基于信息融合技术的无线火灾探测报警系统

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。

(2)火灾报警控制器，负责接收复合探测节点的信息，通过时钟芯片记录火灾的时间以备事后查询，利用SD卡存储历史信息，在液晶屏上实时显示相关检测节点信息，在检测到报警信息时能够启动报警并开启执行装置，同时能定时检测各复合探测节点，判定其是否正常工作，如图3所示。

2 系统硬件设计
目前各类型的火灾探测器MCU都是利用单片机技术，系统选用和8位单片机价格相当的32位处理芯片的STM32F103RBT6作为火灾报警控制器和复合探测节点的主控芯。STM32F103RBT6是ST公司推出的32位微控制器，使用了先进架构的ARM Cortex—M3内核，其灵活的静态存储器控制器能方便地与许多存储器和外设连接，同时由于其具有丰富的片上外设，从而简化外围电路设计。
2．1 微控制器电路设计
微控制器STM32F103C6最小系统电路包括电源电路、时钟电路、复位电路。电源和复位电路如图4所示。

2．2 传感器的选择
系统中温度传感器采用LM35DZ，它是把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成一个集成温度传感器。其灵敏度为10 mV／℃；工作温度范围为0～100℃；工作电压为4～30 V；精度为±1℃。最大线性误差为±0．5 ℃；静态电流为80μA。其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换如式(1)所示。
Vout_LM35(T)=10 mV／℃×T℃ (1)

温度采集电路及运放电路设计如图5所示。烟雾传感器和CO传感器分别选用常见的MQ-2和MQ-7型气体传感器。这两种传感器均为基于二氧化锡(SnO2)的金属半导体传感器，敏感机理为被检测气体吸附造成的半导体敏感层电导率的变化。下面以MQ-2型气体传感器为例，介绍其工作原理。MQ-2型气体传感器对不同种类和浓度的气体有不同的电阻值，使用MQ-2型气体传感器的测量电路比较简单，如图6所示。MQ-2型气体传感器的加热端和测量输入端均用5 V DC供电，输出端V1经调理输入到MCU，V1的大小与烟雾浓度值直接相关。

2．3 ZigBee通信模块
ZigBee是一种近距离、低功耗、低数据传输率、低复杂度和低成本的无线网络技术。它有3个工作频段，分别为868 MHz,915 MHz和2．4 CHz。其中，868MHz和915 MHz频段为欧美国家使用。而2．4 GHz频段则为全球通用的免费ISM(Industrial ScientificMedical)频段，该频段16个信道，数据传输率为250 kbit·s-1。ZigBee无线网络基于DSSS扩频技术，采用CSMA／CA的信道接入方式，节点间的通信距离介于10～100 m，加上PA模块后可达千米。
文中无线通信模块选用顺舟科技SZ05系列Z-Bee嵌入式无线串口通信模块，采用加强型的ZigBee无线技术，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现多设备间的数据透明传输；可组Mesh型的网状网络结构。

3 系统软件设计
从整体上看，可以将系统软件分为两个部分：火灾报警控制器软件程序和复合探测节点软件程序。系统采用模块化的编程思想，把软件系统化为多个功能模块，主程序通过调用各子程序来完成复杂功能的实现。
系统为确保各个节点都处于正常工作的状态，报警控制器定时根据接收到的各节点的ID号判断各节点是否正常工作。若火灾报警控制器在一段时间内未收到某一复合探测节点的ID号信息，则判定该节点出现故障，在显示屏上显示相关信息并报错以便工作人员能及时处理。
3．1 复合探测节点的火灾算法设计
把采集到的温度、烟雾和CO数据转化为实际的温度值、烟雾浓度值和CO浓度值，并提取相关数字量用来判断是否有火灾发生。火灾判断根据以下6个变量：温度值T、烟雾值S、CO值C、温度上升量△T、烟雾上升量△S和CO上升量△C。当温度、烟雾或者CO值达到阈值时，进行火灾预警，接着关注△T／、△S或者△C是否达到阈值，如果是则判断火灾发生，发出报警并将信息传送给火灾报警控制器，否则返回预警状态。火灾判断流程如图7所示。

3．2 火灾报警控制器的软件设计
主程序主要包括对STM32芯片的通信程序、SD卡存储程序、LCD显示程序等。当火灾报警控制器接收到探测节点发送的信息后，存储在一个循环队列中，在主界面上显示出相关的探测节点信息。当判断有异常情况发生时，显示出异常情况并保存异常信息，同时触发报警电路，以提示工作人员。火灾报警控制器软件流程，如图8所示。

4 实验及结论
为验证该系统对火灾监测和通信的可靠性，对火灾复合探测节点和火灾报警控制器进行测试，该系统监测的部分环境数据如表1所示。