无线火灾自动报警系统设计

1、- - - i - 无线火灾自动报警系统设计摘要火灾现已成为当今社会破坏力和影响力最强的灾害之一，在城市建设的迅猛发展的同时，火灾发生的频率及损失也正在逐年提高。随着电子产业的发展,有线通讯设备逐渐在被无线通讯产品取代。鉴于安全问题的严重性考虑，性能优越的无线火灾报警设备越来越受到人们的关注与青睐。本文以无线火灾报警系统为研究对象，研究了火灾形成过程及其探测方法，讨论了离子感烟探测器的工作原理。通过对几种常见的无线通讯技术进行比较，选择了工作于 ism频段的 1ghz以下射频芯片 nrf401实现系统无线通讯功能。设计了一种由at89s51单片机、离子型烟雾检测报警芯片mc14468、单片无线

2、射频收发芯片 nrf401构成的适合于楼房安防系统的小型无线火灾自动报警系统，其结合了离子烟雾检测、短距离无线通讯技术、单片机与pc间的串行通讯技术，深入研究了火灾探测器和火灾报警控制器，并全面阐述了火灾探测器和报警控制器及中继的硬件设计。利用c语言对单片机进行编程，完成了烟雾探测器、无线模块、单片机与pc间串口通讯的主程序设计。由于使用了无线通讯技术和以 fsk(频移键控 )调制解调技术为技术核心的nrf401无线射频收发芯片，使系统性能大大提高，尤其是在系统报警的实时性和可靠性方面。本系统省去了工程布线，可以稳定快速的实现火灾情况实时监控及报警，在短距离的火灾报警领域有较高的应用价值。关键

3、词离子烟雾检测；短距离无线通讯；串口通讯；中继design of automatic wireless fire alarm system abstract the fire has become one of the most destructive disasters in the society.there is an rapid development in urban construction,while the frequency of fires and the loss is increasing year by year.with the development of the

4、 electronics industry, cable communications equipment is gradually being replaced by wireless communication products.considering the seriousness of safety, wireless fire alarm equipments with superior performance are getting more and more attention and favor. automatic wireless fire alarm system stu

5、died the formation and detection method of fires,discussed the ionization smoke detector works.compared several common wireless technology,a chip named nrf401 is choosed to achieve the following system of automatic wireless communication,which works at ism band radio belower than 1ghz.it designed a

6、small automatic wireless fire alarm system which is composed with at89s51 and an ion smoke detection chip named mc14468 and a single-chip rf transceiver chip named nrf401,can work on security systems for buildings.it combinates with ion smoke detection, short-range wireless communication - - - ii -

7、technology,and serial communication technology between microcontroller and pc . fire detectors and fire alarm controller are studied deeply.it has a comprehensive description on the hardware design of fire detectors and alarm controller. it uses c language to programming, completed main program desi

8、gn on smoke detector, wireless module,and serial communication between mcu and pc. because of the use of wireless technology and with fsk (frequency shift keying) modulation and demodulation technology for the core technology of radio frequency transceiver chip nrf401,the system performance greatly

9、improved, especially real-time alarm and reliability. the system eliminates the need for wiring projection, can quickly achieve real-time monitoring and alarm of fire,has high value in the field of short distance fire alarm. keywordsion smoke detector ; short-range wireless communication; serial com

10、munication; router- - - iii - 目录摘要 . iabstract .ii 第1章 绪论 . 51.1 课题背景 . 51.2 火灾报警系统发展概况 . 51.3 无线火灾报警系统与有线火灾报警系统的比较. 71.4 论文研究内容 . 8第2章 无线火灾自动报警系统整体方案设计. 92.1 系统设计要求 . 92.1.1 系统功能要求 . 92.1.2 系统技术要求 . 92.2 无线火灾探测系统整体结构. 102.2.1 烟雾探测器节点结构设计. 102.2.2 中继器与中央控制器的整体结构设计. 112.3 火灾探测 . 122.3.1 火灾形成原理 . 122.

11、3.2 火灾探测器的分类 . 132.3.3 火灾探测器的误报警产生原因及解决办法. 142.3.4 火灾探测器的选择 . 152.3.5 离子感烟探测器的工作原理. 162.4 无线通讯技术介绍 . 182.4.1 irda 技术 . 182.4.2 蓝牙技术 . 182.4.3 wi-fi技术 . 192.4.4 zigbee技术 . 192.4.5 1ghz以下ism短距离无线射频技术 . 192.4.6 无线通信技术的选择 . 202.5 本章小结 . 20第3章 无线火灾报警系统硬件电路设计. 213.1 系统应用单片机的选型 . 213.1.1 at89s51的特性 . 213.1

12、.2 at89s51的存储器 . 213.1.3 at89s51 最小系统应用电路 . 223.2 电源电路 . 233.3 串口通信电路 . 233.4 感烟探测器 mc14468 . 24- - - iv - 3.5 无线射频传输模块 nrf401 . 263.6 节点烟雾检测器整体硬件电路. 283.7 中继器的硬件电路 . 283.8 感烟探测器数目的确定 . 303.9 本章小结 . 30第4章 软件设计 . 314.1 节点探测器的软件设计 . 314.2 中继器的软件设计 . 324.3 无线模块 nrf401的软件设计 . 324.3.1 nrf401无线通信所需注意的时序信息

13、. 324.3.2 无线传输模块 nrf401的工作模式 . 344.3.3 无线模块的软件实现 . 354.4 中央控制器与 pc的串行通讯 . 364.5 本章小结 . 38结论 . 39致谢 . 40参考文献 . 41附录 a . 42附录 b . 47附录 c . 51- - - v - 第1章 绪论1.1课题背景火灾现为世界上发生频率及危害性最大的灾害之一, 据联合国“世界火灾统计中心”提供的资料介绍，发生火灾的损失，美国不到7年翻一番，日本平均 16年翻一番，中国平均 12年翻一番。全世界每天发生火灾1万多起，造成数百人死亡。近几年来，我国每年发生火灾约4万起，死 2000多人，伤

14、 3000-4000人，每年火灾造成的直接财产损失10多亿元，尤其是造成几十人、几百人死亡的特大恶性火灾时有发生，给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。严峻的现实证明，火灾是当今世界上多发性灾害中发生频率较高的一种灾害，也是时空跨度最大的一种灾害。现代社会，由于人口密度较大建筑物的规模越来越趋于大型化和一体化，一旦发生火灾，灭火的难度更大。为了避免火灾的灾难性后果，火灾探测报警技术越来越受到消防界的重视。在工业和民用建筑、宾馆、图书馆、科研和商业部门，火灾自动报警系统已成为必需的装置。目前较为常用的一种火灾报警控制形式是集散式火灾自动报警系统，此种控制形式在信号传输方面大多数采用有线传输

15、。传统有线传输的缺点在于导线布局造成的硬件故障较高，且传输成本也较高，这类方式有着先天的缺陷：扩展能力差，布线繁琐，影响美观。并且有线连接的方式，线路的老化，腐蚀问题以及各种非自然损坏问题严重，使得误报警率升高，并且不易排查修理。而新兴的无线传感器技术，在传感器网络构建、维护方面都有着有线方式无可比拟的优势，因此成为未来火灾报警系统的重要发展方向1。随着当前监控范围和距离的不断加大，用户对产品要求的不断提高，新型元器件与新技术的不断成熟，无线火灾报警系统正逐渐替代原来的控制形式，它不仅传输质量高、抗干扰能力强，而且在硬件设计方面其集成度也越来越高，工作性能越来越完善，应用领域越来越广泛。传统的

16、有线火灾自动报警系统因施工工期长、误报率高等问题也困扰着消防人员，无线火灾自动报警系统能很好地解决这方面问题，具有很大的发展前途2。无线火灾自动报警系统用于探测火灾并给出声响警示信号，具体由布放在现场的探测器、无线模块和安放在控制室的控制器组成。探测器感受物质燃烧时现场的各种物理参数，将判断结果或模拟量值通过无线方式传回控制器，控制器做进一步处理后给出报警信号，同时也获取来自监视模块的消防设备的运行状态信息。1.2火灾报警系统发展概况消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分析控制器、消防控制联动。是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综

17、合集成，属于高新技术。依托中国多年的基- - - vi - 本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，象消防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：类似于国外消防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术，也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距。国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的消防

18、报警市场。我国火灾报警系统的起步较发达国家晚几十年，从上世纪70年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。进入80年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行生产，没有真正意义上的核心技术，并且市场也刚刚开始发育。火灾报警产品真正发展是在90年代以后，随着政府逐渐开放国门，国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展，部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平。国外一些较发达的国家，具有火灾预防、报警、扑救、善后处理等比较完善的

19、消防体系。政府每年都要拨出大笔资金用于消防设备更新、人员培训以及消防设施维护。德国、日本、美国等国家就采用计算机与用户终端的传感器或者用户终端信号采集器相连，对火灾自动报警设备实时监控以及故障远程传输。例如：美国、加拿大、英国、澳大利亚、日本等国家在建设和应用城市火灾自动报警监控系统方面均有可供借鉴的成功经验。他们将自动火灾报警作为公共报警手段接入监控系统，并有效运行多年，使消防指挥中心能够快速准确判断火灾地点、火灾类型，并调度消防部队迅速到达现场，自动报警监控系统在此起到了很大的作用。此外，这些国家在监控系统管理方面比较规范，专门成立一个监控服务机构，该机构的责任是保证火灾报警数据通信畅通，

20、为用户服务，对用户负责，同时向消防部队传送可靠的火灾报警信息，而消防部门的主要责任是对此类服务机构进行资质审查及监督管理。这种管理运作方式已经取得了良好的效果。火灾报警系统发展过程可分为三个阶段3：第一阶段：多线型火灾自动报警系统。每个探测器除需提供两根电源线外还需要提供一根报警信号线，探测器电源由报警器提供，探测器的信号线均连接到报警显示盘上，报警时点亮相应的指示灯，如日本“日探”公司生产的cpf 火灾报警系统，此类系统的功能一般以报警为主，辅以一些简单的联动功能（也为多线制），如驱动警铃等，其报警器对外围探测器无故障检测功能，只会对电源线的断线做出故障反应，安装此类系统比较繁琐，特别是校线

21、工作量较大。- - - vii - 第二阶段：总线型火灾自动报警系统。这种自动报警系统已采用微处理器控制，其线制一般有四线制、三线制、二线制，探测器和模块均采用地址编码形式，通过总线与控制器实现信号传送，其探测器的报警形式为开关量，它的灵敏度在制造时，通过硬件决定，不可调整，此类系统可进行现场编程，并通过各种模块对各联动设备实行较复杂的控制，此类系统已具有系统自检以及对外围器件的故障检验等功能，但对故障类型不能区分，目前国内生产的火灾自动报警系统大多数为此类产品，由于此类产品具有报警和控制功能，它的施工、安装较为方便，且价格较低，已被大量使用。第三阶段：智能型火灾自动报警系统。由于采用了先进的

22、计算机控制技术，智能化程度大大提高，探测器的报警形式采用数字量，并可通过软件对其灵敏度根据使用场合、时间进行设定和调整，如可设定白天、夜间、休息日不同灵敏度。对探测器的使用环境参数变化较大的场所，灵敏度设定相对低一些，对环境较稳定或一些重要的场所，灵敏度设定相对高一些，这一功能可提高系统的稳定性及可靠性，减少误报。1.3无线火灾报警系统与有线火灾报警系统的比较对于火灾信号传输技术的发展大体分为无线和有线两种。早期的火灾报警系统采用的是多线制总线结构，目前所广泛使用的有线制火灾报警系统为两总线制分布式智能化火灾报警系统。在两条总线上既有电源信号，也有数据信号，这种总线方式已经完全替代了多线制总线

23、。无线火灾报警系统是利用无线火灾探测装置发出火警信号和故障信号，并记录发出这些信号的地点和时间的火灾自动报警专用设备。无线火灾报警系统由无线火灾探测装置及无线火灾报警控制器组成。无线火灾探测装置主要由火灾探测器、无线发射机组成，它能发出火灾报警信号以及火灾探测装置故障报警信号。当无线火灾探测装置在探测范围内发生火灾或内部发生故障时，探测装置将产生不同信号，同时启动发射机，在规定时间内发出不同的报警信号。无线火灾报警控制器在接收到报警信号后能实现火灾和探测装置故障的声光报警功能。无线火灾探测装置按规定可以是任何一种触发装置，这种触发装置用某种无线传输方法组合的控制接收设备进行通讯，对于各种形式的

24、火灾探测装置，其应用无线传输的形式也有不同的要求，无线火灾报警系统有它独特的优势并孕育着巨大的市场潜力4。无线火灾报警系统与传统的有线系统的区别在于：前者是通过无线电信号而不是用导线将各个装置连成一个系统。二者的主要硬件部分除无线电路部分外几乎是一致的，包括控制器、感烟或感温探测装置及发声器等。无线火灾报警系统借助于无线信号而不是导线传输数据，当感烟或感温探测装置监测到烟雾时，数据通过无线射频在短时间内传送到控制器。该控制器类似于有线系统的控制器，有各种控制元件，包括与其他设备相联的输入输出装置，由天线完成到系统的主要信息输入输出。无线火灾报警系统与传统的有线火灾报警系统的比较如表 1-1 所

25、示：- - - viii - 表 1-1 有线与无线火灾报警系统的比较序号有线火灾报警系统无线火灾报警系统1 需要线路传输信号无2 各个部分需要导线连接无3 需要敷设管线无4 安装施工困难容易5 位置变更困难容易6 安装固定灵活7 一种通讯方式可有线与无线结合8 安装费用与材料费用高费用低9 调试开通费时费力省时省力10 工程总造价高低通过两种报警系统的综合比较，无线火灾报警系统优势明显。无线火灾报警系统不但工程造价很低，而且其设置灵活，都是无限报警系统不可比的5。1.4论文研究内容本课题研究的是无线火灾自动报警系统。系统的工作原理是由感烟探测器监测到火灾报警信号、故障信号等，经单片机编码通过

26、短距离无线射频方式传送给中继，中继将收集到的各个探测器节点的信号送至中央控制器，再通过人机监控界面显示各个监控点的信息，使用户能根据相应的界面提示信息进行灭火、故障排除等操作。本论文详细探讨了无线烟雾探测器、中继器及中央控制器的硬件和软件设计，并详细介绍了无线通讯部分的程序设计。基于课题的主要工作 , 本文内容安排如下：第1章：绪论。介绍了火灾报警系统的课题研究背景及有线报警与无线报警系统的差别和优缺点，并介绍了火灾探测技术在国内外的发展状况。此外，介绍了论文的主要内容及各章安排。第2章：无线火灾自动报警系统总体方案设计。对整个无线烟雾探测报警系统提出了总体方案，给出了系统的功能要求及技术要求

27、。分析了烟雾检测原理并确定了烟雾探测器、路由器的设计方案。通过比较几种短距离无线通信技术选择了一种适合本文的无线射频通信技术。第3章：无线火灾自动报警系统硬件设计。给出了烟雾探测器、中继器、中央控制器的详细硬件电路设计，并设计了射频模块电路。第4章：无线火灾自动报警系统软件设计。详细讨论了烟雾探测器的火警判断算法，给出了烟雾探测器、中继器、中央控制器的主程序。分析了射频部分的关键子程序。- - - ix - 第2章 无线火灾自动报警系统整体方案设计2.1系统设计要求本文所设计的无线火灾自动报警系统可应用于楼房建筑等的火灾探测与报警，基于此，对此系统分析了其功能要求及技术要求。2.1.1 系统功

28、能要求根据中华人民共和国国家标准火灾报警控制器通用技术条件gb4717-2005 对火灾报警系统的要求，火灾报警系统应具有火灾报警功能、故障报警功能、火灾发生时间的记录功能6。1火灾报警功能系统的上位机接收端能够接收来自火灾探测装置的火灾报警信号，发出声光火灾报警信号，并在上位机火灾报警界面指示出火灾发生的部位，记录火灾报警的时间，并予以保持。在探测装置的火灾报警信号输入时，控制器应在10s内发出火灾报警信号。系统报警界面有火警总指示灯，控制器处于火灾报警状态时，火警总指示灯应点亮，能连续显示火灾报警部位，直至手动复位。火灾报警声信号应能 (且仅能 )手动消除，当再次有火灾报警信号输入时，应能

29、再次启动；控制器应优先显示火灾报警信号，故障、隔离等其它信号的显示不应影响火灾报警信号的显示；火灾报警信号不应与其它信号交替显示；控制器需要接收同一只火灾探测装置的两个以上火灾报警信号才能确定发出火灾报警信号；系统应能手动消除和再启动火灾声光报警器的声报警信号，消声期间，有新的来自其他探测装置的火灾报警信号时，声报警信号应能再启动；对控制器除复位操作外任何操作均不应影响控制器接收和发出火灾报警信号。2火灾故障报警功能系统的上位机报警界面应具有故障总指示灯，无论系统处于何种状态，只要有故障信号输入，该故障总指示灯均点亮。3火灾发生时间的记录功能报警系统应储存每次有火灾信息的时间，以利于对本地火灾

30、信息的统计与查看。2.1.2 系统技术要求根据系统的特点，总结系统的技术要求如下：1小体积。探测器的体积要尽可能的小，这样才能减少占用的空间，而且更便于安装和更换。2高可靠性。为了保证系统能够正常工作，并且尽可能减少误报警，要求探测器与控制器之间的无线通信可靠。整个系统可能会受环境中不确定的电磁干扰影响，因此，系统要有一定的抗干扰性能。按照要求系统必须在火灾发生10s内发出报警信号，所以系统对实时性也有很高的要求。- - - x - 3低成本。每个火灾报警系统包含的探测器，可能会多达上百个，作为一款商用产品设计，应充分考虑成本，在满足系统要求的前提下，尽量降低成本，才能在市场上更有竞争力。2.

31、2无线火灾探测系统整体结构本系统由节点烟雾探测器、中继器、中央控制器及上位机监控界面组成。烟雾探测器、中继器和中央控制器之间采用无线方式通讯，中央控制器通过串口将数据发送到上位机的监控界面显示。系统方案框图如图2-1 所示：pc客户端应用界面中央控制器中继器中继器烟雾检测节点烟雾检测节点烟雾检测节点烟雾检测节点图 2-1 系统整体框图本系统中，烟雾探测器负责采集环境参数，中继器负责数据的中转，中央控制器将各个中继器发来的数据通过串口送往上位机处理并显示，实际上中继器和中央控制器的功能均是负责数据的传输。本系统所要实现的是对烟雾的探测、存储、报警及故障显示与后期处理等功能。该系统基于单片机多地址

32、编码技术，对每个分机设置不同的地址编码，从而有效降低系统呼叫时的误码率和呼叫主机间的干扰，提高了系统容量，易于扩展。系统的总体结构可以分为烟雾探测器数据采集模块、无线数据传输模块、串行通讯模块等几大部分。2.2.1 烟雾探测器节点结构设计烟雾检测节点主要由烟雾检测模块mc14468、无线射频发射模块nrf401、at89s51单片机构成。基本原理为当mc14468检测到烟雾信号后，通过单片机将信号处理后传给 nrf401，通过射频信号发射给中继器。硬件电路框图如图2-2所示。- - - xi - at89s51电源模块烟雾检测模块max232 模块无线模块天线图 2-2 烟雾探测器节点框图2.

33、2.2 中继器与中央控制器的整体结构设计中继器的作用是转接节点信号并发射给上一级，当烟雾探测器发出的数据不能到达中央控制器时，便通过中继中转，其结构简单，主要由无线射频发射接收模块与单片机构成，中央控制器与中继器采用相同的方案，但是主机可通过串口 max232 连接到 pc，将它通过无线射频接收到的数据传给上位机监控界面显示。本系统设计的中继器与中央控制器的结构框图如图2-3所示。at89s51电源模块max232 模块无线模块天线图 2-3 中继器硬件结构框图at89s51电源模块无线模块天线max232 模块pc用户监控界面图 2-4 中央控制器结构框图- - - xii - 2.3火灾探

34、测2.3.1 火灾形成原理物质燃烧，就必然有热量释放出来，环境温度升高，而在燃烧速度非常缓慢的情况下，这种热(温度 ) 是不容易鉴别出来的。物质在燃烧开始阶段，首先释放出来的是燃烧气体，比如：单分子的co和co2等气体。其次还有悬浮在空气中较大的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒，我们把这些悬浮物称为气溶胶，粒子直径一般在 0.01um左右。烟雾是人的肉眼可见的燃烧生成物，其粒子直径为0.01um-10um的液体或固体微粒称之为烟雾。不管是燃烧气体还是烟雾它们都有很大的流动性，能潜入建筑物的任何空间。由于有些气体和烟雾有毒性，所以，它对人的生命有特别大的威胁。据统计，在火灾中约有70死者的死亡就是

35、这些燃烧气体和烟雾造成的。火焰是物质着火时产生的灼热发光的气体部分。物质燃烧到发光阶段，是物质的全然阶段。在这阶段中，火焰热辐射含有大量的红外线和紫外线。从物质燃烧的基本概念出发，选择合适的火灾探测器是一个非常重要的环节，因为任何一种探测器都不是万能的，每一种探测器有一定的环境适应性，也可以说有一定的局限性。要想有效地发挥各种火灾探测器的作用，就要掌握各种火灾探测器的探测原理，以及它的适用场所，只有这样才能真正发挥它们作用。对于普通可燃烧物质的表现形式，首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气供应充分的条件下，才能达到全部燃烧，产生火焰，并散发出大量的热，使环境温度升高 ( 起火过程曲线如图 2

36、-5所示)。图 2-5起火过程曲线起火过程中，总是前两个阶段所占有的时间比较长，这是燃烧的开始阶段。如果要把火灾控制在最小限度，保证人身不受伤亡，那么火灾的探测器就应该从此阶段开始进行为宜。因为此阶段尽管产生了大量的七浓胶和烟雾，充满建筑内的空间，但是环境温度并不高，尚未蔓延发展到严重的程度。由于火灾发生时会发生烟雾、高温和火光等现象，探测器对这些现象很敏- - - xiii - 感。当有烟雾、火光、高温产生时，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压、或者机械部分发生变化或位移，信号经过放大进入控制器，并且以声光等形式发出报警信号，同时显示火灾发生部位和地点。2.3.2 火灾探测器的分类探测器

37、是火灾报警系统的现场探测部件，它的好坏直接关系到整个系统是否正常运行。当火灾发生时，把因火灾产生的各种非电量参数（如烟雾、温度等参数）变成电量参数传送给控制器。其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数（如烟雾、温度等参数）变化而变化。火灾探测器根据火灾发生时所表现出来的物理现象可以分为：气敏型、感温型、感烟型、感光型、感声型五大类7。在每个大类中，又可根据物理效应非为不同的八类。如图2-6 所示。火灾燃烧产物火焰燃烧音固体产物温度气体产物辐射火焰形成微粒烟雾形状火焰探测器图像探测器静态探测器图像探测器感音探测器气体探测器感烟探测器感温探测器图 2-6 火灾探测器的分类由于建筑结构和功能的多元化，

38、为了准确、及时地探测火灾，并进行报警，对火灾探测器提出了更高的要求。选择火灾探测器时必须充分考虑火灾探测器的性能、建筑空间形状、火灾特点和可能发生的危险。下面就一些常用火灾探测器和使用场合作一比较。感温探测器：感温探测器一般分为定温式、差温式和差定温式三种类型，单一的感温探测器由于灵敏度低，探测速度慢，尤其对阴燃情况不响应，误报率较高8。感烟探测器：感烟探测器可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器，其- - - xiv - 中离子感烟探测器具有非常好的早期报警功能，即使在环境条件不太好的场所也会有较好的探测效果，它一般适用于极高的房屋或空心花板或地下室中，感烟探测器适用于火灾前期及早期，产生大量

39、的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射，但它不能区分火灾信号与非火灾的厨房烟、水蒸气等信号，所以误报率较高9。气体探测器：气体探测器适用于散发可燃气体和可燃蒸汽的场所。但由于气体探测器探测对象co易与还原气体发生化学, 因而在有还原气体的场所可能发生误报现象10。图像探测器：目前研制出的图像火灾探测器有烟雾图像探测器、火焰图像探测器、激光图像感烟探测器等，他们都非常适合于商场大空间建筑。但烟雾图像火灾探测器对不规则物体或相似图像可能发生误报警；而火焰图像探测器则对高温物体或太阳光照射可能发生误报警：激光图像感烟火灾探测器则由于其良好的探测性能 , 发生误报警的概率小 , 非常适合商场建筑的火灾探测

40、11。红外火焰探测器和紫外火焰探测器：由于能够辐射出红外线的不仅仅是火灾的火焰，一些高温物体的表面，如炉子、太阳等都能发出与火焰红外线频带相吻合的红外线，因而这些并非火灾的红外源就容易使单波段红外火焰探测器产生误报警，紫外火焰探测器灵敏度高（毫秒级），反应快，适合在火灾发生时有强烈的火焰辐射、无阴燃阶段, 且需要火焰作出快速反应的场合。但是当环境中有紫外辐射、高温物体或有太阳光直射时可能要发出误报警动作, 因此, 紫外火焰探测器不宜用于火焰出现前有浓烟扩散或有阳光直射的地方12。2.3.3 火灾探测器的误报警产生原因及解决办法火灾探测中的误报警一直困扰着火灾探测科技工作者，据资料表明在英国误报

41、与真实火警之比为20：1；在美国为 16：1；在日本为 17：1；在我国这个比例更大。在建筑物实际使用过程中，火灾自动报警系统发生误报现象影响到建筑物正常的使用效果。频繁的误报不但严重降低用户对探测系统工作性能的信任程度，而且容易导致火灾探测系统被用户关闭，有时会产生很大后果。因此，研究产生误报的原因及减少误报的办法很有必要。火灾自动报警系统产生误报的原因比较复杂。大致分如下几类: 1探测器和报警系统各个控制环节配件自身的质量、功能引起误报. 早期的火灾自动报警系统的探测器仅能输出单一的传感器的信号量值，功能单一的传感器无法覆盖整个火灾宽带，单一的信号量值携带的火灾信息很有限。从技术的角度来看

42、，可以最大限度地抑制由电路原因、结构原因甚至emc原因引起的误报，但实践中并不是很有效。2在设计过程中，工程设计人员选用探测器不当或安装位置不妥是引起误报。3施工不按规范，偷工减料，在系统使用过程中也容易引起误报。4系统不正常，引起误报。如探测器灵敏度漂移，探测器或线路损坏，安装、调试、维修质量差、系统技术故障、系统误动作、昆虫干扰、其它系统- - - xv - 信号的干扰等因素也会使火灾自动报警器产生误报。5不利的环境条件，引起误报。如灰尘、粉尘、水雾、烹调明火、电焊、气压变化、电磁干扰、高频干扰、静电干扰、雷电、振动、冲击、结冰、污染等客观因素和影响也可引起火灾探测器产生误报。任何一种火灾

43、探测器都只是针对火灾中同时出现的多种物理量中的一种进行探测，不可避免的受到环境中某些相似因素的影响，从而导致误报警。表2-1列出了几类火灾探测器误报警的部分环境因素。表2-1 火灾探测器误报警的环境因素火灾中物理量探测器类型识别模式误报警因素接触型co、co2气体探测器接触还原气体温度感温探测器气体、温度变化固体颗粒感烟探测器灰尘、水、昆虫静电探测器静电非 接 触型辐射光火焰探测器闪烁频率照明、阳光燃烧音声音探测器功耗普强度生产、生活噪音烟雾形状图像探测器颜色、边缘不规则物体、相似色火焰形状图像探测器辐射能量区别高温物体、阳光照射6人为的故意报假警现象也比较严重解决误报警问题已成为提高火灾探测

44、器准确性的关键所在, 减少和降低误报警，有以下几条比较有效的途径：1避免和减少环境因素对误报警的影响。该方法着眼于引起误报警的环境因素, 通过改进探测器结构设计和规定使用条件入手来减低误报警。2考察参量变化与实际火灾过程的比较。该方法着眼于识别方式，通过模拟方式监测某一物理参量的变化历程, 并与实验所得火灾过程相应物理参量变化曲线相比较，由此来判断是否发生火灾, 这种方法需要大量的火灾实验数据为基础。3改单一物理参量监测为多参量复合监测，降低误报警。实行多参量复合监测要依据所在建筑及火灾特点（或火灾数据）取舍物理量，既可减低火灾误报警, 又能保证经济和技术上可行。4寻找适当的信号处理算法，如：

45、复合趋势算法、模糊逻辑算法和人工神经网络算法等，在提高灵敏度的同时将误报率降低到极限。2.3.4 火灾探测器的选择根据设计本系统的实际情况出发，对各类火灾探测器进行比较后，系统采用离子感烟探测器，它是一种室内安装的探测器，可以探测可见和不可见的烟雾，具有对火灾进行早期预报功能。在火灾发生初期，当进入离子感烟探头中采样室的烟浓度超过由参考室的门限值时，离子感烟探头底座上的指示灯将点- - - xvi - 亮，同时送出报警电压信号。在输入回路中，离子感烟探测器内的接口电路十分关键。通过探测器接口电路可以将探头报警电压信号转变为不同频率的电信号传送到控制器，由控制器判别处理，确定火灾位置报警13。2

46、.3.5 离子感烟探测器的工作原理在探测器的电离室内放一 放射源 am241，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。其工作原理为： pl和p2是一相对的电极，在电极之间放有 放射源 241镅，由于它持续不断地放射出 射线， 粒子以高速运动，撞击空气分子，从而使极板间空气分子电

47、离为正离子和负离子( 电子) ，这样电极之间原来不导电的空气具有了导电性，实现这个过程的装置我们称它为电离室，如图2-7所示。p2241ami+射线p1图 2-7 电离电流的形成如果在极板 pl和p2间加上一个电压 e，极板间原来做杂乱无章运动的正负离子，此时在电场的作用下，正负离子做有规则的运动，正离子向负极运动，负离子向正极运动，从而形成了电离电流i 施加电压 e愈高，电离电流愈大。当电离电流增加到一定值时，外加电压再增高，电离电流也不会增加，此电流称之为饱和电流尽，如图 2-8所示。ie电离电流饱和电流 is外加电压图 2-8 电离电流和电压的关系曲线- - - xvii - 电离室又可

48、分为双极性和单极性两种。整个电离室全部被射线所照射，电离室内的空气都被电离，我们把这种电离室称为双极性电离室。所谓单极性电离室，是指电离室局部被 射线所照射，使一部分形成电离区，而未被 射线所照射的部分则为非电离区。这样在同一个电离室内分为两个性子不同区域。如图2-8所示。我们把这个非电离区称为主探测区。e241 1amip1p2电离区域主探区域图 2-8 单极性电离室示意图一般离子感烟器的电离室均设计成单极性的，因为当发生火灾时，烟雾进入电离室后，单极性电离室要比双极性电离室的电离电流变化大，也就是说可以得到较大的电压变化量，从而可以提高离子感烟探测器的灵敏度，在实际的离子感烟探测器设计中，

49、是将两个单极性电离室串联起来，一个作为检测电离室（也叫外电离室），做成烟雾容易进入的结构：另一个作为补偿电离室（也叫内电离室），做成烟粒子难进入而空气又能缓慢进入的结构形式，如图2-9所示。电离室采用这种串联的方式，主要是为了减少环境温度、湿度、气压等自然条件的变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境使用能力和稳定性。离子感烟探测器电路主要有三部分组成，即前置放大器，总线无极性变换电源电路以及解码电路。补偿电离室检测电离室开关电路u1u2回压电压 u0图2-9 检测电离室和补偿电离室示意图综上所述，离子感烟探测器在正常运行中对烟雾的识别能力较强，稳定性较好。因此本系统所采用的火灾报警探测

50、器是离子感烟探测器，由它把物质初期燃烧所产生的烟雾信号转换成支流电压信号，通过导线传输给报警器，发出- - - xviii - 声光报警信号14。2.4无线通讯技术介绍目前，短距离无线通信技术主要有irda 技术、蓝牙技术、wi-fi 技术、zigbee技术等， ism射频等15。以下分述，并通过比较这几种无线网络技术的优缺点选择一种适合烟雾探测系统的无线网络。2.4.1 irda 技术lrda 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，采用人眼看不到的红外光传输信息，软硬件技术都很成熟，在各种遥控器、pda、手机等设备上广泛使用。irda 的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。

51、并且还具有特定条件所需的体积小、功耗低、连接方便、应用简单的特点。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。irda 的不足之处在于它是一种视距传输，传输数据时两个设备之间不能有阻挡物，必须对准。且红外技术只限于两台通讯设备，无法灵活构成网络。irda 提出了对工作距离、工作角度(视角)、光功率、数据速率不同品牌设备互联时抗干扰能力的建议。当前红外通讯距离最长为3米，接收角度为 30度。irda 目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据速率。2.4.2 蓝牙技术蓝牙技术是在 1998年推出的，主要用于通信和信息设备的无线连接。蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术，具有中等速率，用无线

52、接口代替有线电缆的连接，具有很强的移植性。能在包括移动电话、pda、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换，也能够成功地简化以上这些设备与 intemet网之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙技术是一种无线数据和语音通信的开放性全球规范，其实质是为固定设备或移动设备之间的通信建立通用的近距离无线接口，能在近距离范围内实现相互通信或操作。它的工作频率为2.4ghz，有效范围大约在10m半径内，提供1mbps的传输速率。蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备。无线方式将创门连成一个微微网，多个微微网之间也可以互连

53、形成分布式，从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。蓝牙系统的基本网络单元是微微网，一个微微网包括一个主设备(master)和多个从设备 (slave)，一个主设备同时最多只能与7个从设备保持联系。由主设备决定该微微网内跳频时钟的同步，从设备在主设备向其发出查询信息后才能向主设备发出发送数据，从设备之间不能相互通信16。bluetooth技术规定了包括 phy、mac 、网络和应用层等集成协议栈。语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供250kb系统开销，从而增加了成本和集成复杂性。另外， bluetooth对每个微微网只能配置 7个节点的限定制约了其在大型传感器网络开发中的应用。另外，蓝牙芯片

54、的大小和价格下调、抗干扰能力不- - - xix - 强、传输距离太短等问题，制约了蓝牙的广泛应用。2.4.3 wi-fi 技术wi-fi 技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术，该技术使用空闲的2.4ghz附近的频段。 wi-fi 技术的无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有巧米左右，而wi-fi 的半径则可达 100米左右，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。虽然由wi-fi 技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙技术差一些，传输质量也有待改进，但它最大的优点就是传输速度非常快，可以达到11mbps，符合个人和社会信息

55、化的需求。2.4.4 zigbee 技术zigbee技术特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层（phy）和媒体访问控制层（ mac ）协议为 ieee802.15.4协议标准，此协议与zigbee的关系如图 2-13所示，网络层由 zigbee技术联盟制定，应用层要根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式17。应用层（ apl ）应用支持子层（ aps）网络层（ nwk ）媒体访问控制层（ mac）物理层（ phy

56、）zigbee联盟ieee802.15.4图2-10 ieee802.15.4与zigbee 关系图根据ieee802.15.4标准协议， zigbee的工作频段分为 3个频段，这 3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数目不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。2.4.5 1ghz 以下 ism 短距离无线射频技术ism 射频芯片一般使用单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，一般射频芯片采用fsk调制方式，工作于工业、科学、医学（ism：industrial，seientifieandmedieal）频段。这种 ism短距离无线射

57、频芯片的制造商有很多，比如tl、 chpcon、mieroehip公司，挪威nordie公司等等，这种短距离射频芯片的传输距离根据其传输速率的不同可以为几十到几百米，如果加上功放电路，在空旷场所的传输距离甚至可以达到上千米， 1ghz以下的射频芯片对建筑物的穿透力强，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。因其功小，开发简单快速而应用广泛，但数据传输速度、流量都较小，适合搭- - - xx - 建小型网络，在工业，民用领域使用较广。这种简单、方便且可靠的射频通信方式有着广阔的

58、应用环境，在很多简单的无线数据传输应用中使用，如自动读表(automaticmeterreading，amr) 、报警和安全系统、无线键盘、无线操作杆、家庭自动化、无线计算机外设、遥测和玩具、汽车防盗、智能家居、餐饮服务等场合。这种单片集成射频通信技术都有着十分广阔的应用前景。2.4.6 无线通信技术的选择通过上面几种无线网络的概述，我们可以看出，无论是zigbee 技术、 irda技术、蓝牙、 wi-fi 技术、 ism 短距离无线射频技术，它们都有各自的特点，适用于不同的应用场合，它们之间存在相互竞争、相互补充、谁也不能替代谁。在本节所提到的几种无线通信技术中，红外irda 的数据传输主要

59、是点对点方式，不支持组网；蓝牙主要用于通信和信息设备的无线连接；wi-fi 的主要目的是提供 wlan 接入； zigbee在中国工作于 2.4ghz频段时其传输距离一般只有墙体及钢筋混凝土的阻挡，如果采用zigbee传输方式会由于传输距离不够而需要大大增加无线传输的节点数目，加之zigbee解决方案的成本比 1ghz以下的解决方案本来就要高出一倍以上，这不可避免地增加了系统的成本；1ghz以下的ism无线射频由于其传输距离远，穿透能力强，成本低廉，组网方式灵活等优点而选为本文烟雾探测系统的无线传输网络。1ghz以下的短距离无线收芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适芯片可以提高产品开发周期

60、、节约成本。综合考虑系统设计中以上几点因素，选用ti公司的一款短距离射频芯片nrf401。2.5本章小结本章节主要讨论了无线火灾探测系统的整体方案设计，分别设计了节点烟雾探测器、中继器、中央控制器的方案。分析了火灾形成原理及探测器类型，重点描述了离子感烟探测器的原理。通过比较几种常见的无线通信技术，选择了一种 1ghz 以下的无线射频技术作为本系统的无线通讯方式。- - - xxi - 第3章 无线火灾报警系统硬件电路设计3.1系统应用单片机的选型鉴于本系统低功耗、低成本、实用性强的应用特点，本系统采用at89s51单片机作为各部分的控制核心。at89s51单片机具有多种封装形式，包括pdip