程 杨 王 悦 李庚伟

(1 中国地质大学(北京) 信息工程学院,北京 100083;2中国地质大学(北京) 数理学院,北京 100083)

根据应急管理部消防救援局最新调查统计,目前我国高层建筑已达62万多栋,每年在建的建筑面积达130多亿平方米。2019年全国共接报火灾23.3万起,死亡1335人。在火灾重点场所分布上,商业场所、宾馆饭店、学校、医院养老院等火灾数量均下降,高层建筑火灾数量却同比上涨10%,达到6974起,平均每天近20起[1]。从以上数据不难发现当前我国高层建筑火灾消防建设形势严峻,呈现出高风险、高损失的特点。如何有效地应对高层建筑火灾将是国家和消防工作者急需解决的问题。从高层建筑住宅用户的角度来说,在火灾发生的源头截断火灾隐患是更具有安全性和低成本的选择。火灾报警器起到了至关重要的作用。

市面上常见的火灾报警器[2-3]有红外、紫外、烟雾、温度等几种。这三种常用类型的火焰探测器的原理及优缺点对比见表1。

表1 常见的火灾报警设备及原理

相较于另外两种,紫外火灾报警器具有小型化、低成本、高灵敏度的特点,近年来有诸多学者相继进行了紫外火灾报警器的设计研究。包括采用光学前窗汇聚结构的紫外火焰探测器[4],从提高灵敏度方面进行优化;采用智能报警系统的紫外火灾报警器[5],从抗干扰方面进行优化;而自检式紫外火焰探测器[6],则是从提高可靠性方面进行优化。

但能够及时远程报警,并使用检测精度高的紫外火焰探测器的火灾报警器较为少见。本文提出的火灾报警器专门针对高层建筑的小型室内用户需求而设计。所使用的R2868型紫外光电管信噪比高、可靠性较高,响应极快,并具有极微弱信号检测能力。同时火灾报警器配备短信报警模块,一旦发现未知火源,立即将实时监测情况通过物联网技术发送给其绑定的手机号,反应时间小于3s,及时性强。

1 火灾报警器原理

火灾报警器由基于R2868紫外光电管的火焰探测模块和GSM 短信报警模块两大部分组成。火焰探测部分完成对火焰信号的采集、处理和响应;短信报警模块对响应结果进行识别,将火灾发生的信息通过短信送至用户端。

1.1 火焰探测模块

使用对可见光不敏感的紫外探测器,测量的有效波长为185～260nm[7-8]。与半导体探测器不同的是,紫外探测器无需光学过滤器,从而易使用,适合用于火焰探测器和消防警报。

1.1.1 R2868紫外传感器工作原理

紫外光电管是由石英玻璃管和封装在里面的两个电极组成。其中构成阴极的金属材料只对紫外光敏感,当受到紫外照射时就会发射光电子。R2868只对火焰中特有的185～260nm 波长的紫外线反应,而对自然光源中其他紫外线并不敏感,如图1所示。

图1 紫外光谱响应曲线

当管子未受到紫外线照射时,阴阳两极之间的电阻值趋于无穷大,回路中没有光电流通过。而当受到特定波长的紫外线照射时,在外加电压的作用下,阴极发射电子高速向阳极运动,光电子在运动过程中碰撞管中气体,使其电离为正离子和负离子,而负离子又在电场的作用下继续电离其他气体分子,如此循环,阴阳极之间迅速被大量的光电子和离子充斥,呈现导通状态。此时电路中便产生了脉冲信号,整个系统由此脉冲信号迅速响应。

1.1.2 R2868紫外传感器特点

对比其他类型的紫外光电管,所选用的滨松R2868紫外线开/关探测器灵敏度极高,反应时间短,又不像光电倍增管那样昂贵;对比其他类型的火焰探测技术,由于不需要发射电磁信号,其被动探测的特性使得信噪比很高、可靠性更强;并且它几乎可以覆盖所有的观测角(见图2),且适宜其工作的温度范围较广,可用性极强。

图2 R2868观测曲线

1.2 GSM 短信通信原理

短信通信模块内部由GSM 基带处理器、GSM 射频模块、供电模块、闪存、ZIF 连接器、天线接口六部分组成。其外部有标准的工业接口和完整的SIM 卡阅读器。

利用通信模块进行数据通信,就是将提前编写好的代码段存储在单片机的存储器中,当单片机接收到报警信号时,通过串行口控制GSM 短信模块,将代码指向的短消息字符串发送给短信息服务中心,再由短信息服务中心发送到用户的手机上。同时单片机回到初始状态,整个系统复位,完成一次单向数据的传输。

GSM 收发短消息又分三种模式:BLOCK 模式、TEXT 模式和PDU 模式。PDU 模式开发起来则较为复杂,它需要编写专门的函数来将文本转换为PDU 格式,但PDU 模式可以发送中英文文本,可以使用任何字符集,在本文的短信通信模块中采用该模式。

2 报警器系统设计

如图3系统示意图所示,当紫外光电管检测到火焰后,通过光电效应原理,光信号被转化为电信号。随后在信号放大电路中,瞬时的脉冲信号通过电路放大,自锁电路使得报警灯常亮、蜂鸣器报警。同时,接通短信远程报警模块,实现短信远程报警。

图3 系统示意图

2.1 信号放大电路与自锁电路设计

滨松R2868 紫外光电管的供电电压为DC400V。若直接为其供电,需搭建可实现AC220V 转DC400V 的电路。经过相关资料查找[9-12],决定使用R2868搭配电路板C10807,其输出是一个5V 的脉冲信号。为了让报警器在探测到火焰时持续报警,又将这个输出信号接入自锁电路,保证光电管送出的一个瞬间的脉冲可以通过继电器接通报警电路,使报警灯常亮,并接通短信远程报警模块。

自锁电路设计具体为:将开关与继电器线圈(主触点)串联,与继电器常开触点(副触点)并联。这样紫外传感器信号跳变,常开触点吸合,电路通电。即使信号瞬间消失,由于常开触点已经吸合,并且向继电器主触点的线圈供电,线圈反过来保持常开触点的吸合,这样就维持了电路的通电状态,保证了报警灯的常亮。

同时,为保护电路元件,以并联反接的方式在电路中接入续流二极管,接到产生感应电动势的元件两端,并与其形成回路,使其产生的高电动势在回路以续电流方式消耗,从而起到降低元件损耗的作用。

2.2 短信远程报警模块

短信远程报警模块由STM32mini开发板与GSM 模块组成,当开发板接收到外电路的电压信号时,操纵GSM 模块发送短信到指定号码。

GSM 的短信息业务SMS 利用信令信道传输,这是GSM 通信网所特有的。它不用拨号建立连接,把要发的信息加上目的数据发送到短信息服务中心,经短信服务中心完成后再发送给最终的信宿。所以当目的GSM 终端没开机时信息不会丢失。每个短信的信息量限制为160字节。

单片机与GSM 模块一般采用串行异步通信接口,通信速度可设定,通常19200bps。采用这种RSM232电缆方式进行连接时,数据传输的可靠性较好。

2.3 设计难点

(1) 如何给R2868 紫外光电管供电:R2868紫外光电管要求的供电电压是直流400V,需要我们搭建AC220V 转DC400V 的电路,但是在火焰探测器中自行加入变压器和整流器显然是不现实的。通过查找发现,可以使用滨松电路板C10807进行驱动,该电路板的驱动电压为直流5～24V,可以同继电器一起供电,同时解决了我们对R2868的驱动问题。

(2) 如何将脉冲信号表现为持续输出:因为R2868输出的是一个瞬间的信号,我们如果用这个瞬间的信号直接控制报警指示灯和蜂鸣器,那么即使有信号发出,一瞬间的报警是无法被发现的。经过研究,决定用继电器搭建自锁电路,即在信号输出的瞬间开关闭合,一旦闭合将脱离开关,那么即使信号消失也不会导致报警消失,另有独立常闭开关控制器关断。

3 实验过程及成果

3.1 实验实施过程

在完成初步设计后,选用紫外光电管并进行外部电路设计制作,形成火焰探测器样机。其后配置短信报警模块可远程报警,实现物联网。后设计绘制外壳设计图,挑选外壳材料并定制,自行拼接、合理布局,最后撰写使用说明书,完成室内高层建筑物火焰探测报警器。

3.2 实验成果

火灾报警器的模型监测精度高,不受日光、灯光、红外线等干扰,最大可以监测距离探测器5米的打火机或电火花等火焰。监测到火焰后,装置的报警灯和蜂鸣器可以持续报警,报警短信发送到三部指定手机,发送短信的平均时延为3秒,发送短信的手机号可以自行进行调整。经过测试,以报警器为圆心5米范围内,报警准确率为99.9%,实物外观如图4所示。

图4 仪器外观图

3.2.1 主要参数(表2)

表2 主要参数说明

续表

3.2.2 应用示范案例

本探测器可安装在家庭中,根据家庭中房间的大小,可在餐厅、客厅、卧室分别安装1～2个探测头,在客厅配备短信报警模块,多个探测头和一套报警模块共同构成一个完整的火灾报警系统。安装区域应避开经常使用明火的厨房区域,防止产生误报。室内情况复杂,电线老化、短路等情况下产生的电火花是火灾的重要隐患,当室内任一处出现明火,火焰探测头可瞬时捕捉到,及时报警给主人,让主人在外也能即刻了解家中情况。

此外,本探测器也适用于办公楼、工厂车间等多种大型场所,探测头占用空间小,多个探测头可以公用一个报警模块,且在不发生损坏的情况下,器件几乎不会发生损耗。

4 结语

带有短信远程报警功能的火灾报警器实用性很强,可以直接报警给负责人,大大提高效率,在火灾最初期就及时发觉。及时性是其最大的优点。

本报警器仅在物联网报警模块上连接了一个探测器,报警模块上如果集成更多的探测点,则可以实现更大范围内的报警。报警模块上也可以扩展集成控制功能,控制火灾现场的电力系统和救生系统,从而实现火灾监测、预防和救援的自动控制系统,具有很大的发展前景。

略有遗憾的是,选择亚克力材料作为模型包装和外观设置的材料。但是在实际测试中,亚克力材料对于紫外火焰探测器的监测精度有50%的削弱效果,所以最终决定不对紫外光电管进行包装,以确保监测精度,这导致了探测器小部分裸露,对使用寿命可能造成一定的影响。