【導讀】目前，機車內(nèi)發(fā)生火災(zāi)情況仍然比較嚴重，尤其是在內(nèi)燃機車內(nèi)，行車時內(nèi)部溫度比較高，起火現(xiàn)象常有發(fā)生，現(xiàn)在即使在機車內(nèi)配置了自動報警系統(tǒng)，但所用的探測器往往只是單一的煙霧探測器，誤報、漏報現(xiàn)象嚴重。為了及時發(fā)現(xiàn)機車內(nèi)各種火災(zāi)隱患，避免火災(zāi)事故的發(fā)生，本文在討論傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了基于多傳感器信息融合的火災(zāi)自動報警滅火系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由復合智能探測器、主控制器、滅火裝置等三部分組成。在機車內(nèi)由于空間小，為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、合理布線，通信部分采用CAN現(xiàn)場總線貫穿整個系統(tǒng)，使系統(tǒng)的可靠性大大提高?？朔藗鹘y(tǒng)探測器進行單一閾值的判斷問題，更加提高了系統(tǒng)最終判斷的準確性和可靠性。利用MATLAB仿真軟件對我國標準明火SH4、標準陰燃SH1等兩種火災(zāi)信號進行了仿真，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較強的識別能力和抗干擾能力，因此本文基于多傳感器融合的智能火災(zāi)報警滅火系統(tǒng)有很好的可行性。

　　

【正文】 1SPI 0捕獲/比較定時器 0amp。1PWM 1看門狗定時器管腳連接模塊12位 ADCGPIO中斷Ctl測試/調(diào)試接口ARMCortexM3跟蹤模塊跟蹤端口JTAG接口USB接口以太網(wǎng)PHY接口多層AHB矩陣ROM 8kB高速GPIOSRAM64kBFlash 加速器Flash 512kBAHB到APB橋AHB到APB橋SSP0UARTs 2amp。3I2S I2C2重復性的中斷定時器捕獲/比較定時器2amp。3外部中斷DAC系統(tǒng)控制電機控制PWM正交編碼器注：有圖案陰影的外設(shè)模塊支持通用DMA實時時鐘32KHz振蕩器RTC電源域APB從機組1APB從機組0時鐘與控制結(jié)束顯示結(jié)束？調(diào)整指針，指向LCD的下一行預設(shè)數(shù)據(jù)顯示在指定區(qū)域中待顯示數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)置顯示行初值，顯示指針指向第一行清顯示RAM區(qū)LCD初始化時鐘與控制XtalinXtaloutRST CortexM3系統(tǒng)內(nèi)核圖 CortexM3的最小硬件系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)時鐘電路ARM處理器若沒有時鐘電路，就無法正常工作，所以在整個系統(tǒng)中至關(guān)重要。系統(tǒng)時鐘提供的時鐘周期是其它控制信號時序的依據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計使用外部晶振，：XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端，系統(tǒng)采用的定時元件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率選擇12MHZ，電容C3C39大小取30pF，電容起頻率微調(diào)的作用。 時鐘電路 復位電路CortexM3中復位有按鍵復位和JTAG上電復位，本設(shè)計中采用了74LVC2G08雙輸入與門[18]，～5V的外部設(shè)備。按鍵復位當按鍵按下，與門輸入端2引腳為低電平，輸出即為低電平，此時系統(tǒng)復位，若干毫秒后，ARM進入工作狀態(tài)。 復位電路 電源模塊電路設(shè)計電源部分主要為各路探測器、主控制器、液晶模塊、滅火裝置等四部分提供電源。滅火裝置驅(qū)動電源為24V，在本系統(tǒng)中采用VICOR電源模塊，機車內(nèi)部為直流110V，通過VICOR電源模塊的V110B24T200BN3，即可輸出24V，： 110V轉(zhuǎn)24V電源電路圖中T1是共軛線圈，和DC3等組合一起主要起到抑制共模干擾的作用；D1是自恢復保險絲，防止電流過大燒毀電路。V110B24T200BN3的引腳＋IN和－IN端為直流電壓輸入正、負端；引腳＋OUT和－OUT為直流電壓輸出正、負端。＋S和－S端為正、負輸出電壓感受端，在本設(shè)計中不需要感受，將＋S與＋OUT、－S與－OUT直接相連。 煙霧傳感器電源電壓為5V，采用TPS5420D穩(wěn)壓器使電壓從24V降到5V，： 24V轉(zhuǎn)5V電源電路，采用CAT6219330DGT3降壓芯片。穩(wěn)壓器的EN引腳為輸出使能端，高電平有效，所以在電路中有一下拉電阻R1，防止電路被禁用。BYP引腳是參考旁路引腳，通過電容C7可以減少輸出噪聲和提高頻率。： 系統(tǒng)報警電路硬件設(shè)計各路傳感器的數(shù)據(jù)通過A/D采集，ARM判斷分析后，當達到報警值時，就會產(chǎn)生聲音報警。：8550為PNP型三極管，R69起到基極限流的作用。聲音報警采用直流蜂鳴器，用PNP三極管8550進行驅(qū)動控制，三極管Q4導通，蜂鳴器B1蜂鳴；，三極管Q4截止，蜂鳴器不鳴或停止蜂鳴。 聲音報警電路機車頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，且空間不大，有若干個室組成。內(nèi)燃機車通常設(shè)有駕駛室、輔助機械電器室、柴油發(fā)動機室和冷卻室等四部分區(qū)域。電力機車一般由電氣室和駕駛室兩區(qū)域組成，電氣室由輔助室、高壓室、變壓器室等組成。所以有必要在主控制器上配置LED燈光提醒功能，每個室內(nèi)配置一個探測器，當機車內(nèi)其中一個室發(fā)生火情，司機室內(nèi)工作人員就可以在控制器上看到室所對應(yīng)的LED常亮，因此可以更加迅速的知道火情發(fā)生地點。正常情況下，每個LED燈為每隔5秒閃一次，當發(fā)生火災(zāi)報警時，LED燈常亮。～，即低電平時LED燈亮，高電平時LED滅。： LED報警電路 鍵盤顯示模塊的電路設(shè)計 鍵盤模塊主控制器配置了4個獨立按鍵：KEY1~KEY4。電路工作原理：當無按鍵按下時，處理器引腳為高電平，有按鍵按下則相應(yīng)引腳為低電平，在系統(tǒng)中，當火災(zāi)探測器探測到火情并發(fā)送數(shù)據(jù)給總控制器時，人們可以通過現(xiàn)場或通過實時監(jiān)控裝置確認火災(zāi)的情況，如果確認為誤報，可以按下KEY1鍵來取消聲光報警，重新恢復正常，繼續(xù)實時探測情況；如果確認有火情，可以按KEY2~KEY4可以打開滅火裝置進行自動滅火并且取消聲光報警，KEY2與KEY4分別代表電力機車輔助室、高壓室、變壓室內(nèi)的滅火裝置開關(guān)按鈕，只要有火災(zāi)報警，就可以識別出具體哪個位置發(fā)生火情，再按下相對應(yīng)的滅火按鍵即可。 鍵盤電路 TG12864E液晶顯示模塊液晶顯示模塊采用TG12864E液晶顯示屏，該液晶自帶中文字庫。接口方式有串行與并行兩種，TG12864E液晶屏具有接口方式靈活，操作指令簡單方便等諸多優(yōu)點，是應(yīng)用較多的中文人機交互界面。該液晶顯示屏總共有20個管腳，管腳接口說明如下表： LCD管腳接口說明管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3V～+5V電源正3V0對比度（亮度）調(diào)整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7——DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7——DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7——DB0R/W=“L”,E=“H→L”, DB7——DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號7～14DB0～DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC空腳17RESETH/L復位端，低電平有效18VOUTLCD驅(qū)動電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源負端在本設(shè)計中所用的接口為2線串行方式，根據(jù)上表引腳說明，使用串口通訊模式，將PSB接固定低電平，故在硬件設(shè)計中此管腳接地；液晶自帶上電復位電路，如果不需要經(jīng)常復位，可將該端懸空或接高電平，本系統(tǒng)無需經(jīng)常復位，所以硬件設(shè)計中接入高電平。3管腳接入滑動阻器，可以手動調(diào)節(jié)亮度；20管腳的兩上PNP三極管有放大電流的作用。： 液晶LCD驅(qū)動電路 實時時鐘設(shè)計RTC，即實時時鐘，是一組計數(shù)器，有來測量時間，帶有日歷與時鐘功能。在系統(tǒng)掉電時也可以繼續(xù)運行，而且掉電模式下功率消耗極低。CortexM3自帶實時時鐘模塊，RTC時鐘源是通過外部晶振來實現(xiàn)的，，用來產(chǎn)生1Hz內(nèi)部時鐘基準值。另外，RTC由自帶的電源引腳Vbat供電，該引腳可以與蓄電池連接供電，即支持電池供電功能；，即便Vbat沒有與電源連接，內(nèi)部CPU也會一直為RTC域供電。 RTC電源供電電路CortexM3的RTC具有以下特性：● 帶有日歷和時鐘功能，提供秒、分、小時、日期、月、年和星期信息；● 超低功耗設(shè)計，可使用CPU電源，也支持電池供電系統(tǒng)；● 容量為20字節(jié)的電池供電存儲器，當CPU電源被移除時，RTC可繼續(xù)運行； ● 專門的32KHz超低功耗振蕩器和專門的電源引腳；● RTC電源與芯片的其他部分分離；● 校準計數(shù)器可對時間進行校準；● 周期性中斷在時間寄存器任意字段的值遞增時產(chǎn)生，并且可以選擇小數(shù)秒的值；● 在出現(xiàn)特殊的日期和時間比時產(chǎn)生報警中斷。RTCX1GNDRTCX2Vbat引腳VDD(3V3)引腳RTC中斷電源選擇器超低功耗調(diào)節(jié)器備份寄存器超低功耗振蕩器實時時鐘功能模塊到主調(diào)節(jié)器RTC電源域1Hz時鐘 RTC電源 RTC時鐘域的總體設(shè)計框時鐘發(fā)生器報警寄存器中斷發(fā)生器計數(shù)器使能RTC振蕩器時間計數(shù)器比較器計數(shù)器增量中斷使能報警屏蔽寄存器選通CLK1CCLK RTC功能模塊圖 CAN總線接口的設(shè)計本文設(shè)計的報警系統(tǒng)采用CAN總線來實現(xiàn)探測器與主控制器之前的通信。： CAN總線模塊系統(tǒng)采用CTM825T芯片，該芯片是一款通用CAN收發(fā)器模塊。模塊自帶隔離效果，內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器件[19]。模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有直流2500V的隔離功能。該模塊完全符合“ISO1189824V”標準，有熱保護作用，且有較強的抗干擾性。以前的CAN總線收發(fā)模塊設(shè)計中往往需要光電隔離等組成復雜的電路才能實現(xiàn)完整的收發(fā)電路，但現(xiàn)在的CAN收發(fā)模塊只要一個CTM8251T接口芯片就可實現(xiàn)，且電路簡單。 滅火裝置驅(qū)動模塊電路設(shè)計滅火裝置驅(qū)動模塊核心器件為繼電器，采用的繼電器型號G6EU134PUS24V，圖中二極管D19的作用是為了保護線圈，電路中ARM控制器的I/，當處理器給該端口置高電平時，三極管Q16的基極為高電平，三極管導通，繼電器LS1中的磁性線圈中因電流通過使線圈有了磁性，繼電器中內(nèi)部開關(guān)從上端吸到了下端，1端口和2端口導通，使電源電壓24V從2端口通過，2端口即為滅火裝置電源接線。 滅火裝置驅(qū)動電路 本章小結(jié)本章具體介紹了火災(zāi)報警系統(tǒng)的主要硬件電路，對整個系統(tǒng)劃分成若干個模塊進行介紹，對探測器部分中的三個傳感器模塊進行了硬件設(shè)計；主控制器采用周立功公司ARM中的CortexM3，并介紹了其內(nèi)核結(jié)構(gòu)與功能。設(shè)計了系統(tǒng)報警電路、鍵盤顯示電路、CAN總線接口電路和滅火裝置驅(qū)動模塊硬件電路。第五章 火災(zāi)探測算法的系統(tǒng)仿真 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量結(jié)構(gòu)和功能相同的或者相近的人工神經(jīng)元組成，通過對人腦神經(jīng)系統(tǒng)的模擬而建立起來的具有非線性、學習能力和自適應(yīng)性的一種數(shù)學模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由基本神經(jīng)元組成，其對信息的處理是通過各個神經(jīng)元之間的相互作用來完成的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單個神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)非常簡單，其功能也相當有限，但是如果把大量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接起來成為一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其能實現(xiàn)的功能的就相當多了。所以說神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)所構(gòu)建的一種信息處理系統(tǒng)。 人工神經(jīng)元人工神經(jīng)元實質(zhì)就是對生物神經(jīng)元的模擬與簡化，是一個單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，是組建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元，其可以看作是一個多輸入單輸出的非線性單元，： 單神經(jīng)元結(jié)構(gòu)模型：表示第個神經(jīng)元，為輸入信號，：表示第個輸入信號對第個神經(jīng)元的作用權(quán)值，當時表示激勵；當時表示抑制。為相應(yīng)神經(jīng)元的閾值，為輸出信號，為外部輸入信號。單神經(jīng)元的模型用數(shù)學表達式可表示為： ()：代表神經(jīng)元的狀態(tài)變化，表示人工神經(jīng)元的激勵函數(shù)，根據(jù)表達方式的不一樣，人工神經(jīng)元也可以分成如下幾種類型：（1）線性單元：表示為（） ()（2）非線性單元：非線性單元最常用的激勵函數(shù)是S型函數(shù)（） ()（3）閾值單元：表示為（） () （a）分段線性函數(shù) （b）函數(shù) （c）閾值函數(shù) 激勵函數(shù)曲線圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型按連接方式的不同，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要分為兩種：前向型網(wǎng)絡(luò)、反饋型網(wǎng)絡(luò)。、： 前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層和輸出層，各個神經(jīng)元之間無反饋，除了輸入節(jié)點外，其它節(jié)點的神經(jīng)元都是計算單元。反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點都有來自其它節(jié)點和自身節(jié)點的反饋輸入，所有的神經(jīng)元之間可以相互連接。 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠進行學習，以適應(yīng)環(huán)境的變化，這是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最大的特點。具有訓練樣本簡單、分類速度快等優(yōu)良特性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過樣本進行自學習，即訓練過程，自我修正偏差。因此為了更好地提高可靠性和魯棒性，即數(shù)據(jù)能夠隨著實際環(huán)境的變化而變化，本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來調(diào)整各種傳感器不同的權(quán)重系數(shù)，從而提高系統(tǒng)的適應(yīng)能力，大大的減少誤報。 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)BP網(wǎng)絡(luò)是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)。BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由輸入層、若干個隱藏層和輸出層相互連接構(gòu)成的。：圖中的為輸入層神經(jīng)元，為隱層神經(jīng)元，為輸出層神經(jīng)元。輸入層節(jié)點隱層節(jié)點輸出層節(jié)點. . .. . .. . .. . . BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 BP網(wǎng)絡(luò)的學習算法BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是通過反復進行正向傳播和反向傳播的計算過程，如果正向傳播過程中，輸出層的實際輸出和期望輸出不能滿足要求的誤差范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中則會開始反向傳播，即開始反向計算，不斷地調(diào)整節(jié)點間的權(quán)值，最終使得輸出層的實際輸出與期望輸出趨于一致。以第個樣本為例，：（1）正向傳播：計算網(wǎng)絡(luò)的輸出隱層神經(jīng)元的輸入為所有輸入的加權(quán)之和，用公式表示為 ()隱層神經(jīng)元的輸出一般采用型函數(shù)激發(fā)，用數(shù)學表達式表示為： ()則 ()輸出層神經(jīng)元的輸出為