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论文

低功耗无线烟雾中的家庭火灾报警系统

Juan Aponte Luis 1, Juan Antonio Gómez Galán 2,* and Javier Alcina Espigado 1

OnTech Security LLC, C/Hispano Aviación, 7-9, 41300 La Rinconada, Sevilla, Spain; E-Mails: juan.aponte@ontech.es (J.A.L.); javier.alcina@ontech.es (J.A.E.)

1

Department Electronic Engineering, Computer Systems, and Automatics, University of Huelva, Ctra Huelva, La Rábida, s/n, 21819 Huelva, Spain

* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: jgalan@diesia.uhu.es; Tel.: +34-95921-7650; Fax: +34-95921-7348.

Academic Editor: Ingolf Willms

Received: 28 April 2015 / Accepted: 17 August 2015 / Published: 21 August 2015

摘要：国内环境中一种新的传感火灾探测装置。火灾探测器由几个传感器组合而成，不仅可以检测烟雾，还可以区分不同类型的烟雾。此功能避免假警报和不同情况的警告。在硬件和软件方面进行了功耗优化，提供了近五年的高度自治。从设备收集的数据通过无线通信传送到基站，为低成本和紧凑的设计提供了广阔的应用前景。

关键词：火灾探测器；烟雾传感器；无线传感器网络；低功耗 1. 简介

家庭防火检测是一个非常热门的问题，因此很多的心血都倾注在大多数发达国家的自动检测系统的设计。火灾报警系统应可靠并能及时通知建筑物内居住者有关火灾指示的存在，如烟雾或高温。由于其早期的火灾探测能力、快速响应时间和相对低的成本，火灾探测器通常是作为一个烟雾传感器来使用。用于火灾探测的其他种类是基于气体传感器温度传感器或。使用单

2

一传感器的火灾探测器，例如烟雾传感器，由于温度变化就会引起的更大的误报率。烟雾传感器的原理红外（红外）的光由于烟雾的存在下，进入到一个小型空间，光电二极管或者什么器件。因此，烟雾传感器的灵敏度也取决于环境温度，虽然这种效果在高性能设备被取消掉。然而，结合了几种类型传感器的火灾探测器构成了一个更有效的火灾报警系统。

传统的方法是建立在有线系统里面，如总线，由于其关键应用程序的安全性高。近年来总线网络在扩展性和维护有很大的改善，有一个低成本的解决方案和空间的灵活性的无线系统因此也变得更具吸引力。无线传感器网络要求传感器节点体积小，方便部署和有限的功耗，方便电池供电的操作。无线火灾系统必须保证射频通信的功能性和安全性，避免误报通知。此外，该系统必须自身具备检测故障的组件，物理损坏或企图破坏等功能，从而促进维护，进而减少不必要的成本。

2.遥感设备简介

开发的传感装置允许将所收集的数据发送到基站做进一步的无线网络部署。基站作为传感器节点和用户之间的网关，还开发了一个移动应用程序，用于火灾报警的时候实时通知用户。无线传感器网络收集并分析家庭火灾的传感数据，并准确地触发火灾报警。从而满足小尺寸和无线节点的低功耗需求。高数量的传感节点的部署也有必要匹配一个更低成本的解决方案。家庭火灾的早期检测，系统必须执行不同的参数测量，从而得出结论。例如模拟传感器测量烟雾，一氧化碳（一氧化碳）和温度。

图1显示了所开发的设备的构建块。它由一个微控制器，一个短距离的无线收发器，一个电池，一个共同的传感器，一个烟雾传感器，温度传感器，电容式触摸按钮，一个红色的颜色和一个蜂鸣器组成。整个系统被一个特定的保护盒保护。

图 1. 感测节点的构建模块

火灾探测装置的设计建立在2个印刷电路板上。其中最简单的一种火灾探测电路组成应该包括一个触摸按钮和一个蜂鸣器用来处理和控制，主电路板指示灯，数据处理和无线数据用来传输。

主电路板是传感装置中最重要的一部分，因为它测量所有的烟雾、气体和温度，并将它们发送到控制中心作为报警信号。适当的能量处理要求电子传感器具备低功耗的微控制器，空调接口和收发器。单片机芯片选择的是pic24fj128ga306（钱德勒，亚利桑那州，美国）。无线模块与交换数据的IEEE 802.15.4标准通过无线基站节点在868兆赫以下。该基站节点作为传感器网络和用户（或办公室，如果系统是用于工业应用）之间的网关。电源由一节AA型锂cr123-3v 1600 mAh电池构成。一个拥有自主产权的传感装置，从硬件的设计，再到作出选择，都必须确保功能齐全，低功耗。此外，该软件还集成了节能模式。电池能够持续5年左右。

无线模块：基于芯片的无线模块是一个低功耗设备可用的mrf89xa收发器。mcp9700a温度传感器是一种低成本、低功耗的模拟传感器，不需要额外的信号调理电路。电压输出直接连接到ADC输入单片机。该传感器用于测量应用程序的温度变化。

烟雾传感器：这种传感器拥有光电检测烟雾技术和光散射原理运作。使用一束由sfh4551发光二极管（LED）发出的光从欧司朗（雷根斯堡，Baviera，德国）在暗室，防止接收驱动（从一个sfh2500欧司朗光电二极管）检测由黑材料由于光的吸收光的通道。在该腔室中，当烟雾粒子进入光路径时，光照到粒子上，并被反射到光敏装置上，以提醒微控制器。图2显示了腔室的几何形状。

图 2. 烟雾传感器室

图3显示了烟雾传感器的电路方案。这种拓扑结构是非常具有吸引力的，因为它需要的组件比传统方式[ 18 ]少。光电二极管在零偏压产生最精确的线性操作和低噪声。此外，这种配置是更适合于精密应用的切换速度。该光电二极管的电流被转换成一个可用的电压，只使用一个运算放大器作为电流-电压转换器[ 19 ]。反馈电阻设置的原因，是为了满足所需的灵敏度范围。补偿电容器也被放置在反馈回路中。

一氧化碳传感器：这种传感器测量一氧化碳浓度通常相当于一个家庭火灾中产生的材料的燃烧浓度。从费加罗的tgs5342传感器（箕面、大阪、日本）已被选中是因为它具有体积小，寿命长，长期稳定性好，精度高。它可以在很宽的温度范围内检测到高达1%的浓度。这种传感器能够区分烟雾从水蒸汽里面产生或燃烧木材产生的。图4显示了基于一个基本的互阻放大器测量电路的CO传感器。

2.1.传感器数据采集

微控制器管理无线传感装置，并控制来自特定传感器的数据采集，信号处理，数据管理和通信。模拟传感器的输出信号转换为二进制值，使用模拟量的微控制器的数字转换器。 图5显示了一个详细的主电路板的开发装置图像。温度传感器，微控制器，发光二极管和无线模块是在板的顶部，而烟雾传感器，一氧化碳（一氧化碳）传感器在电池的底部。

图 5. 火灾探测装置主板.（一）顶部；（乙）底部.

图6显示了所设计的电磁屏蔽，以避免射频电路和相邻电路之间的干扰问题。

图6. 无线射频模块电磁屏蔽

很少有商业烟雾传感器或火灾探测器，包括CO传感器。开发该装置包括该元件和呈现紧凑的解决方案。在作者看来，这是最小的烟雾传感器还包括CO传感器。关于二板，它的功能是捕捉传感器上的顶部面板上的电容式触摸按键脉动的事件，以及管理使用不同的蜂鸣器听起来警告烟/火存在的用户。此板包括蜂鸣器，电容性触摸板，篡改传感器和控制这些元件的电路，如图7的篡改传感器检测的情况下，或企图破坏的开口。

图 7. 第二款板子. (a) 上面; (b) 底部.

触摸按钮允许用户打开或关闭无线火灾感应装置。 Atmel的单键AT42QT1010-TSHR传感器（圣何塞，加利福尼亚，美国）被选定为触摸检测，其生成触摸中断能力。这导致功率消耗和自治规格显著改善，因为，微控制器不需要连续检查按钮的状态;它可以从它的低功耗状态由触摸传感器所产生的中断来唤醒。图8示出了用于触摸板和蜂鸣器电路方案中的电容性传感器的电路。

图8：电容性传感器电路

图8（a）用于触摸板电容传感器的方案; （二）蜂鸣器电路原理。

2.2 软件

在固件级别，一个特定的协议栈已经开发RF通信。上由制造商建议的MiWi协议进行初步试验在高延迟的条款提供不稳定的结果，有时阻挡要求处理器的立即关注（的MiWi用于集中忙等待循环）的硬件的一部分。此外，加密算法已被实施，以改进RF通信的安全性。

所开发的协议栈使用由中断处理，以尽量减少延迟和微控制器的忙等待周期一个SPI控制器。该收发器的控制器可以在后台工作，所以它不会浪费忙等待的周期，所以没有延迟。

所设计的叠层中的层制成，使得每个层可以是其它的独立使用，从而使不同级别的功能的去耦，这导致更大的代码的可移植性，更好地适应新的硬件和更容易的调试和测试。通过提出的MiWi相同的寻址方案一直保持和支持簇树网络拓扑结构（由LLC层提供）。该设计已经完成考虑尽可能减少延迟和处理器的使用，几乎忙等待周期。因此，整个设计是基于中断的SPI控制器。所有的功能都实现为每个状态被中断时，前面的操作结束触发状态机。异步事件，如新的消息或网络中断的接收的通信完成得益于一组添加到每个层的API回调。得益于此，虽然发展已经比在堆叠的情况下，稍微更复杂，因为所用的MiWi，它已经降低到最低限度的处理器使用率，以及协议栈上的设备的其它部件几乎不影响。功率消耗也已降低，因为在CPU更自由的时间。

传感节点还包括引导程序的功能。我们的目标是双重的：首先，它允许远程更新维护节省成本的固件。其次，我们可以验证执行测试应用合适的硬件操作。然后，我们就可以完成测试阶段和编程加载最终的应用程序。在软件层面，引导加载程序已经需要定义内存结构和通信协议和

数据共享。在硬件层面，外部闪存已被列入存储新固件加载，防止其丢失，或微控制器的内存可能已损坏，由于电源故障或通讯在远程更新过程失败。

2.3.包装设计

图9和10示出了包设计用来保护该传感装置从环境。这与穿孔以允许烟雾和气体的入口的金属侧的筒状盒，并设置有电容式触摸键的前面板。包不影响响应时间，传感器的精度和数据的传输。传感器封装的最终尺寸为70毫米，直径为30毫米的高度。

图9.包装设计

图10.详细整个无线烟感系统的制造。

3. 结果

所提出的硬件和软件解决方案进行了验证和设备，例如，范围，灵活性和健壮性的功能性能特性进行了评估。火灾检测装置结合了三种类型的传感器：烟，温度和一氧化碳，从而降低

假警报由于水蒸汽，鼻烟烟雾等的数

火检测处理，直接在烟的外观进行的，从而允许定位火灾的部位并能准确地对火焰蔓延。使用CO传感器和温度传感器的增加了系统的可靠性，并减少了假警报。

关于报警检测算法，它依赖于联合检测三个参数。检测器不断监视三个输入变量，并与通过FD =给定形式的合适的线性组合的实时选择（KS×SK + KC×CO + KT×T）×KH，其中Ks的是烟修正系数， KC是CO校正因子，KT是温度修正系数，KH是安装高度，SK是在烟传感器水平增量，CO是在CO传感器水平增量，和T是在所述温度传感器电平增量。因此，校正因子是根据安装在家庭实现更多或更少的均衡灵敏度的地方分配给每个传感器。由此产生的数量FD代表的危险是由特定原产火瞬时措施。通过FD的进一步的合适的加权，针对不同的应用不同灵敏度可以用相同的检测器来实现。三校正因子KS，KC和KT被分配给低，中，根据安装的位置高的等级列于表1的校正因子在每一类的范围从0到1。图11示出了一个隶属程度检测过程的详细流程图。

图12和13示出不同的火灾探测方案。图12示出了无线火灾报警器的三个传感器（温度，烟雾和CO）的测量值。请注意，所有的传感器增加他们的价值。真正判别火灾探测从其他类型的蒸汽（如水蒸气）的是CO，这是燃烧过程中释放的存在。因此，图12示出了火灾探测系统将触发报警。另一方面，图13显示了作为开发的设备避免虚假火警探测自传感器的变化检测水蒸气由于该CO浓度不增加。

表1.修正对安装系数

Room Installation Kitchen Hall Diving Room Bedrooms Children Room Car park

几个试验以验证该电池的位置和CO传感器不会阻碍烟雾进入腔室中，以使检测的灵敏度不受烟的流动方向进行的。首先，CO传感器胶囊取出;其次，无论是CO传感器胶囊和电池除去。测量结果表明，在相同的烟水平在所有情况下达到，而且响应时间是当CO传感器和电池被去除更快。响应时间比为约50个样本（约2.5秒）。在大多数情况下，这种延迟是可以忽略不计。

传感器数据收集期间仅供电。在睡眠模式中的收发器被禁用，但是开发协议避免消息的丢失。和估计的功耗要保证的自主权。感测节点始终处于睡眠模式或低功耗，并且仅每日发送节点活跃消息（以通知该传感器正操作的系统）。这表示一秒钟的占空比，每24小时，即，0.0011％的占空比。在消费方面，表示平均消费16μAh。此外，该感测装置收集每30秒的温度和烟测量，这需要大约50微秒的量，为对采集的平均消耗量约为12μAh。由于该设备在休眠模式下的平均油耗大约为8μA，36μAh总平均电流消耗。对于使用电池63V@1600毫安（CR123型），所估计的自治是4.75年。

Smoke (KS) Low High Mid Mid Mid Low Temperature (KT)

Low High Low High High High CO (KC) Low High High High High Low

图12.火灾探测

图13.水汽探测

所设计的系统可以通过一个移动应用程序，适用于iOS和Android开发的方式进行控制。它允许系统的激活和失活，并且包括额外的功能。移动应用程序已经使用Objective C和Java iOS和Android开发，分别为。它是连接到应用服务器和通知服务苹果和谷歌生成警报推送通知，并且用户可以接收有关系统上发生的任何事件的即时信息。图14示出了具有不同功能的移动设备应用程序。

图14.移动应用程序

4.结论

一个低成本低功耗的无线火灾报警装置。传感装置使用烟雾传感器，温度传感器和CO传感器以提供更好的火灾报警探测的组合。该器件降低了误报率，并提供高可靠性。紧凑的设计和无线的方式保证了系统安装，做建筑物的损伤小，便于地方节点，维护方便。硬件部件已被选定，以保证功能和低功耗。在软件级别的功率管理允许系统节省能源，因为设备只消耗36μAh确保近5年与已安装的电池的自主权。一个可靠的和坚固的包装也被设计来保护该传感装置。 作者投稿 胡安·阿庞特的设计和开发的系统。哈维尔阿尔辛娜提出的想法和进行的实验。胡安A.戈麦斯 - 加兰准备的稿子，并提出工作的监督和指导。 利益冲突

作者宣称没有利益冲突。 参考

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2015年?由作者;许可MDPI，瑞士巴塞尔。这篇文章是根据知识共享署名许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）的条款和条件的分布式开放获取文章。

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