【正文】 闊的應(yīng)用前景。工程試驗(yàn)結(jié)果充分顯示了技術(shù)的可行性和實(shí)現(xiàn)的有效性。隨著智能樓宇技術(shù)應(yīng)用的迅速發(fā)展，商業(yè)市場對(duì)火災(zāi)報(bào)警器的需求不斷增長，目前主要使用的是智能型總線制分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，雖然在系統(tǒng)安裝方面比過去大大方便，但仍然不能滿足現(xiàn)代需要，其安裝成本約占設(shè)備成本的 33%～ 70%。而無線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)能夠滿足目前要求，它具有安裝容易、快捷、便宜、無需布線、對(duì)建筑物 表面的最小破壞性、對(duì)功能變化的易適應(yīng)性等特點(diǎn)。 有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)表明：凡是安裝了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的場所，發(fā)生了火災(zāi)一股地說都能及早報(bào)警，不會(huì)釀成重大火災(zāi) 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的突發(fā)性、立體性和區(qū)域不確定性 ,使攻防界線模糊 ,作戰(zhàn)方向多變 ,戰(zhàn) 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)已有百余年的發(fā)展歷史， 19 世紀(jì) 40 年代美國誕生的火災(zāi)報(bào)警裝置標(biāo)志著火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)首次進(jìn)入人們的視野 [1]。1890 年在英國，感溫式火災(zāi)探測器研制成功并應(yīng)用于火災(zāi)探測系統(tǒng)，標(biāo)志著火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展走上正軌 [2]。此后，隨著世界科技取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步和各種新興技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)也相應(yīng)迅速發(fā)展，各種類型的火災(zāi)探測器相繼問世，并日臻完善，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)也在此山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 基礎(chǔ)上逐漸地蓬勃發(fā)展起來，其發(fā)展過程可以分為以下幾個(gè)階段 : 第一階段，從 19 世紀(jì) 40 年代至 20 世紀(jì) 40 年代，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)處于發(fā)展的初級(jí)階段，采用的探測器主要是感溫式的探測器，它通過采集溫度信號(hào)，然后判定是否超出設(shè)定的閡值，從而判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。這一階段，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)簡單，僅靠單一的溫度參量進(jìn)行火災(zāi)判斷。但是它易受環(huán)境中其他干擾源的影響，靈敏度低，響應(yīng)速度慢，無法判斷陰燃火災(zāi)，也無 法滿足智能化火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的要求。 第二階段， 20 世紀(jì) 40年代末，瑞士物理學(xué)家 Emst Meili 研究的離子感煙探測器推出以后，引起了人們對(duì)離子感煙探測器的重視，隨后感煙探測器得到廣泛應(yīng)用，并逐漸占據(jù)了絕大部分市場，迫使感溫式探測器退居其次；到 70 年代末，光電式感煙探測器在光電技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，并很快得到大力發(fā)展，它的使用壽命長，抗干擾能力強(qiáng)，沒有離子感煙探測器的放射性問題。在這一階段，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)普遍采用多線制布局方式，布線、調(diào)試、系統(tǒng)可靠性是系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。 第三階段， 20 世紀(jì) 80 年代初期，總線型火 災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)開始興起，在火災(zāi)報(bào)警領(lǐng)域中邁出了一大步，并得到了較普遍的應(yīng)用。它使得布線工作量顯著減少，安裝調(diào)試更加容易，更能精確報(bào)警定位。但是這一時(shí)期的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的智能化水平不高，采用有線連接對(duì)工程要求高。 第四階段，從 20 世紀(jì) 80 年代中后期開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、集成電路技術(shù)、傳感器技術(shù)及智能技術(shù)的快速發(fā)展，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)步入智能化時(shí)代，智能化火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)迅速發(fā)展起來，各種智能型的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。模擬量可尋址技術(shù)的應(yīng)用使得火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的安全性、精準(zhǔn)性和智能性有了很大提高，在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系 統(tǒng)發(fā)展史上具有里程碑的意義 [3]。 近年來，采用無線通信方式的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在國外悄然興起。這山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 種系統(tǒng)引入了無線電通信技術(shù)，利用無線通信方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線通信方式，將大多的電器裝置通過無線連接方式進(jìn)行信息傳輸與控制，適用于各類建筑和場所。無線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)起初僅用于特殊場合，如博物館、名勝古跡等不宜布線的場合，而且其價(jià)格也比較高 [4]。隨著科技進(jìn)步和元器件成本的降低，無線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的研發(fā)和生成成本也隨之降低，它在性能和價(jià)格上都具有很強(qiáng)的競爭力，其市場潛力已經(jīng)嶄露頭角 [5]。 在我國，采用的無線通信方 式的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)日益受到重視。由于其具有安裝簡便、對(duì)建筑物無損壞作業(yè)、靈活性好，易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，適用于許多場合，如名勝古跡、體育館、博物館、展覽中心、處于施工階段的建筑物、醫(yī)院等?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的智能性主要體現(xiàn)在火災(zāi)判決和統(tǒng)籌管理方面，一般分為分散式、集中式和分布式，分散式系統(tǒng)由非智能型控制器若干智能型探測節(jié)點(diǎn)組成，由探測節(jié)點(diǎn)完成火災(zāi)狀態(tài)的判斷 。集中式系統(tǒng)由智能型控制器和若干非智能探測節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，探測節(jié)點(diǎn)僅將火災(zāi)參量傳送給控制器，由控制器智能地判斷火災(zāi)狀態(tài)；分布式系統(tǒng)的控制器和探測節(jié)點(diǎn)均為智能型，也是今 后火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展方向 [6]。 課題研究的背景和意義 在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會(huì)發(fā)展的主要災(zāi)害之一?；馂?zāi)是世界上發(fā)生頻率較高的一種災(zāi)害，幾乎每天都有火災(zāi)發(fā)生。據(jù)聯(lián)合國“世界火災(zāi)統(tǒng)計(jì)中心 (WFSC)20xx 統(tǒng)計(jì)資料”，全球每年大約發(fā)生火災(zāi) 600 萬至 700 萬次，全球每年死于火災(zāi)的人數(shù)約為 65000 至75000 人。其中，歐美地區(qū)發(fā)生的火災(zāi)較多，死亡人數(shù)卻相對(duì)較少，這與歐美發(fā)達(dá)國家的生活水平以及消防技術(shù)和設(shè)施有關(guān) 。相比較而言，亞洲地區(qū)發(fā)生火災(zāi)次數(shù)較少，但死亡人數(shù)較多，這與亞 洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不高、消防設(shè)施不完善等因素有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國 70 年代火災(zāi)年平均損失不到 億元，80 年代火災(zāi)年平均損失接近 億元。進(jìn)入 90 年代，特別是 1993 年以來，火災(zāi)造成的直接財(cái)產(chǎn)損失上升到年均十幾億元，年均死亡 20xx 多人。隨著山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市高層、地下以及大型綜合性建筑日益增多，火災(zāi)隱患也大大增加，火災(zāi)發(fā)生的數(shù)量及其造成的損失呈逐年上升趨勢(shì)。一旦發(fā)生火災(zāi)，將對(duì)人的生命和財(cái)產(chǎn)造成極大的危害 [7]。 嚴(yán)峻的事實(shí)證明，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)財(cái)富日益增加，火災(zāi)給人類、社會(huì)和自然造成的危 害范圍不斷擴(kuò)大，它不僅毀壞物質(zhì)財(cái)產(chǎn)，造成社會(huì)秩序的混亂，還直接危脅生命安全，給人們的心靈造成極大的傷害。殘酷的現(xiàn)實(shí)讓人們逐漸認(rèn)識(shí)到監(jiān)控預(yù)警和消防工作的重要性，良好的監(jiān)控系統(tǒng)和及時(shí)的報(bào)警機(jī)制可以大大降低人員的傷亡，為社會(huì)減少不必要的損失 [8]?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng) (FAS)就是為了滿足這一需求而研制出的，并且其自身的技術(shù)水平也在隨著人們需求的不斷地提高，在功能、結(jié)構(gòu)、形式等方面不斷地完善。 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能迅速監(jiān)測火情，可發(fā)現(xiàn)人們不易發(fā)覺的火災(zāi)早期特征，可將火災(zāi)帶來的生命財(cái)產(chǎn)損失降到最低限度?；馂?zāi)發(fā)生的早期，會(huì)使得燃燒物質(zhì)分解，析出大量的有毒氣體 CO，人們可能在毫無察覺火情的情況下就發(fā)生了 CO 中毒，從而無力逃生，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可監(jiān)測到 CO濃度的變化，為人們提供 CO 濃度超標(biāo)報(bào)警信息，通知人們及時(shí)疏散 [9]。火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可作為城市消防系統(tǒng)的單元，通過城市消防專用網(wǎng)與城市消防報(bào)警中心聯(lián)網(wǎng)，及時(shí)將報(bào)警信息傳遞到消防報(bào)警中心，城市消防報(bào)警中心會(huì)自動(dòng)查找到火災(zāi)發(fā)生的位置，并為消防隊(duì)員制定消防路線圖，以便消防隊(duì)員可以迅速抵達(dá)火災(zāi)地點(diǎn) [10]?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能對(duì)火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和準(zhǔn)確報(bào)警，有著防止和減少火災(zāi)危害、保護(hù)人身 安全和財(cái)產(chǎn)安全的重要意義，有著很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 第２章 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 火災(zāi)產(chǎn)生原理及過程 火災(zāi)是一種失去人為控制的由燃燒造成的災(zāi)害，產(chǎn)生火災(zāi)的基本要素是可燃物、助燃物和點(diǎn)火源?？扇嘉镆詺鈶B(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種形態(tài)存在，助燃物通常是空氣中的氧氣。根據(jù)可燃?xì)怏w與空氣混合方式不同有兩種燃燒方式，如果在燃燒前，可燃?xì)饩团c空氣均勻混和，則稱之為預(yù)混燃燒；如果可燃?xì)怏w和空氣分別進(jìn)入燃燒區(qū)邊混合邊燃燒，則稱之為擴(kuò)散燃燒。液體和固體是凝聚態(tài)物質(zhì)，難與空氣均勻混合，它們?nèi)紵幕具^程是當(dāng)從外部獲取 一定的能量時(shí)，液體或固體先蒸發(fā)成蒸汽或分解出可燃?xì)怏w (如CO、 H2等 )的分子團(tuán)、灰燼和未燃燒的物質(zhì)顆粒懸浮在空氣中，稱之為氣溶膠。一般氣溶膠的分子較小 (直徑 m)。在產(chǎn)生氣溶膠的同時(shí)，產(chǎn)生分子較大 (直徑 一 10μ m)的液體或固體微粒，稱為煙霧?？扇?xì)怏w與空氣混合，在較強(qiáng)火源作用下產(chǎn)生預(yù)混燃燒。著火后，燃燒產(chǎn)生的熱量使液體或固體的表面繼續(xù)放出可燃?xì)怏w，并形成擴(kuò)散燃燒。同時(shí)，發(fā)出含有紅、紫外線的火焰，散發(fā)出大量的熱量 [11]。這些熱量通過可燃物的直接燃燒、熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流，使火從起火部位向周 圍蔓延，導(dǎo)致了火勢(shì)的擴(kuò)大，形成火災(zāi)。其中的氣溶膠、煙霧、火焰和熱量都稱為火災(zāi)參量，通過對(duì)這些參量的測定便可確定是否存在火災(zāi)。 根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生現(xiàn)象的不同，可以將火災(zāi)分為慢速陰燃、明火和快速發(fā)展火焰等。陰燃就是在疏松或顆粒介質(zhì)中形成的緩慢進(jìn)行的熱解和氧化反應(yīng)，它能長時(shí)間自行維持并傳播，當(dāng)條件發(fā)生變化時(shí)，或者自行熄滅，或者轉(zhuǎn)化為明火。明火則是火災(zāi)發(fā)生時(shí)燃燒火焰產(chǎn)生的熱量使液體或固體的表面放出可燃?xì)怏w，并形成擴(kuò)散燃燒，同時(shí)發(fā)出含有紅、紫外線的火焰?？焖侔l(fā)展火焰則是火災(zāi)擴(kuò)散的速度特別快，這種類型的火災(zāi)一般為山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 空氣中 混有大量可燃?xì)怏w。通過大量的研究表明陰燃是誘發(fā)火災(zāi)的重要原因 [12]。 總的來說，普通可燃物在燃燒時(shí)表現(xiàn)為以下形式：首先是產(chǎn)生燃燒氣體，然后是煙霧，在氧氣充足的條件下才能達(dá)到全部燃燒，產(chǎn)生火焰，發(fā)出可見光和不可見光，并散發(fā)出大量的熱，使環(huán)境溫度升高。起火過程中，起初和陰燃兩個(gè)階段所占的時(shí)間比較長，雖然產(chǎn)生大量的煙霧，但是環(huán)境溫度不太高，若探測器就應(yīng)該從此階段開始進(jìn)行探測，就可以火災(zāi)損失控制在最小限度?；鹧嫒紵?，迅速蔓延，產(chǎn)生大量的熱使得環(huán)境溫度升高，如果能將這時(shí)能夠探測到有效地溫度值，就可以比較及時(shí)地控制 火災(zāi)。起火過程曲線如圖 所示 [13]。 圖 起火過程曲線 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體功能概述 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一般由火災(zāi)探測器、報(bào)警器組成。火災(zāi)探測器通過對(duì)火災(zāi)發(fā)出的物理、化學(xué)現(xiàn)象 —— 氣（燃燒氣體）、煙（煙霧粒子）、熱（溫度）、光（火焰）的探測，將探測到的火情信號(hào)轉(zhuǎn)化成火警電信號(hào)傳遞給火災(zāi)報(bào)警控制器。報(bào)警器將接收到火警信號(hào)后經(jīng)分析處理發(fā)出報(bào)警信號(hào)，警示消防控制中心的值班人員，并在屏幕上顯示出火災(zāi)的位置。整體電路的框圖如圖 2２所示 ： 圖 22 系統(tǒng)原理及組成框圖 傳感器 放大電路 A/D轉(zhuǎn)換 單片機(jī) 狀態(tài)指示燈 聲音報(bào)警 濃度顯示 按鍵 串口通信 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 系統(tǒng)硬件總體構(gòu)架 報(bào)警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)控制模塊、聲光報(bào)警模塊組成。圖 為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 : 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 單片機(jī)是整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的工作原理是：先通過傳感器 (包括溫感和煙感 )將現(xiàn)場溫度、煙霧等非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，調(diào)理電路將傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理 (放大、濾波等 )，使之滿足 A /D 轉(zhuǎn)換的要求 ,最后由 A /D 轉(zhuǎn)換電路 ,完成將溫度傳感器和煙霧傳感器輸出的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)判斷 現(xiàn)場是否發(fā)生火災(zāi)。如果發(fā)生火災(zāi)，系統(tǒng)以聲光的形式報(bào)警。 本文設(shè)計(jì)的用于小型防火單位的單片機(jī)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有以下特點(diǎn) : (1)能對(duì)室內(nèi)煙霧 (CO2, CO) 及溫度突變進(jìn)行報(bào)警 ,具有聲、光雙重報(bào)警功能。 (2)系統(tǒng)故障報(bào)警功能。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)硬件故障時(shí)，能發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。 (3)異常報(bào)警功能。當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)異常 (如煙霧濃度過大或是溫度較高 )時(shí)，能發(fā)出異常報(bào)警信號(hào)，引起人們注意，盡可能避免火災(zāi)的發(fā)生。 (4)火災(zāi)報(bào)警功能。一旦真出現(xiàn)火災(zāi) (煙霧和溫度同時(shí)出現(xiàn)異常 )時(shí)，能立即山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 發(fā)出語音、光火災(zāi)警報(bào) [15] 。據(jù)類似本系統(tǒng)的 報(bào)警器現(xiàn)場模擬實(shí)驗(yàn)表明 , 本系統(tǒng)安全可靠 , 誤報(bào)率低。且由于其體積小、操作維護(hù)方便、成本低廉等 , 具有廣闊的應(yīng)用前景。 系統(tǒng)軟件總體構(gòu)架 為了便于系統(tǒng)維護(hù)和功能擴(kuò)充，采用了模塊化程序設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷與報(bào)警子程序等，系統(tǒng)程序流程圖如圖 所示。 圖 程序流程圖 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 為了降低誤報(bào)率，系統(tǒng)采用多次采集、多次判斷的方法。每次數(shù)據(jù)采集后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)場情況進(jìn)行判斷，然后綜合多次判斷結(jié)果做出最終的火情判斷。 主程序是一個(gè)無限循環(huán)體，其流程是：首先在上電之后系統(tǒng)的各部分包括單片機(jī)各個(gè)端口輸入輸出的設(shè)置、外圍驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路等完成初始化，其次是對(duì)芯片內(nèi)的程序進(jìn)行初始化，接下來執(zhí)行火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，數(shù)據(jù)通信任務(wù)和查詢判斷任務(wù)。 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的類型 根據(jù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中所使用的探測器種類的不同，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以分為以下四種： （ 1）感溫型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 由于火災(zāi)發(fā)生時(shí)燃燒物會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，使得周圍溫度迅速變化。感溫型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)就是通過判斷周圍溫度變化而產(chǎn)生響應(yīng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，再把溫度的變化轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)以達(dá)到判斷報(bào)警的目的。根據(jù)探測溫度參數(shù)的不同，一般可以將感溫型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)分為定溫式、溫差式等幾種。 (2)感煙型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 煙霧是早期火災(zāi)的重要特征之一。在火災(zāi)發(fā)生的初期，由于溫度比較低，許多物質(zhì)都處于陰燃階段，產(chǎn)生大量的煙霧。感煙型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)就是對(duì)空氣中可見或不可見的煙霧粒子進(jìn)