红外主动循迹定位灭火系统的设计与研究

2013-08-15石家庄城市职业学院电子信息技术系杨志云寇雪梅江春然林海霞

电子世界 2013年4期

关键词：循迹火焰红外

石家庄城市职业学院电子信息技术系杨志云寇雪梅江春然林海霞

北京瀚源消防设备有限公司刘志欣

红外主动循迹定位灭火系统的设计与研究

石家庄城市职业学院电子信息技术系杨志云寇雪梅江春然林海霞

北京瀚源消防设备有限公司刘志欣

针对传统的灭火系统很难对展览馆、运动馆等大空间场合的火源进行及时定位、报警和灭火这一难题，本文提出了一种基于红外、紫外传感器主动探测火源并能自动定位火源的大空间灭火系统的设计方案，并介绍了大空间灭火系统自动探测定位火源并实施定点喷水灭火的主要技术关键点。

水炮；主动循迹；红紫外复合火焰探测；狭缝探测技术

1.引言

大空间建筑早期火灾的探测与灭火在国内一直是个难题，大空间建筑发生火灾时，由于燃烧物在空间传播时受到大面积、高空间和气流等因素的影响，使得只有火灾发展产生很高的温度和很高浓度的烟雾时，才会被常规感烟感温消防系统所感应，这时往往已失去了火灾扑救的最佳时期。同时雨喷淋系统一般也只适合用于低空范围，如果安装高度较高，当发生火灾时，喷射出的水滴会被上升的热空气迅速雾化，而无法达到有效灭火目的。所以现行国家标准《火灾自动喷淋系统设计规范》中，对净空高度8米的场所，因不能实施有效的探测与扑救，规定了可装可不装。大空间主动喷水灭火系统的开发，可以为我国大空间场所的消防扑救提供一个全新而有效的手段，促进消防技术的进步和发展。

国内近些年建筑业飞速发展，高大建筑越来越多，迫切需要解决消防安全问题。目前国内消防水炮产品的研制，大多不能自动对准着火点，也不能同报警系统联动。我们设计利用先进的红、紫外探测技术，自动探测火源，并对火源的坐标点进行定位，然后利用单片机控制的步进电机，启动水系统中的消防泵、电磁阀实施定点喷水灭火，从而解决高大空间的火灾探测、灭火这一难题。该系统的设计为大空间建筑的消防安全提供了一种全新、有效的手段，具有非常好的发展前景。

2.红外主动循迹定位灭火系统设计的关键技术

红外主动循迹定位灭火系统集中了红外和紫外探测技术、步进电机精确传动技术、定点射水技术等，形成具有智能性和主动性，而成本十分低廉的高大空间灭火系统。

2.1 紫外、红外综合探测技术

红、紫外火焰探测是红外主动循迹定位灭火系统的核心技术。如果想对火灾的发生进行准确探测，需要对火焰的热量、烟、光等特征元素进行分析、并尽量排除影响探测的一些因素，如太阳光、电焊电弧光、卤素灯光等，从而降低火灾的误报。该技术原理主要是感光探测，因为物质在燃烧时会释放大量红外、紫外线和可见光，并通过分析发现所有物质在燃烧时，其火焰都会释放波长在0.185~0.245μm的紫外线。虽然太阳光中也有此波长的紫外线，但臭氧层吸收了这部分光线，所以选择使用紫外传感器来探测火源是一个很好的选择。[7]为避免阳光干扰，我们还选择只对火焰红外特征光谱反应的红外传感器（常在军用导弹使用），利用火焰闪烁特性，[2]对火焰进行探测。在系统设计方案中，我们采用紫外探测技术进行全方位探测，初步确定火灾是否发生；再采用独特的狭缝多级红外探测方式，对火灾位置进行坐标定位，从而实现定点灭火。这两种技术的结合，使得火焰探测的准确性和稳定性有了很高的保证。[6]

2.2 步进电机精确传动技术

设计红外主动循迹定位灭火系统的主体是设计一个机电一体化装置。在确定着火点后，需要喷水灭火装置能在水平和垂直方向旋转。为此我们设计采用单片机对两台步进电机步进角度（步进电机的步进角为1.8度，通过齿轮变换后可达到0.1296度，精度很高，对定点位置的控制是非常有利的）进行控制和微调，使其通过一个双联过渡齿轮和一个减速齿轮实现水平和垂直的旋转运动功能。[4]

2.3 准确定点射水技术

由于水是以抛物线下落的，所以在喷水、射水装置设计时，必须解决如何让喷射出的水准确落在着火点上的问题。为此我们综合考虑了水流速度、射水装置安装高度、倾斜角以及风的阻力等多方因素。通过多次试验，初步设计一套数学模型，编制了自动仰角补偿算法，只需要将现场的一些参数输入设备，即可准确定点灭火。[1]

3.红外主动循迹定位灭火系统的具体技术方案

3.1 系统硬件设计

电路控制部分分为主从CPU控制电路、步进电机控制电路、红外探测及模拟放大电路、紫外探测及控制电路、隔离通讯电路等五个主要部分。

主从CPU分别采用Microchip公司的PIC16F877和PIC16F630芯片，分别独立处理红外、紫外的探测信号，经软件滤波处理后与火灾模式数据比较、运算和处理，完成火灾发生的判断；并共同控制关键设备水路电磁阀的启动和停止，有效防止因电磁干扰、单片机失效，等问题引起的设备误动作现象发生。确保灭火系统的安全性和可靠性，避免出现误喷现象。

由于红外探测有效距离需要达到40米以上，探测的信号非常微弱，要求对红外信号进行放大，放大倍数在数千倍到上万倍左右。火焰燃烧时会产生抖动现象，一般频率在4～20Hz，所以设计放大电路时要选用带通滤波放大电路，直流及较高频率信号得到有效抑制。放大器要选用低噪声运放，经三级放大得到一个变化幅度较大的信号，再经比较器整形为脉冲信号。为增加测量可靠性，采用测量火焰光谱中的红外波段（2～4μm波长）和紫外波段（0.185～0.245μm）使误动作的概率大大降低。

为保证系统可靠运行，消除共地对系统可靠性、稳定性的影响，各灭火设备、控制器设备之间均采用完全电气隔离和分布式电源供电方式；即AC220V电源线分别供给各台灭火设备的电源接口箱，再由电源接口箱经电气隔离转换为直流24V提供给灭火设备，各电源间完全电气隔离；通讯联系也采用隔离串行通讯。

3.2 系统软件设计

由于灭火装置采用双CPU控制，大的方面分为主机软件和从机软件；从功能上可划分红外和紫外信号处理、步进电机定时控制软件、火灾判断处理、启动水泵控制程序等。

火焰信号的探测与处理是非常关键的，两个CPU分别对红外信号和紫外信号进行处理，由于探测火焰的红外信号时很容易受到背景光、阳光以及无线电磁波的影响，[2]根据火焰的特征光谱和其通常的闪动频率，有效甄别接收信号脉冲宽度、变化频率，采用数字信号累积运算法和火灾特征趋势判断法等多种智能算法，并增加数字滤波和极值去除的方法处理接收信号；为进一步减小环境因素影响，信号处理程序增加了定期检测环境背景光并自动跟踪补偿其变化，排除由各种复杂的环境因素引起的干扰，如环境中各种灯光、电干扰脉冲、发热黑体等，确保了探测准确可靠。

软件设计时，通过火焰信号的有无及变化特点，驱动水平和垂直两台步进电机运动。采用中断定时控制模式，以串行SPI通讯方式控制电机的启停和转动速率，可以变速运动。[4]通过两级红外信号作为触发源，进行水平扫描和垂直扫描，直至准确定位，停止电机动作，确认火警后，开启外部输出设备，喷水灭火。

为保证设备可靠运行，软件中采用系统重恢复技术，当系统受到干扰或进入软件死循环后，利用程序运行监视器WTD的自动复位功能，重新从整个程序的入口处开始执行程序，以保证程序可靠有效地运行。[5]

3.3 系统结构设计

灭火装置是一种机电一体化设备，其机械构造简单、成本低廉、易于拆装、实用性强以及使用寿命较长。其结构部件主要包括：进水管、水平支撑板、水平传动换向机构、垂直支撑板、垂直传动换向机构、射水管、三级探测传感器、射水转动体，还包括水流换向体、分别固定于装置上端和下端的顶联接板和底联接板以及水平传动换向机构。

水流换向体为一体结构件；进水管穿过顶联接板及水平支撑板与水流换向体的进水端密封连接，射水转动体穿过垂直支撑板与水流换向体的出水端密封连接，射水管与射水转动体的下端密封螺纹连接；它既能实现灭火装置的功能，又可以减少与其相配合的相关零部件，易于加工制造，节省产品制造成本。

设置的底联接板结构，可以将一些零部件组装在其上，易于拆卸，便于维修。步进电机，过渡齿轮，水平传动齿轮、过渡套，水平换向齿轮套，水平换向组件及水平换向开关，水平限位销；步进电机、过渡齿轮、水平换向开关及水平限位销分别固定于所述水平支撑板，

进水管与水流换向体的进水端密封连接是通过在进水端设置二轴承和一密封圈，进水管的下端依次穿过轴承的内环和密封圈而实现。

4.红外主动循迹定位灭火系统的构成

红外主动循迹定位灭火系统是由灭火装置、电源接口、电磁法、现场控制箱、集中控制器、水泵控制器、水路管网、加压泵、控制线构成大空间灭火系统。通常使用时根据现场面积和水炮保护面积选取一定数量的设备，同时水路管网干管和支管按照灭火装置设计要求的口径设计。为保证灭火时有足够的水流量，系统水压一般在0.6～1MPa，具体设计可参考相关设计规范和产品设计手册。[3]