实现远程集中监控。其外观为盒装，内部还集成了探测器( 电流 互感器) 、电源变换电路、信号处理电路、报警电路、通信连动接口、主回路分 断开关( 小电流多用磁保持继电器、对于1 0 0 a 以上用接触器或空开一塑壳断路 器) ，形成多功能漏电开关。此种类型产品优点：保护功能多，内置电流互感器( 包 括电流互感器和零序电流互感器) ，接线少，整合度高。缺点：结构复杂、故障 率偏高、产品品种不全，由于体积限制，最大电流只有2 2 5a ；因内部包含电源 控制开关，属于配电线路一部分，是关键配电产品，还应通过有关的电气产品 3 浙江大学硕士学位论文 3 c 认证；由于电源线必须通过报警器开关进出，要改动配电箱线路，对改造工 程中已经成形并使用中的配电箱( 柜) 不适用【9 l 。 图1 - 3 漏电开关 第二种是电气火灾监控设备与电气火灾监控探测器( 互感器) 分离配置型，典 型代表有北京多个厂家的产品。电气火灾监控设备通过火灾监控探测器( 互感 器) ，采样配电箱( 柜) 内的电流和漏电流信号经内置单片机系统分析处理后，上传 到集中型的消防控制器，并通过塑壳断路器的脱扣装置( 或接触器线圈) 切断电 源。这种产品的优点是：不含电源控制开关，不串入配电系统，只通过互感器取 样信号和脱扣控制，无论新工程还是改造工程都比较方便；采用二总线通信，有 总线短路保护，性能稳定可靠。其缺点是：监控设备与电气火灾监控探测器( 互 感器) 之间需要敷设通信线路及脱扣控制线路，一般只有剩余电流和过电流探测 功锹1 9 1 。 第三种是第二种电气火灾监控设备与电气火灾监控探测器( 互感器) 分离配 置型的一种应用。但是其总线直接使用普通火灾报警系统的二总线，省去集中控 制器和上位机，由增强的火灾报警控制器整合剩余电流探测报警功能后一并控 制。这种类型产品目前国内生产生产的厂家还很少。这种产品的优点是：可节省 电气火灾监控系统集中控制器和上位机，并节省组网的布线，消防中心一体化监 控，界面统一，方便管理。缺点是：结构相对复杂，火灾报警系统故障也可能会 造成漏电火灾报警系统瘫痪，使得系统可靠性降低1 2 2 1 。 图l - 4 国内电气火灾报警控制器 4 浙江大学硕士学位论文 1 2 火灾监控技术的发展趋势 1 2 1 火灾探测技术的发展趋势 当前火灾探测领域广泛使用的就是智能型探测器探测方式。它是在内部采用 单片机，通过软件程序控制实现，使探测器测量与控制较硬件更加容易，电路结 构更加简单，增加了电路的可靠性。将火灾探测及信号处理都集中在探测器内部， 将烟浓度、上升速率或其它检测参数以模拟值在探测器内进行分析处理，使系统 确定火灾的数据处理能力和智能化程度大为增加，减少了误报警的概率。然而， 由于探测器内部的单片机的运算功能不是十分的强大，还不能做比较复杂的数学 运算，也就不能运用比较高级的算法以保证运算的准确性和探测的准确性 2 0 , 2 。 当前对以上的不足有两种发展趋势：一是信号处理方法做了彻底改进，即把 探测器中模拟信号不断送到上位的控制器评估或判断，控制器凭借其强大的运算 能力用适当算法辨别虚假或真实火警，判断其发展程度和探测受污染的状态；二 是复合探测器和多种新型探测器不断涌现，采用多传感器多判据探测器技术， 从响应火灾不同现象的多个传感器获得信号，并从这些信号寻出多样的报警和诊 断判据，充分利用燃烧的各种参数有机结合、全面评估判断，达到探测火灾的目 的，因此复合探测技术是发展智能火灾探测器的关键技术之一矧。 除了在原有探测器技术上的改进外，还出现很多新型的探测方式： a ) 空气采样感烟探测技术，自7 0 年代中期由澳大利亚首创后，在国外已得 到广泛应用，并已经开始进入我国消防市场。该技术在探测方式上，完全突破被 动式感知火灾烟气、温度和火焰等参数特性的局面，跳跃到主动进行空气采样， 快速、动态地识别和判断可燃物质受热分解或燃烧释放到空气中的各种聚合物分 子和烟粒子。国际上将空气采样式感烟火灾探测器定义为：通过管道抽取被保护 空间的空气样本到中心检测室，以监视被保护空间内烟雾存在与否的火灾探测 器。该探测器能够通过测试空气样本了解烟雾的浓度，并根据预先确定的响应阈 值给出响应的报警信号口3 列。 b ) 红外光束线型感烟探测技术，采用烟粒予吸收或散射红外光束强度发生 变化的原理工作。探测器的工作原理与光电感烟探测器类似，只是烟不必进入点 型光电感烟探测器的采样室中，在保护空间任何地点上的烟都可能使红外光束衰 减。线型光束探测器在一个长达1 0 0 米的路径上可代替若干个点型感烟探测器， 浙江大学硕士学位论文 具有保护面积大、安装位置较高、在相对湿度较高和强电场环境中反映速度快等 优点，适宜保护较大的室内、外场所，尤其适宜保护难以使用点型探测器甚至根 本不可能使用点型探测器的场所1 2 5 胡。 c ) 分布式光纤火灾探测技术，采用若干个光纤传感单元、具有长度标度的 单芯光缆、光纤测量系统以及微机信号分析识别与处理系统组成。与一般应用于 电缆沟和桥架的光纤火灾测温系统不同，它的优点是能广泛安装在建筑物中，精 度可达到5 m ，可精确地对在建筑物中的某个部位进行及时的火灾定位，且其成 本也低于传统的火灾检测系统团0 7 2 8 l 。 1 2 2 火灾报警控制器的发展趋势 目前市场上大多数的火灾自动报警控制器，其中心处理单元均采用单片机控 制，单片机以其价格的绝对优势，加之硬件简单，便于维修等优点被广泛应用。 但随着系统容量的增加，单片机的处理速度及容量开始表现出不足，对于复杂系 统的软件编程繁琐、操作不便，尤其是要进行报警平面图形显示时，这种控制器 很难实现，必须要配一台计算机。然而随着市场需求的发展，对报警控制器的要 求也越来越高 3 0 l 。 首先，在功能上要求控砖4 器应尽可能详细地显示各种信息，通常要求其具备 显示分辨率达6 4 0 x 4 8 0 像素的液晶显示器，同时还需灵活友好的人机显示界面， 最好采用触摸屏等方便直观的输入设备。 其次，在速度上要具有高速处理功能，一般要达到3 0 6 0 m i p s ，才能满足 对几千点报警探测器的多重数据处理及控制器网络化的要求，文件信息量也须达 到1 m 4 m b y t s 的规模要求。 最后，要具有较低的成本，一般要远低于p c 机的价位，才能满足市场竞争 的要求，同时还要便于生产及质量控制。由于以上这几点用p c 机或单片机来解 决都有较大难度，而随着嵌入式系统的发展及成熟，使其能顺利地解决以上问题， 所以成为现代控制器的最佳核心处理器的选择1 3 0 1 。 1 3 课题研究意义和研究内容 1 3 1 研究背景及意义 1 9 9 3 2 0 0 2 年我国发生火灾近1 2 8 万起，死亡2 5 2 4 9 人，伤4 3 4 5 8 人，直 6 浙江大学硕士学位论文 接经济损失高达1 3 4 亿元。在公安机关调查的8 0 余万起火灾中，电气火灾达2 0 余万起，约占火灾总数的2 6 ( 年平均值) t 3 1 1 。来自国家权威部门的一份报告显示， 2 0 0 3 年全国由于电气火灾事故造成的直接经济损失高达1 3 亿元以上，国家用于 防止电气火灾发生的消防经费高达6 0 多亿元。而根据据公安消防部门统计：2 0 0 4 年全年共发生火灾2 5 2 7 0 4 起，其中电气火灾2 9 4 4 4 ，占总数的2 0 4 ，2 0 0 5 年 一季度，全国共发生电气火灾8 3 7 7 起，占火灾总数的2 0 7 ，在火灾分类中排 在第二位。在重大火灾事故，调查显示，7 0 根本原因是由用电故障所引发的4 】。 并且，电力工业在国民经济中占有重要的地位。近两年全国大面积的“电荒”， 促使国内电力行业快速发展。2 0 0 5 年，国家投资3 3 4 2 亿元对县城电网建设与改 造工程全面启动，西电东送电网建设拉开序幕。据初步汇总分析，”十一五”期间， 国家电网公司将新增3 3 0 千伏及以上输电线路6 万千米、变电容量3 亿千伏安， 投资9 0 0 0 亿元左右；到2 0 1 0 年，跨区输电能力将达到4 0 0 0 多万千瓦、输送电 量1 8 0 0 多亿千瓦时。电力行业的快速发展，电网设备的更新改造、新建大容量 输电线路、城市电网改造等，将会对输变电行业的发展积极推动。 开关设备一高低压开关柜是输变电系统的重要组成部分，通过开关设备完成 电路的接通和切断，达到电路的转换、控制和保护的目的。国内外商低压开关柜 产品品种很多，目前我国的高低压开关柜产品的生产已成规模。但是国内产品智 能化程度低。大力发展高低压开关柜成套设备，以及带智能化、带通讯接口、高 绝缘、充气式的开关设备是我国高低压开关柜产品的发展方向。 为了把电力安全可靠的输送和分配到各用户，必须有一套保护措施。一旦电 力系统发生火灾，会烧坏电力设备，造成人员财产的损失甚至造成整个电力系统 的破坏。国内外很多专业消防报警企业都针对输变电系统设计过火灾报警监控系 统，大多是使用通用的火灾自动报警监控系统，对输变电系统的不同部分进行监 控。目前还没有专业的针对高低压开关柜，将电气火灾报警和电气状态监控相结 合的产品。 因此，研发一种主要针对高低压开关柜，能同时监测常规火灾和电气火灾， 采用高性能电气传感器、火灾传感器、高速嵌入式系统硬件平台、大容量数据存 储、智能软件管理的自动报警监控系统，将用电安全管理、控制、保护、分析智 能地集为一体，有效保证用电安全，准确的对电气火灾进行分析报警，降低电气 7 浙江大学硕士学位论文 火灾的危害，保护人民生命财产安全，有巨大的社会效益。 1 3 2 研究内容 综合上述分析的当前电气火灾形势及电气火灾监控系统的发展现状和趋势， 本论文确定了一下的研究内容： 1 、设计一个分布集散式电气火灾监控系统的系统结构，管理中心通过系统 总线可以连接多达4 0 0 台现场火灾报警控制器，实现对大区域空间的集中监控。 管理中心具备有火灾监控、事故记录，状态显示、相电压显示，负载功率显示， 漏电动作电流显示，负载电源切断，用户负载档案，故障动作，语音提示等功能， 所有状态均可在微机的浏览界面上显示刷新。 2 、设计基于a r m 7 电气火灾自动报警控制器的硬件系统、通过兼容现有市 场上的火灾探测器，可以监控普通火灾的发生；通过集成霍尔电压传感器、霍尔 电流传感器、零序电流互感漏电电流传感器，对电路的电压、电流、漏电电流进 行检测以监控电气火灾的发生；提供消防联动接口，在探测到火灾时能启动消防 设备进行灭火；同时提供与管理中心的通信接口。 3 、开发基于u c ，o s i i 操作系统及u c g u i 界面的电气火灾自动报警控制器 软件系统，该软件系统通过多任务调度实现对传感器检测数据的实时分析和处 理、提供灵活友好的人机界面、报警规则和报警记录的保存、用户权限的分配和 保护等。 。 浙江大学硕士学位论文 2 电气火灾监控系统设计 2 1 系统构成 如图2 1 所示是设计的整个电气火灾监控系统的结构。监控系统由管理中心、 电气火灾自动报警控制器、常规火灾报警控制器、总线网络及系统的其他元器件 组成。管理中心通过总线连接多达4 0 0 台电气火灾自动报警控制器，实现对大区 域的分布集散监控。同时又考虑到在一些大楼里原来就安装得有常规火灾监控 器，为了避免资源浪费，管理中心通过一个总线转换模块将原有常规火灾报警控 制器兼容在内。下面把每部分的主要构成和功能进行一下说明： 图2 - 1 设计的电气火灾监控系统结构图 9 浙江大学硕士学位论文 2 1 1 管理中心 硬件：工业p c + 总线管理设备； 软件：w i n d o w s 操作系统+ 系统管理软件： 功能：( 1 ) 具有4 条总线，每条总线以r s - 4 8 5 为物理实现层，采用数据传输 可靠、安全的传输协议，可以和现有的火灾报警系统实现无缝对接，每条总线最 多可以联结1 2 8 个节点； ( 2 ) 对各个电气火灾自动报警器的运行状态进行监视，并将他们的运行状态 显示在控制中心的显示器上，按用户的要求将需要的数据存储起来，并能输出各 种形式的图形和报表； ( 3 ) 实现用户通过管理中心对各个电气火灾自动报警器的软件系统进行在线 升级，对各个智能电气火灾报警器的控制规则( 即：对传感器的数据的处理算法， 火灾报警的数学模型，具体事件的处理方法等) 和现场动作权限( 即：是否允许 其他用户在现场直接通过智能电气火灾报警器的控制面板对它的控制规则进行 修改，并且通过身份验证规定该用户的修改权限等) 进行设定； ( 4 ) 通过网卡接入i n t e r n e t ，向其他有权限的远程用户提供数据和控制输入接 口。 2 1 2 电气火灾自动报警控制器 硬件：以a r m 7 为核心的控制模块； 软件；基于u c o s 操作系统和u c g u i 界面程序 功能：( 1 ) 用r s - 4 8 5 总线与管理中心和已有的普通火灾报警控制器进行通信， 实现管理中心的分布集散控制和与常规火灾报警控制器的联动； ( 2 ) 通过使用触摸屏和l c d 显示器，使之具有方便的人机交互操作界面，使 用户能方便的在现场制定和修改控制规则、事件处理； ( 3 ) 采用适当的控制算法，建立如：短路、漏电、火灾等事件的数学模型， 能有效地解决电气火灾探测中严重的误报、迟报和漏报的问题； ( 4 ) 对电流2 2 5 a 以内，电压a c 2 2 0 v 、a c 3 8 0 v 的供电线路的短路、漏电、 过载、来电进行声光报警；二次送电、延时送电保护，过压、欠压、故障动作记 录，相电压显示，故障显示、故障类型识别指示：对重要设施，通过红外线人体 感应探头自动测量并启动系统内扬声器报警；对系统本身进行自检； l o 浙江大学硕士学位论文 ( 5 ) 可与感温探头、感烟探头、可燃气体探测器联动控制，并可与火灾消防 系统联动，实现远程切断负载电源。 2 1 3 总线网络 硬件：m a x l 4 8 7 + m a x 4 8 8 ； 软件：根据实际建立的协议 功能：( 1 ) 将管理中心和现场的多个电气火灾自动报警控制器连接起来，提 供数据传输的物理线路。 ( 2 ) 每条总线最多可以连接1 2 8 个负载节点，最大传输速率1 1 5 k b s ，不使用 中继器时的传输距离是1 2 0 0 m ，通过使用m a x 4 8 8 做中继器可是总线的长度进 一步的加长。 2 2 应用方案 根据上面设计的系统结构可以满足如下几种应用方案： 图2 - 2 补充应用方案图 1 、最大应用：在原来已经安装了常规火灾报警系统的情况下，补充加入所 浙江大学硕士学位论文 设计的整个电气火灾报警系统如图2 1 所示。 2 、补充应用：在原来已经安装了常规火灾报警系统的情况下，补充加入设 计的单个或几个电气火灾自动报警控制器，以弥补原来常规火灾报警系统不能对 电气火灾进行报警的缺陷如图2 2 所示。 3 、全新应用：在以i j 仃没有安装常规火灾报警系统的情况下，全部应用所设 计开发的电气火灾报警系统，不仅能取代常规火灾报警系统对普通火灾做出报 警，而且还能够对电气火灾做出报警如图2 3 所示。 图2 - 3 全新应用方案图 4 、最小应用：在某些用于小空间监控的场合，只需单个或几个电气火灾自 动报警控制器和一些火灾探测器、报警按钮等组成火灾报警系统，能对一个或几 个区域进行电气火灾和普通火灾报警控制如图2 4 所示。 1 2 浙江大学硕士学位论文 图2 - 4 最小应用方案图 2 3 本章小结 l ，设计了电气火灾监控系统的整体结构，该系统能实现对大区域空间的分 布集散监控，同时能和已有的火灾监控系统进行联动。 2 、提出了该电气火灾监控系统的应用方案。 关于管理中心和总线网络是由课题组其他人员负责研究，本文将重点研究电 气火灾自动报警控制器。 浙江大学硕士学位论文 3 电气火灾状态的检测 3 1 常规火灾信号的检测 3 1 1 常用火灾探测器 火灾探测器是火灾探测系统最重要的组成部分之一，是指能连续或以一定频 率周期探测物质燃烧过程中所产生的各种物理、化学现象、并能向控制或指示设 备提供一个合适信号的传感器。基本功能就是检测物质燃烧过程中产生的各种 气、烟、热、光( 火焰) 等表征火灾信号的物理、化学参量，并转化为计算机或数 字微处理器可接收的电信号，供其分析处理。火灾探测器一般由敏感元件，传感 器、处理单元和判断及指示电路组成 2 1 1 。 目前常用火灾探测器的分类，根据监测的火灾特性不同，火灾探测器可分为 感烟、感温、感光、复合和可燃气体等五种类型。感烟探测器可分为离子型、光 电型、激光型和红外线束型四种。感温探测器根据其感热效果和结构型式可分为 定温式、差温式及差定温式三种。目前，大多数消防统中使用的是离子感烟探测 器、光电感烟探测器及感温探测器。 对于感烟探测器，其工作原理是响应燃烧或热解产生的固体、液体微粒即烟 雾粒子，主要用来探测可见或不可见的燃烧产物及起火速度缓慢的初期火灾。离 子型主要是利用烟雾粒子改变电离室电流原理而设计的，探测器内部装有a 放射 源的电离室为传感器件；光电型主要是应用烟雾粒子对光线产生散射及折射、吸 收或遮挡的原理而设计，有减光型和散射型，探测器内部有光学系统和红外线光 源作探测器件；红外光束型应用烟雾粒子吸收或散射红外光束的原理而设计，主 要包括一个光源，一套光线照准装置和一个接收装置。 对于感温探测器，其工作原理是利用热敏元件来探测火灾。在火灾初始阶段， 除有大量烟雾产生外，物质在燃烧过程中会释放出大量的热量，周围环境温度急 剧上升。该种类探测器中热敏元件的阻值随温差发生变化，从而将温度信号转变 成电信号，并进行报警处理。 3 1 2 火灾探测器的通信方式 由于单个火灾探测器的监控面积有限，为了能满足对整栋楼乃至整个社区的 全面的监控，就必须用大量的火灾探测器分布在监控区域。但是怎样把如此多传 1 4 浙江大学硕士学位论文 感器的检测数据集中起来管理成了一个新的研究难点。 总线制火灾探测器正是在这种条件下诞生的，其基本思想是将所有的火灾探 测器并联在总线上，每一个火灾探测器都有其唯一的一个地址，通过火灾控制器 不断的对各个地址的火灾探测器进行巡检而达到对多个火灾探测器集中管理。总 线制的发展，由早期的四总线系统到三总线，二总线系统u “。 二总线火灾报警与控制系统只有两根线，所有的火灾传感器，以及部分消防 控制器并联地挂在总线上，它们本身都不带电源，依靠总线供电，二根线中一根 为地线，另一根它既要当电源线，又要当信号线发送线，还要作信号接收线。四 总线系统基本上有一根电源线，一根地线，一根巡检线，一根信号线，每一根线 只有一个职能。显然，多线制传输线路数量很大，合计故障率高；总线制传输线 路数量剧减，合计故障率低；二总线传输线路又比三、四总线传输线路更好些； 联动控制与报警于一体的二总线方式的可靠性最高【3 5 1 。 作为总线制最高技术水准的二总线无极性连接方式，以其安装维修简单，扩 充能力强等无与伦比的优势而将逐步普及，并将成为总线制报警系统的主导产 品。 3 1 3 火灾探测器的通信协议 通讯协议是火灾自动报警系统完成信息传输、确认及响应所必须遵循的法 则，系统只有依赖完善合理的标准，才能实现系统组件间乃至更为广义的信息交 互，从而完成扩展、优化系统的功能。但目前国内火灾自动报警系统通讯协议无 标准，通讯协议不开放，数据格式不统一，传输非标准技术层面的信息交换不畅 通【l o l 。 由于缺乏规范、统一的通讯标准，不同火灾自动报警设备无法互换，一旦系 统需要维修、更换、清洗，用户则可能因损坏的器件得不到维修更换，而被迫全 面废旧换新或选用其他企业的产品，或因得不到应有的技术支持迫使建筑自动消 防系统瘫痪失效，前者造成国家财产的浪费，后者形成火灾隐患；使得用户一旦 选择了一家产品就永远受该企业的制约；将给各种火灾自动报警产品纳入标准化 的广域网络管理造成障碍，国家有关部门也难以在网上对任一火灾自动报警运行 状况进行必要的监督检查和统一指挥。 浙江大学硕士学位论文 因此，必须建立统一、开放的通讯协议标准。火灾自动报警系统作为工业控 制计算机网络系统的衍生，其数据传输必须严格遵循统一、标准的通讯协议，才 能保证信息数据传输的可读性、可执行性及准确性。通过借鉴国际上现己获得广 泛公认的标准总线、通讯协议，参考国内技术相对先进、产品性能相对可靠的生 产企业的现行标准，形成国家强制标准，作为公共资源予以颁布实施。 3 2 火灾探测器驱动模块 3 2 1 火灾探测器的选型 经过对国内火灾探测器的调研，从产品的质量、价格、技术支持方面综合考 虑，最后选择了天津一家公司的火灾探测器：儿y g d t l 2 3 0 l 点型光电感烟火 灾探测器、j t w b c d t l 2 3 0 1 点型感温火灾探测器、j t f - y w - t l 2 1 0 1 复合型火灾 探测器。 1 、j t y - g d t l 2 3 0 1 点型光电感烟火灾探测器、j t w - b c d t l 2 3 0 1 点型感温 火灾探测器。 该产品在设计中采用低功耗单片机，达到了整机低功耗和高智能的设计思 想。软件采取k e n d a l l t 趋势算法，在对外界环境的烟变化进行综合分析的基础 上报出火灾信号，使产品不仅对信号趋势变化非常敏感，而且克服了信号尖峰变 化和干扰信号的影响。该产品具有可靠性高，灵敏度高，误报率低等特点。此外， 可对探测器进行现场清洗，不须返厂维修，便于工程维护人员的清洗工作。可对 探测器自身工作状态进行自检。该产品适用于各大宾馆、重要建筑物、机要档案 室等重点保护场所。该产品符合g b 4 7 1 5 1 9 9 3 点型感烟火灾探测器技术要求及 实验方法的相关要求【3 8 】。 技术参数： 工作环境温度：1 0 + 5 5 相对湿度：4 0 c 时，相对湿度不大于9 5 工作电压：无极性脉动1 8 v 2 7 v 静态电流：不大于5 0 0 t l a 1 6 浙江大学硕士学位论文 图3 1 温度和烟雾探铡器 2 、t f y w t l 2 1 0 1 点型光电感烟感温复合探测器。 该产品采用后向散射光电感烟和感温复合探测技术。迷宫采用后向散射结 构，使进入迷宫的黑烟粒子对光线的散射能力增强，从原理上克服了光电感烟探 测器对黑烟不敏感的问题。内置8 位低功耗专用单片机，实时采集现场数据，经 a d 转换，依据k e n d a l l - z 趋势算法对烟温参数进行综合判定，从而减少了由瞬 间物理现象的符合而引起的误报，同时，由于探测器还给出最终判定，减少了与 控制器的信息通信量。由于采用k e n d a l l - f 趋势算法，从判定上不是一个特定的 时刻而是一个时间段，根据以往存贮的数据，对环境基值实行自动补偿，保证灵 敏度不变从而减少了由于探测器脏污造成的误报。独特的信息编码模式和复合传 输模式，加上回传信号采用电流环，有极强的抗干扰能力。对于长期使用的探测 器，由于污染需维修的探测器会及时发出报警信号，以提醒值班人员及时准确地 更换【3 8 1 。 技术参数： 工作环境温度：1 0 + 5 5 相对湿度：4 0 时，相对湿度不大于9 5 工作电压：无极性脉动1 8 v 2 7 v 静态电流：不大于5 0 0 “a 图3 2 烟温复合探测器 3 2 2 通信协议的破译 1 、破译系统组成 由前面的介绍知道，目前国内的关于火灾探测器的通信协议是不公开的，而 本课题设计的电气火灾报警控制器又必须要求能监控常规火灾。因此，必须能对 1 7 浙江大学硕士学位论文 前面选用的火灾探测器进行驱动一即能对探测器发送控制命令和读取检测的状 态数据。 为了解决这个问题，设计了如下图3 - 3 的协议破译系统。该系统由一个t l 2 2 0 火灾控制器( 由选用火灾探测器同一个公司生产) ：烟雾传感器、温度传感器、 烟温复合传感器及其它输入、输出模块，组成一个最小的火灾监视系统。在这个 监控系统中，t l 2 0 0 火灾控制器负责实时地对火灾探测器进行巡检，不断的把探 测器的探测数据实时的读取出来；示波器选用的是惠普5 4 6 0 1 a 型示波器，主要 是把两条总线上的信号显示出来，便于进行分析；记录仪是用a r m 开发板编程 做成的，主要是把两条总线上的信号保存下来，然后在传给p c 进行显示，以方 便对一长段时间的总线信号进行分析。 图3 - 3 协议破译系统结构图 2 、破译方法及结果 协议的破解过程大致如下： 首先，让火灾监控系统开始工作，通过示波器大概的分析一下信号的形式， 主要是看信号的高低电平的出现规律，例如：高电平的宽度有几种、低电平的宽 度有几种、信号重复几次。通过这个过程可以分析出来信号的基本格式，即数字 “1 ”和数字“0 ”是怎样表示的。 然后，在火灾监控系统中只接一个火灾探测器，让系统开始工作，并有规律 的修改传感器的地址，看信号的格式的改便有什么规律。通过这个过程可以分析 出在一段信号中地址信息分布在那个部分。 1 8 浙江大学硕士学位论文 接着，让火灾监控系统正常工作，用记录仪记录一个比较长的时间的总线的 信号，并按规律改变探测器的地址和状态( 即然探测器处于报警状态) ，把记录 的信号在电脑上显示出来对比分析。经过这个过程的分析基本可以确定信号的帧 格式和火灾探测器的命令码及各个状态的返回码 ? 通过上述过程的大量实验和数据分析，基本得到了该种火灾探测器的通信协 议。其信号的帧格式如下图3 - 4 所示： 图3 4 火灾探测器通信信号帧格式 在破译协议的帧格式后，还进一步分析出了协议的命令码包含哪几种及每种 对应的含义