本科畢設(shè)論文--基于arm與多傳感器信息融合的機(jī)車(chē)報(bào)警滅火系統(tǒng)

PAGEPAGEIV分類(lèi)號(hào)：密級(jí)：公開(kāi)學(xué)號(hào)：6720100342單位代碼：10407碩士學(xué)位論文論文題目:基于ARM的機(jī)車(chē)火災(zāi)智能報(bào)警滅火系統(tǒng)研究方向嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用研究專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)控制工程研究生姓名導(dǎo)師姓名、職稱(chēng)

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名：日期：

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日

摘要目前，機(jī)車(chē)內(nèi)發(fā)生火災(zāi)情況仍然比較嚴(yán)重，尤其是在內(nèi)燃機(jī)車(chē)內(nèi)，行車(chē)時(shí)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(jī)車(chē)內(nèi)配置了自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，但所用的探測(cè)器往往只是單一的煙霧探測(cè)器，誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象嚴(yán)重。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)車(chē)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(bào)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(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由復(fù)合智能探測(cè)器、主控制器、滅火裝置等三部分組成。系統(tǒng)探測(cè)器與主控制器的核心處理器采用32位ARMCortex-M3。在機(jī)車(chē)內(nèi)由于空間小，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、合理布線(xiàn)，通信部分采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)貫穿整個(gè)系統(tǒng)，使系統(tǒng)的可靠性大大提高。智能探測(cè)器采用煙霧傳感器、溫度傳感器和CO氣體傳感器三種傳感器實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)信息，把多傳感器信息融合技術(shù)應(yīng)用到火災(zāi)探測(cè)器中，使探測(cè)器更加智能化。由于在機(jī)車(chē)內(nèi)空間狹小，滅火裝置采用了懸掛式七氟丙烷滅火裝置，用繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電，工作人員通過(guò)控制面板來(lái)確認(rèn)是否啟動(dòng)滅火，這使得報(bào)警系統(tǒng)功能更加全面化和功能化。該系統(tǒng)在算法控制上，利用人工智能中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法，通過(guò)自主學(xué)習(xí)能力將多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，綜合處理分析得出判斷結(jié)果。克服了傳統(tǒng)探測(cè)器進(jìn)行單一閾值的判斷問(wèn)題，更加提高了系統(tǒng)最終判斷的準(zhǔn)確性和可靠性。利用MATLAB仿真軟件對(duì)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)明火SH4、標(biāo)準(zhǔn)陰燃SH1等兩種火災(zāi)信號(hào)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的識(shí)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(bào)警滅火系統(tǒng)有很好的可行性。關(guān)鍵詞：ARM；多傳感器信息融合；CAN總線(xiàn)；報(bào)警滅火系統(tǒng)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

AbstractAtpresent,afireoccursinalocomotiveisstillmoreserious,especiallyininternalcombustionenginelocomotive.Afirehappensquiteoftenbecauseinternaltemperatureishigherwhenitisdrivingeventhoughithaveautomaticfirealarmsystem,thephenomenonoffalsealarmsandmissedalarmsisseriousforsinglesmokedetector.Forintimeandexactfiredetectionandavoidfireaccident,thispaperanalyzetraditionalfirealarmsystemandpresentautomaticfireextinguishingsystem,basedonmulti-sensordatafusion.Thesystemiscomposedofthreeparts:IntelligentCompoundDetector,maincontroller.Thecoreprocessorofsystemdetectorsandmaincontrollersystemismadeof32-bitARMCortex-M3.Inordertosimplifiedsystemstructureandreasonablewiringinthesmallsize,communicationcomponentsisbasedonCANthefieldbusthroughouttheentiresystem,anditsignificantlyimprovereliabilityofsystem.IntelligentDetectorismadeofthesmogsensor,temperaturesensorandCOgassensor.Ithaveabilityofthereal-timedataacquisitionfieldinformationandmulti-sensordatafusionsystemappliedtofiredetectors.FireextinguishingdevicesusethehangingFM-200.andusingrelaytoweakpowercontrollingstrongpower,theworkercanConfirmwhetherstartthefirefightingbyControlPanel.Itismoreoveralldesignandfunction.ThesystemusetheneuralnetworkBPalgorithmformulti-sensordatatrainingbyitslearningabilityandcomprehensiveanalysisconcludedthejudgment.Overcometraditionaldetectorsforasinglethresholdvaluejudgment,itimprovedthesystemtheveracityandreliabilityoffinaljudgment.SimulationofourcountrystandardnakedlightSH4andsmolderingfiretwofiresignalbyMATLABsoftware,showthatthesystemhavestrongrecognitionabilityandtheanti-interferenceability,intelligentfirealarmfireextinguishingsystembasedonmulti-sensordatafusionhaveagoodfeasibility.Keywords:ARM；Multi-SensorInformationFusion；CANBus；AutomaticFireExtinguishingSystem；NeuralNetworks

目錄摘要 IIAbstract III第一章緒論 11.1火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的概述 11.2課題來(lái)源及解決方案 11.3課題研究的意義 11.4現(xiàn)代火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的比較 21.5火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 31.6本課題研究的主要內(nèi)容 41.7本文內(nèi)容安排 4第二章火災(zāi)探測(cè)算法的研究 52.1火災(zāi)探測(cè)器的類(lèi)型 52.2火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的誤報(bào)警分析 62.3基于多傳感器信息融合火災(zāi)探測(cè)的提出 72.3.1數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu) 72.3.2數(shù)據(jù)融合的過(guò)程 82.4多傳感信息融合在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用 82.4.1傳感器信息的預(yù)處理 92.4.2特征量的歸一化處理 102.4.3數(shù)據(jù)級(jí)融合 102.4.4特征級(jí)融合 122.4.5決策級(jí)融合 122.5本章小結(jié) 12第三章火災(zāi)報(bào)警滅火系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 133.1本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖 133.2系統(tǒng)的工作過(guò)程及主要優(yōu)點(diǎn) 133.3多傳感器智能探測(cè)器的設(shè)計(jì) 143.3.1傳感器類(lèi)型的選擇 143.3.2智能探測(cè)器總體設(shè)計(jì) 153.4嵌入式處理器的選擇 153.5現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的選擇 163.6機(jī)車(chē)電源模塊的選擇 163.7滅火裝置的設(shè)計(jì) 183.7.1七氟丙烷氣體應(yīng)用在機(jī)車(chē)內(nèi)的優(yōu)勢(shì) 183.7.2七氟丙烷滅火裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理 183.8本章小結(jié) 20第四章火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 214.1傳感器的選擇與硬件設(shè)計(jì) 214.1.1溫度傳感器模塊 214.1.2煙霧傳感器模塊 214.1.3CO氣體傳感器模塊 224.2主控制器的功能 244.2.1Cortex-M3處理器的概述 244.2.2Cortex-M3處理器的結(jié)構(gòu) 244.3Cortex-M3的最小硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 264.3.1系統(tǒng)時(shí)鐘電路 264.3.2復(fù)位電路 264.4電源模塊電路設(shè)計(jì) 264.5系統(tǒng)報(bào)警電路硬件設(shè)計(jì) 284.6鍵盤(pán)顯示模塊的電路設(shè)計(jì) 294.6.1鍵盤(pán)模塊 294.6.2TG12864E液晶顯示模塊 304.6.3實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì) 314.7CAN總線(xiàn)接口的設(shè)計(jì) 334.8滅火裝置驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì) 344.9本章小結(jié) 34第五章火災(zāi)探測(cè)算法的系統(tǒng)仿真 355.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概述 355.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立 375.2.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 375.2.2BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法 375.2.3BP算法參數(shù)的選取 405.3模糊控制器的設(shè)計(jì) 415.3.1模糊控制器的組成 415.3.2規(guī)范化與模糊化 415.3.3建立模糊推理規(guī)則 425.3.4反模糊化 425.4BP網(wǎng)絡(luò)的MATLAB仿真 425.4.1BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練 425.4.2BP網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試 445.5模糊推理的MATLAB仿真 455.6本章小結(jié) 50第六章火災(zāi)報(bào)警滅火系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 516.1軟件設(shè)計(jì)思路 516.2系統(tǒng)軟件總設(shè)計(jì) 516.2.1軟件開(kāi)發(fā)工具 516.2.2軟件流程圖 526.3A/D采集模塊程序設(shè)計(jì) 536.4液晶顯示模塊的程序設(shè)計(jì) 556.4.1液晶屏初始化 556.4.2液晶屏的調(diào)試運(yùn)行 576.5CAN總線(xiàn)通訊的程序設(shè)計(jì) 586.6BP網(wǎng)絡(luò)和模糊規(guī)則的C語(yǔ)言設(shè)計(jì) 606.7本章小結(jié) 62第七章總結(jié)與展望 637.1總結(jié) 637.2展望 64參考文獻(xiàn) 65致謝 67附錄A系統(tǒng)總電路圖 68附錄B火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主控制器實(shí)物圖 70附錄CSS3電力機(jī)車(chē)滅火系統(tǒng)布置電氣圖 72附錄DMATLAB仿真程序 73江西理工大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明及使用授權(quán)書(shū) 77第一章緒論1.1火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的概述火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一般是由火災(zāi)探測(cè)器、主控制器、火災(zāi)報(bào)警裝置等組成的一個(gè)綜合性系統(tǒng)[1]，通常還結(jié)合其它一些輔助功能裝置，使系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大，如滅火裝置、無(wú)線(xiàn)通信模塊、監(jiān)控錄像等。探測(cè)器是探測(cè)火災(zāi)的核心工具，一般放置在火災(zāi)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)巡回探測(cè)，把火災(zāi)參數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電信號(hào)，采集后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與判斷，如果發(fā)生火災(zāi)，探測(cè)芯片就會(huì)有采取一定的響應(yīng)，常見(jiàn)的有其自身的聲光報(bào)警，甚至可以把探測(cè)器處理完后的信號(hào)傳送給總控制器，在總控制器上顯示出火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)和時(shí)間，更全面的系統(tǒng)還可以自動(dòng)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)滅火?？傊詣?dòng)報(bào)警系統(tǒng)使人們能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情并能采取有效措施撲滅火災(zāi)，盡可能的減少損失，這是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的宗旨。1.2課題來(lái)源及解決方案我國(guó)鐵路事業(yè)不斷發(fā)展，鐵路的交通運(yùn)輸相繼實(shí)施了第六次大規(guī)模提速，鐵路提速是個(gè)復(fù)雜的命題，機(jī)車(chē)的提速不僅對(duì)機(jī)車(chē)核心動(dòng)力等機(jī)車(chē)本身提出了要求，還對(duì)鐵路基礎(chǔ)、通信信號(hào)、運(yùn)輸組織乃至安全控制等方面也相應(yīng)的增加了要求。所以勢(shì)必對(duì)鐵路運(yùn)輸、安全設(shè)施等方面提出了更高的要求。為保證機(jī)車(chē)安全、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的基本要求，其消防安全是舉足輕重的一個(gè)環(huán)節(jié)。作為鐵路運(yùn)輸主力機(jī)車(chē)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)和電力機(jī)車(chē)，由于其機(jī)車(chē)頭內(nèi)部空間狹小、油電線(xiàn)路較為復(fù)雜，且鐵路運(yùn)輸過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷、高頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備器件等在機(jī)車(chē)環(huán)境中容易陳舊老化，存在比較嚴(yán)重的火災(zāi)隱患，機(jī)車(chē)火災(zāi)會(huì)帶來(lái)巨大的損失，所以機(jī)車(chē)內(nèi)的消防安全不容忽視，應(yīng)當(dāng)采取有效措施盡可能減少損失。本人跟隨杭州一家安防公司去呼和浩特的機(jī)務(wù)段有過(guò)一次消防安全考察，發(fā)現(xiàn)目前雖然很多機(jī)車(chē)內(nèi)已經(jīng)配置火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的聲光報(bào)警功能，但是基本還是以單一的煙霧探測(cè)器來(lái)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)的實(shí)時(shí)參數(shù)不能正確反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施火情，對(duì)香煙等沒(méi)有很好的抗干擾能力，從而影響系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，容易產(chǎn)生誤報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象，即使發(fā)生火災(zāi)通常也只是配置手提式干粉滅火器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)滅火，這類(lèi)滅火器滅火效果較低，有時(shí)甚至沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。因此，在機(jī)車(chē)內(nèi)非常有必要配備可靠、有效的報(bào)警滅火系統(tǒng)。本課題以呼鐵局的機(jī)車(chē)火災(zāi)報(bào)警裝置為項(xiàng)目背景、結(jié)合信息融合技術(shù)，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制相結(jié)合的人工智能算法對(duì)煙霧傳感器、溫度傳感器和CO氣體傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最后決策來(lái)判斷是否發(fā)生火災(zāi)，再采用懸掛式七氟丙烷滅火裝置進(jìn)行智能滅火，使工作人員操作更簡(jiǎn)易、更安全。大大提高了報(bào)警的準(zhǔn)確性和滅火的高效性，很大程度地減少了誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象。1.3課題研究的意義隨著自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的不斷升級(jí)更新，功能地不斷擴(kuò)展，報(bào)警系統(tǒng)大大縮短了發(fā)生火災(zāi)時(shí)間與預(yù)警之間的時(shí)間間隔，也不斷提高了準(zhǔn)確度，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)由報(bào)警系統(tǒng)與滅火系統(tǒng)結(jié)合而成的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)已經(jīng)具備實(shí)時(shí)探測(cè)和自動(dòng)撲滅火災(zāi)等多功能的現(xiàn)代消防系統(tǒng)，早期發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、減少誤報(bào)和降低系統(tǒng)的總成本是人們對(duì)火災(zāi)報(bào)警滅火系統(tǒng)的最大期望[2]。所以設(shè)計(jì)一個(gè)誤報(bào)率低、滅火高效的火災(zāi)報(bào)警滅火系統(tǒng)意義重大。鐵路運(yùn)輸在我國(guó)客運(yùn)和貨運(yùn)中起著舉足輕重的地位，隨著鐵路跨越式發(fā)展的進(jìn)一步深入，高鐵，動(dòng)車(chē)很快成為人們重要的交通工具。單司機(jī)值乘已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，傳統(tǒng)的副司機(jī)巡視制度逐步取消，司機(jī)無(wú)法直接觀察機(jī)車(chē)關(guān)鍵部位設(shè)備的實(shí)時(shí)工作情況，容易造成失控。機(jī)車(chē)中的特大功率設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中如果出現(xiàn)火災(zāi)將是非常危險(xiǎn)的，所以迫切需要在機(jī)車(chē)關(guān)鍵部位安裝智能報(bào)警滅火系統(tǒng)，從而司機(jī)能夠隨時(shí)直觀的看到機(jī)車(chē)關(guān)鍵部位設(shè)備的運(yùn)行狀況，在出現(xiàn)火警信息時(shí)提醒司乘人員并能及時(shí)滅火。所以設(shè)計(jì)一個(gè)具有可靠性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高和實(shí)時(shí)性好的火災(zāi)報(bào)警滅火系統(tǒng)是科技化社會(huì)發(fā)展的需要,也是保障人們正常生活的需要。針對(duì)目前火災(zāi)報(bào)警中的誤報(bào)，漏報(bào)現(xiàn)象，基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)比較受人們的信賴(lài)。這種智能系統(tǒng)有更高的準(zhǔn)確性，人們能夠更加及時(shí)的發(fā)現(xiàn)火情及采取滅火措施。特別是在機(jī)車(chē)上，工作人員不用像以前一樣日夜巡邏機(jī)車(chē)上的設(shè)施情況，能大大減輕工作人員的工作量。1.4現(xiàn)代火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的比較傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與現(xiàn)代火災(zāi)自動(dòng)系統(tǒng)的主要區(qū)別是各自探測(cè)器的性能。探測(cè)器中的傳感器由簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量探測(cè)改為實(shí)時(shí)模擬量探測(cè)，這使報(bào)警系統(tǒng)更加智能化，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。將煙氣濃度、溫度變化率，火焰等其他探測(cè)參數(shù)以模擬量的形式實(shí)時(shí)傳輸給CPU處理，使系統(tǒng)大大提升了數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精確度，減少了誤報(bào)。另外，現(xiàn)代火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)改進(jìn)了信號(hào)處理方法，不是通常的閾值判斷，而是通過(guò)一定的算法進(jìn)行融合，這種多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的加入，代表著信號(hào)處理具有更高的智能化，能更準(zhǔn)確地判斷防護(hù)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)情況。傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與現(xiàn)代火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要性能比較，如下表1.1所示：從中可以看出，兩者的區(qū)別主要是探測(cè)器采集信號(hào)方式的不同、信號(hào)處理算法的不同以及整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)功能上的差異。

表1.1兩種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要性能比較 傳統(tǒng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)現(xiàn)代火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)探測(cè)器開(kāi)關(guān)量模擬量報(bào)警閾值單一多態(tài)(預(yù)警、報(bào)警、故障等)探測(cè)器靈敏度漂移無(wú)補(bǔ)償“零點(diǎn)”自動(dòng)補(bǔ)償傳感器信號(hào)處理單一處理各種火災(zāi)算法處理、信息融合自診斷能力無(wú)有處理器控制單元單片機(jī)ARM、DSP等自動(dòng)滅火裝置無(wú)有線(xiàn)路多線(xiàn)總線(xiàn)型，屏蔽抗干擾誤報(bào)率、漏報(bào)率高低可靠性、準(zhǔn)確性低高綜合分析，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)從傳統(tǒng)型走向現(xiàn)代型，是降低系統(tǒng)誤報(bào)率和漏報(bào)率的有效方法。從多線(xiàn)制的硬件組合走向全總線(xiàn)軟件編程，便于管理和維護(hù)；尤其是在機(jī)車(chē)上，總線(xiàn)型更便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和布線(xiàn)管理。1.5火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)一直以來(lái)，各國(guó)研究人員在火災(zāi)的預(yù)防、報(bào)警和控制等方面做了很多的科研調(diào)查和研發(fā)。他們不斷地改進(jìn)火災(zāi)報(bào)警滅火系統(tǒng)的技術(shù)，使其相應(yīng)產(chǎn)品不斷升級(jí)換代。在探測(cè)器、信號(hào)線(xiàn)和報(bào)警控制等方面的升級(jí)完善尤為明顯。比如目前升級(jí)后的探測(cè)器有帶地址編碼的探測(cè)器和智能探測(cè)器，與以往的探測(cè)器相比，前者的可靠性和系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制上尤為突出；而在信號(hào)線(xiàn)上則由總線(xiàn)制代替了原來(lái)的多線(xiàn)制，結(jié)構(gòu)功能上明顯變得更加簡(jiǎn)便高效。由于多傳感器信息融合技術(shù)的不斷完善，模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)的人工智能算法也越來(lái)越多的用于火災(zāi)探測(cè)中，使判斷更加準(zhǔn)確高效，很好地促進(jìn)了自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展。國(guó)外在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的智能化開(kāi)發(fā)上比較先進(jìn)，他們正在試圖將報(bào)警系統(tǒng)往智能語(yǔ)音化方面研發(fā)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，這種高智能的報(bào)警系統(tǒng)會(huì)把各種信號(hào)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音信號(hào)傳遞給工作人員，語(yǔ)音告之如何及時(shí)滅火、如何處理好火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)等。同時(shí)，它還會(huì)把火災(zāi)當(dāng)時(shí)的各種數(shù)據(jù)參數(shù)和信息自動(dòng)錄入下來(lái)，協(xié)助災(zāi)后相關(guān)事件的分析處理。這種高智能的語(yǔ)音化趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯。目前在國(guó)外還研發(fā)出了一種智能化傳感器，它的硅片由三部分組成，體積較小，把識(shí)別與處理部分都集成在這塊硅片上，運(yùn)行機(jī)制分別相當(dāng)于人眼的光電轉(zhuǎn)化機(jī)制、人視覺(jué)神經(jīng)信號(hào)傳輸機(jī)制和人腦記憶和演算機(jī)制。但目前這種技術(shù)還不夠完善，且成本比較昂貴，但如果這種傳感器能大批量研發(fā)生產(chǎn)，且能廣泛應(yīng)于用火災(zāi)探測(cè)中，那將進(jìn)一步促進(jìn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展。與國(guó)外的發(fā)展情況比較，我國(guó)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研究和應(yīng)用起步就要更晚些，但隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、模式識(shí)別理論和人工智能與的實(shí)用化，在火災(zāi)探測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)控制的發(fā)展上有了很大的飛躍。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)自身?yè)碛幸惶壮墒斓漠a(chǎn)品研發(fā)技術(shù)和成果。如處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的南京市火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，主要通過(guò)公用業(yè)務(wù)電話(huà)網(wǎng)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理市內(nèi)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，高效可靠、控制分散、監(jiān)管集中。我國(guó)在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展前景良好，但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還相對(duì)滯后，在國(guó)內(nèi)也相對(duì)滯后于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)與發(fā)展。信號(hào)處理方法簡(jiǎn)單導(dǎo)致缺乏科學(xué)判斷，系統(tǒng)智能化程度普遍不高，抗干擾能力比較弱，這些都是報(bào)警系統(tǒng)存在的不足點(diǎn)。沒(méi)有很好地從根本上解決探測(cè)器靈敏度和系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)之間的矛盾問(wèn)題。綜上所述，讓多傳感器信息融合技術(shù)應(yīng)用于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中使其智能化不斷提升，增加系統(tǒng)的可靠性和精確性、擴(kuò)展系統(tǒng)輔助功能將是火災(zāi)報(bào)警控制技術(shù)發(fā)展的必然方向。使人們能夠及早的發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并有效采取措施，火災(zāi)發(fā)生結(jié)束后能通過(guò)系統(tǒng)存放的火災(zāi)信息了解到起火原因。1.6本課題研究的主要內(nèi)容本課題結(jié)合鐵路機(jī)車(chē)環(huán)境，在普通的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)上增加了滅火功能，整個(gè)系統(tǒng)主要由火災(zāi)智能探測(cè)器、主控制器、聲光報(bào)警裝置、聲光報(bào)警模塊、滅火裝置等五部分組成。設(shè)計(jì)了火災(zāi)智能探測(cè)器和主控制器部分，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)探測(cè)部分多數(shù)探測(cè)單一的不足，火災(zāi)探測(cè)技術(shù)需要向多傳感器復(fù)合探測(cè)方向發(fā)展，使探測(cè)到的火災(zāi)信號(hào)更加全面，本課題對(duì)火災(zāi)探測(cè)部分及其算法進(jìn)行研究探討，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊推理將信息融合，并對(duì)其進(jìn)行MATLAB仿真，結(jié)果顯示有交好的融合結(jié)果。本課題的工作是為更進(jìn)一步解決一般報(bào)警系統(tǒng)常有的誤報(bào)和漏報(bào)難題，設(shè)計(jì)了一種基于多傳感器信息融合的火災(zāi)復(fù)合探測(cè)器，本課題利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法和模糊控制算法，把它們自身的長(zhǎng)處結(jié)合起來(lái)進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合，最終來(lái)獲得火災(zāi)概率，使火災(zāi)探測(cè)更加準(zhǔn)確，提高系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。1.7本文內(nèi)容安排本文第一章為緒論；第二章分析了火災(zāi)探測(cè)器類(lèi)型，分析了現(xiàn)有的誤報(bào)警情況及解決方案，由此提出了多傳感器信息融合應(yīng)用于火災(zāi)探測(cè)中，給出了融合結(jié)構(gòu)框架，傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理與歸一化；第三章是本文火災(zāi)報(bào)警滅火系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要針對(duì)機(jī)車(chē)環(huán)境選擇了滅火裝置，分析了工作原理等；第四章是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；第五章對(duì)多傳感器信息融合的火災(zāi)智能探測(cè)算法進(jìn)行了MATLAL仿真；第六章介紹了本系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)；第七章為論文的總結(jié)與展往。

第二章火災(zāi)探測(cè)算法的研究2.1火災(zāi)探測(cè)器的類(lèi)型現(xiàn)在市面上火災(zāi)探測(cè)器種類(lèi)繁多，功能強(qiáng)弱也各不相等，本文按照探測(cè)火災(zāi)物理量的不同，對(duì)常見(jiàn)的四種火災(zāi)探測(cè)器工作原理作了簡(jiǎn)要的分析，給出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如下表2.1所示：表2.1常見(jiàn)火災(zāi)探測(cè)器的比較類(lèi)型探測(cè)的原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)煙霧探測(cè)器離子型當(dāng)煙霧粒子進(jìn)入電離化區(qū)域時(shí)，與離子結(jié)合從而降低了導(dǎo)電性，使電離室內(nèi)電流減小能實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)報(bào)警，適合在火災(zāi)初起階段對(duì)微小的煙霧粒子的感應(yīng)要靈敏些探測(cè)范圍較窄；誤報(bào)率高，靈敏度受環(huán)境影響大；有放射性污染，生產(chǎn)儲(chǔ)存、報(bào)費(fèi)困難光電型利用起火時(shí)產(chǎn)生的煙霧能夠改變光的傳播特性對(duì)稍大的煙霧粒子的感應(yīng)較為靈敏不適于小煙霧粒子的探測(cè)；灰塵、水汽、油霧等影響較大，不適于一些特殊場(chǎng)所；易受電磁干擾感溫探測(cè)器定溫利用金屬不同膨脹系數(shù)、溫升后易熔合金、水銀接點(diǎn)動(dòng)作等熱敏方式產(chǎn)生電流、空氣膨脹等原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路少；可做成密封結(jié)構(gòu)，適合各種惡劣環(huán)境適用于溫度上升緩慢的場(chǎng)合靈敏度低、探測(cè)反應(yīng)比較慢、報(bào)警時(shí)間遲；對(duì)陰火基本無(wú)響應(yīng)，難滿(mǎn)足預(yù)警差溫受環(huán)境變化的影響小差定溫靈敏度、可靠性相對(duì)較好火焰探測(cè)器紅外火焰利用產(chǎn)生可見(jiàn)的或大氣中沒(méi)有的不可見(jiàn)的光輻射原理紅外響應(yīng)波長(zhǎng)大于0.8μm響應(yīng)速度快，適應(yīng)突然起火；探測(cè)距離遠(yuǎn)，保護(hù)面積廣；環(huán)境適應(yīng)性好價(jià)格比較貴在透鏡面上結(jié)冰、水蒸汽濃度大時(shí)，反應(yīng)不靈敏紫外火焰紫外響應(yīng)波長(zhǎng)小于0.4μm易受電焊弧、雷擊影響氣體探測(cè)器催化型利用難熔金屬鉑絲加熱后的電阻變化來(lái)測(cè)定可燃?xì)怏w濃度響應(yīng)速度快；易燃?xì)怏w探測(cè)范圍較廣；對(duì)霧狀和氣狀的易燃化合物微小量有很好的靈敏度可燃?xì)怏w的腐蝕作用會(huì)降低探測(cè)器的靈敏度，要常清理；受環(huán)境溫度影響大紅外光學(xué)型利用紅外傳感器通過(guò)紅外線(xiàn)光源的吸收原理來(lái)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的碳?xì)漕?lèi)可燃?xì)怏w從表中看出，每種探測(cè)器都有其存在的優(yōu)點(diǎn)所在，但這種探測(cè)器均為單一的火災(zāi)探測(cè)器，有其一定的局限性，容易形成誤報(bào)、漏報(bào)。而不是對(duì)多傳感器的多維信息進(jìn)行處理，對(duì)于目前的火災(zāi)探測(cè)，復(fù)合式火災(zāi)探測(cè)器能更好地滿(mǎn)足人們需求，能在火災(zāi)初期識(shí)別出火災(zāi)，本文將采用智能復(fù)合探測(cè)器對(duì)機(jī)車(chē)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)。2.2火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的誤報(bào)警分析自火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的問(wèn)世，到目前為止已經(jīng)有了很大規(guī)模的應(yīng)用，在消防工作中有了舉足輕重的地位。但火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在消防技術(shù)中還不夠成熟，無(wú)論是在產(chǎn)品生產(chǎn)還是用戶(hù)使用、系統(tǒng)維修上，技術(shù)還不夠完善，經(jīng)常使一些報(bào)警系統(tǒng)無(wú)法正常工作，誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象常有發(fā)生，還可能造成不必要的損失和嚴(yán)重后果，在機(jī)車(chē)上也是如此，工作人員甚至關(guān)閉了報(bào)警系統(tǒng)，這樣很多自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)就成為一種裝飾品，沒(méi)有真正起到報(bào)警的作用。所謂“誤報(bào)”即指火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在沒(méi)有發(fā)生任何火災(zāi)的情況下就發(fā)出警報(bào)信號(hào)。從理論上分析，任何設(shè)備、系統(tǒng)，包括各種精密儀器等都有誤動(dòng)作的可能性存在，但火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)探測(cè)器的誤報(bào)警所造成的恐慌和損失等，已經(jīng)引起了有關(guān)部門(mén)的高度重視?，F(xiàn)實(shí)中發(fā)現(xiàn)，誤報(bào)或漏報(bào)現(xiàn)象嚴(yán)重的往往是采用一種傳感器采集火災(zāi)的單一參數(shù)，并且用閾值法來(lái)進(jìn)行判斷，這種探測(cè)方式易受到環(huán)境中干擾因素的影響。以下為部分環(huán)境因素可能引起的誤報(bào)警：（1）在機(jī)車(chē)內(nèi)通常因?yàn)橄銦煛⒒覊m顆粒、水霧、電焊過(guò)程、機(jī)車(chē)廢氣等干擾信號(hào)造成的虛假火災(zāi)現(xiàn)象，而單一的傳感器無(wú)法全面識(shí)別環(huán)境情況。（2）由于昆蟲(chóng)、電磁、腐蝕、結(jié)冰、污染等一些不利的環(huán)境條件，使探測(cè)器無(wú)法正常工作，采集的數(shù)據(jù)和參數(shù)與火災(zāi)實(shí)際參數(shù)相差較遠(yuǎn)。（3）對(duì)溫度探測(cè)器而言，選擇定溫點(diǎn)過(guò)低，有些場(chǎng)所比如機(jī)車(chē)內(nèi)環(huán)境通常比較高，會(huì)使溫度探測(cè)器過(guò)熱而容易達(dá)到閾值。因此，解決誤報(bào)警問(wèn)題已成為消防技術(shù)中提高火災(zāi)探測(cè)可靠性的關(guān)鍵所在，要想解決這個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，減少和降低誤報(bào)警，則需要在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究方面增加投入，即在探測(cè)器的設(shè)計(jì)方面需要加入更可靠的因素。有以下幾條比較有效的途徑：（1）應(yīng)盡量地減少探測(cè)器周邊環(huán)境對(duì)誤報(bào)警的影響?？梢圆捎酶倪M(jìn)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，規(guī)定用戶(hù)使用條件，安裝使用后定期檢測(cè)和清洗探測(cè)器來(lái)入手來(lái)降低外界因素影響的誤報(bào)警。（2）設(shè)計(jì)新型火災(zāi)復(fù)合智能探測(cè)器，用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一探測(cè)器，即把單一物理參量的檢測(cè)設(shè)計(jì)為火災(zāi)多參量復(fù)合檢測(cè)。這樣系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)槟骋粎⒘窟_(dá)到閾值而直接報(bào)警，大幅度降低火災(zāi)誤報(bào)率。根據(jù)防護(hù)區(qū)環(huán)境及火災(zāi)特點(diǎn)，取舍物理量，更系統(tǒng)報(bào)警更加有效，減少誤報(bào)警，又能保證經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上可行。其實(shí)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)能及時(shí)報(bào)警和減少誤報(bào)警存在一定的矛盾，靈敏度隨著報(bào)警閾值的降低而提高，誤報(bào)率卻隨之增大。采用火災(zāi)多傳感器信息融合對(duì)火災(zāi)不同的物理參量進(jìn)行處理，是現(xiàn)代解決誤報(bào)警問(wèn)題的有效方法，傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種智能探測(cè)。2.3基于多傳感器信息融合火災(zāi)探測(cè)的提出在火災(zāi)探測(cè)中，傳統(tǒng)探測(cè)算法僅僅通過(guò)一種傳感器采集單一的信息，這種方式屬于不完整的探測(cè)方式，往往對(duì)其有局限性，已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)火災(zāi)報(bào)警的需求。例如應(yīng)用較為廣泛的光電式感煙探測(cè)器對(duì)一般煙霧有較高靈敏度，是一種早期預(yù)警的重要工具，但往往不能有效的識(shí)別不可見(jiàn)煙或出現(xiàn)明火的黑煙。所以每種傳感器都能探測(cè)火災(zāi)某一特征，但通常有其一定的局限性，單一的探測(cè)導(dǎo)致系統(tǒng)誤報(bào)警發(fā)生率高。因此，只有獲得火災(zāi)的多維參數(shù)信息，再采用多傳感器信息融合技術(shù)加以融合處理，才能更好地對(duì)火災(zāi)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。數(shù)據(jù)融合是一個(gè)多級(jí)、多層面的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，主要完成對(duì)來(lái)自多個(gè)信息源的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、關(guān)聯(lián)、分類(lèi)、估計(jì)及組合等的處理。2.3.1數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu)分類(lèi)方法較多，目前比較常用的層次融合模型主要分為三個(gè)層次：數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合三類(lèi)。數(shù)據(jù)融合實(shí)質(zhì)上是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的多層次處理，每一級(jí)都代表了數(shù)據(jù)和處理過(guò)程中不同程度的分辨率。也可以認(rèn)為是對(duì)原始數(shù)據(jù)不同程度的抽象化。數(shù)據(jù)融合的級(jí)別越高，分辨率程度越高，對(duì)原始數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)要求就越低。結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：數(shù)據(jù)級(jí)融合數(shù)據(jù)級(jí)融合特征級(jí)融合決策級(jí)融合數(shù)據(jù)圖2.1融合結(jié)構(gòu)框圖數(shù)據(jù)級(jí)融合是在傳感器采集的原始信息層次上進(jìn)行分析與處理，屬于最低層次的數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)級(jí)融合的主要特點(diǎn)是能盡可能多的保持現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的完整性，為特征級(jí)融合和決策級(jí)融合提供細(xì)微信息。但由于傳感器數(shù)據(jù)量比較大，處理時(shí)間相應(yīng)加長(zhǎng)，所以實(shí)時(shí)性方面較差由于該層次與傳感器數(shù)據(jù)直接通信，所以容易受到干擾。該層次融合是對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)直接融合，所以處理對(duì)象必須是同質(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)。特征級(jí)融合是對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，特征可以是被觀測(cè)對(duì)象的各種物理量，然后再對(duì)特征信息進(jìn)行綜合分析和處理，屬于中間層次的融合。其融合過(guò)程為：先提取像素信息的表示量或統(tǒng)計(jì)量，即提取特征信息，然后按特征信息對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、綜合和分析[3]。所提取的特征信息必須是能充分表示相應(yīng)檢測(cè)的物理對(duì)象。特征級(jí)融合的特點(diǎn)是對(duì)大量的的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了壓縮，方便實(shí)時(shí)性的處理，與決策級(jí)融合相比，也減少了信息損失。決策級(jí)融合屬于最高層次的融合，該層次的融合結(jié)果為指揮控制或決策提供了依據(jù)，是對(duì)特征級(jí)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合處理，輸出最終融合結(jié)果。決策級(jí)融合必須合理利用特征級(jí)的融合結(jié)果，這樣才能真正提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性與魯棒性。決策層融合具有靈活性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。一般是對(duì)不同類(lèi)型傳感器之間的數(shù)據(jù)合并處理。2.3.2數(shù)據(jù)融合的過(guò)程環(huán)境中的觀測(cè)對(duì)象多為具有不同特征的非電量（如本系統(tǒng)中的煙霧、溫度、火焰等物理量），通過(guò)各傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)特征元素，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將特征元素轉(zhuǎn)為處理器能夠處理的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理，最后進(jìn)入融合中心將信號(hào)進(jìn)行特征提取，進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合，輸出結(jié)果。多傳感器數(shù)據(jù)融合過(guò)程如圖2.2所示：環(huán)境對(duì)象環(huán)境對(duì)象多傳感器A/D數(shù)據(jù)預(yù)處理特征提取融合計(jì)算結(jié)果輸出融合中心圖2.2數(shù)據(jù)融合過(guò)程框圖2.4多傳感信息融合在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用ARM處理器對(duì)各路傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，歸一化為相應(yīng)特征量，采用模式識(shí)別實(shí)現(xiàn)各傳感器多元特征向量的關(guān)聯(lián)與分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)特征的識(shí)別。著火有明火與陰燃兩種情況，明火往往伴有大量火焰，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度會(huì)比較高，同時(shí)有一定量的CO氣體與煙霧產(chǎn)生；而陰燃著火，一般現(xiàn)場(chǎng)溫度沒(méi)有多少變化，但會(huì)產(chǎn)生煙霧和CO等氣體，一定的外界程度會(huì)可能使陰燃轉(zhuǎn)化為明火，所以陰燃火情也是人們需要引起注意的火災(zāi)，其存在很大的火災(zāi)隱患。這兩種火情有顯著的差別，所以本文將它們分別作為識(shí)別目標(biāo)對(duì)象?；馂?zāi)具有雙重性規(guī)律。一方面火災(zāi)具有確定性，因此可以從一個(gè)實(shí)例中獲得確定的火災(zāi)特征參數(shù)，如溫度、CO濃度等方面的變化曲線(xiàn)，這樣就可以用這些特征參數(shù)曲線(xiàn)當(dāng)作學(xué)習(xí)的范例，將實(shí)時(shí)探測(cè)到的信號(hào)與學(xué)習(xí)的范例進(jìn)行對(duì)比。另一方面，火災(zāi)有存在的隨機(jī)性，在各式各樣的環(huán)境中，實(shí)際情況的不斷變化使學(xué)習(xí)范例不能全部包含，所以火災(zāi)探測(cè)算法需要根據(jù)已知有限的知識(shí)推測(cè)更多的情況。而且為了滿(mǎn)足火災(zāi)探測(cè)的實(shí)時(shí)性，能及時(shí)的報(bào)警，所以在火災(zāi)探測(cè)中要求算法能有較快的處理速度。

通過(guò)對(duì)火災(zāi)規(guī)律的分析，針對(duì)火災(zāi)的特性，可以總結(jié)出本文采用的識(shí)別算法具有以下三要素：（1）具備自主學(xué)習(xí)能力；（2）有比較好的聯(lián)想、自適應(yīng)能力；（3）有較快的數(shù)據(jù)處理速度而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)就是不需要對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型；具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)及聯(lián)想能力，能夠使系統(tǒng)能夠適應(yīng)周邊環(huán)境的變化和信息的不完全性；它的并行計(jì)算能力使得處理信息的速度比較快，很適合信息融合中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。所以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)火災(zāi)識(shí)別比較不錯(cuò)的選擇。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊推理兩種算法相串聯(lián)的方式對(duì)火災(zāi)信號(hào)進(jìn)行綜合處理，融合模型如圖2.3所示：傳感器的數(shù)據(jù)先進(jìn)行預(yù)處理和歸一化，處理結(jié)束后輸出T、S、C三種數(shù)據(jù)，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)不同的輸入，在特征層采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法，把傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，融合輸出為明火概率X與陰燃概率Y，在決策層采用模糊推理對(duì)明火與陰燃再進(jìn)一步融合處理，作出判決，為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)最終判斷提供依據(jù)。圖2.3多傳感器信息融合模型2.4.1傳感器信息環(huán)境溫度的不斷上升、CO2氣體、CO氣體等燃燒氣體的產(chǎn)生、煙霧、火焰的產(chǎn)生是發(fā)生火災(zāi)的顯著特點(diǎn)，但是具備這些特點(diǎn)也不一定就是火災(zāi)。因?yàn)橛幸恍└蓴_信號(hào)往往也具備這些物理特性，比如機(jī)車(chē)隨地點(diǎn)的改變引起環(huán)境溫度的變化，香煙、電焊等均有可能引起誤報(bào)警。因此探測(cè)系統(tǒng)首先對(duì)各種傳感器采集到的單一信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，當(dāng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，變化程度比較大，則說(shuō)明很有可能發(fā)生火災(zāi)，應(yīng)該把數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化后輸入到下一級(jí)進(jìn)行再一次融合。考慮到火災(zāi)時(shí)煙霧、CO氣體等濃度和溫度的上升往往速度較快，因此本文采用速率檢測(cè)法，給定一個(gè)原始序列，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：(2.1)上式中，分別為溫度、煙霧和CO傳感器采集到的數(shù)據(jù)。設(shè)定一個(gè)累加函數(shù)，令其為，取其為某一傳感器多次累加相鄰數(shù)據(jù)的差值之和，用數(shù)學(xué)公式表示為：(2.2)則數(shù)據(jù)局部決策結(jié)果為：(2.3)式中為單位階躍函數(shù)，；，為其中一種傳感器的數(shù)據(jù)層決策結(jié)果，而則為局部的基準(zhǔn)門(mén)限。如果數(shù)據(jù)局部決策結(jié)果任意一個(gè)輸出為1時(shí)，由公式2.3可知煙霧、溫度或CO氣體信號(hào)有一種出現(xiàn)了非平穩(wěn)的變化，表明有發(fā)生火災(zāi)的可能存在。繼續(xù)采集傳感器數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)送入下一級(jí)別進(jìn)行再一次融合，如果中均為0，則說(shuō)明探測(cè)到的信號(hào)比較地穩(wěn)定，即沒(méi)有火災(zāi)隱患。這種數(shù)據(jù)預(yù)處理采用分塊處理的決策方式，在低層次先進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，這種判斷方式大大減輕了特征級(jí)的數(shù)據(jù)處理工作。2.4.2特征量的歸一化處理所謂歸一化，就是把有量綱的表達(dá)式轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的表達(dá)式。使某一數(shù)值的絕對(duì)值變成相對(duì)值，能簡(jiǎn)化計(jì)算，例如系統(tǒng)中的傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D后需要進(jìn)行歸一化后送入特征級(jí)進(jìn)行融合。同理，在火災(zāi)探測(cè)算法中，各種傳感器采集到的特征量集中的區(qū)域也會(huì)不一樣，為使特征量統(tǒng)一到一個(gè)范圍內(nèi)便于處理，所以也需要進(jìn)行歸一化處理，一般把傳感器數(shù)據(jù)映射到[0,1]范圍之內(nèi)，方便后期處理。常見(jiàn)的線(xiàn)性函數(shù)轉(zhuǎn)換是比較典型的歸一化處理，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：(2.4)式中，分別為某一傳感器歸一化前后的值，分別為溫度傳感器、煙霧傳感器和CO傳感器，分別為特征量的最大值與最小值。2.4.3數(shù)據(jù)級(jí)融合數(shù)據(jù)級(jí)融合是往往是對(duì)同質(zhì)傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，這部分也叫局部決策模塊，這種融合方法可以解決單個(gè)傳感器的局限性與不確定性。融合整體結(jié)構(gòu)如圖2.4所示：圖2.4數(shù)據(jù)層融合模型自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合估計(jì)算法是該層融合比較常見(jiàn)的經(jīng)典算法，為了權(quán)衡各傳感器采集到數(shù)據(jù)的相對(duì)重要程度，在此引入權(quán)數(shù)，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)乘以相應(yīng)權(quán)數(shù)進(jìn)行平均處理。在總均方誤差這一最優(yōu)條件下,根據(jù)每個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)按自適應(yīng)的方式尋找相對(duì)應(yīng)的權(quán)數(shù),可使融合后的達(dá)到最優(yōu)。設(shè)個(gè)傳感器的方差分別為,各傳感器的測(cè)量值分別為,它們彼此相互獨(dú)立,加權(quán)因子分別為,引入加權(quán)因子后,傳感器數(shù)據(jù)的融合值為:（2.5）其中，各權(quán)值滿(mǎn)足：（2.6）總均方差為：（2.7）由于是相互獨(dú)立的，而且是的無(wú)偏估計(jì)，可知：（2.8）從而可以推出：（2.9）式2.7中的是各加權(quán)因子的多元二次函數(shù)，其最小值的求取就是加權(quán)因子滿(mǎn)足歸一化約束條件的多元函數(shù)極值的求取。根據(jù)多元函數(shù)求極值理論，當(dāng)加權(quán)因子為（2.10）則：（2.11）上述方法為各傳感器在同一時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，當(dāng)估計(jì)真值為常量時(shí)，可按照各傳感器歷史數(shù)據(jù)的均值來(lái)進(jìn)行估計(jì)，具體方法如下，設(shè)：（2.12）估計(jì)值為：（2.13）總均方誤差為：（2.14）由于為無(wú)偏估計(jì)，因此，也是的無(wú)偏估計(jì)，所以有：（2.15）可以看出，，并且隨的增加，隨著的增加而逐漸減小。2.4.4特征級(jí)火災(zāi)的發(fā)生是伴隨著溫度、煙霧、氣體等物理因素展現(xiàn)出來(lái)的，通過(guò)各種性質(zhì)的傳感器能把這些物理因素轉(zhuǎn)化為一定的特征量，因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)有很好的非線(xiàn)性映射能力，對(duì)能上述火災(zāi)發(fā)生的復(fù)雜因素能夠相應(yīng)地反映出來(lái)，處理速度快，滿(mǎn)足系統(tǒng)探測(cè)的高實(shí)時(shí)性的要求，比較適合運(yùn)用在火災(zāi)探測(cè)中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層分別為各傳感器的特征量，輸出為火災(zāi)的明火可能性與陰燃可能性，在火災(zāi)探測(cè)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用詳見(jiàn)第五章。2.4.5決策級(jí)在火災(zāi)報(bào)警滅火系統(tǒng)中，特征層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果明火概率或陰燃火概率較大時(shí)，雖然可以明確判斷是否有火災(zāi)，但在設(shè)定的閾值附近時(shí)，系統(tǒng)就不能很好地判斷是否有火災(zāi)。為了避免上述情況，本文采用模糊推理方法對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出實(shí)現(xiàn)信息融合進(jìn)行決策，最終實(shí)現(xiàn)火災(zāi)判決。設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器須要對(duì)其輸入量與輸出量進(jìn)行模糊化，然后建立模糊規(guī)則表。在火災(zāi)探測(cè)中算法的實(shí)現(xiàn)詳見(jiàn)第五章。2.5本章小結(jié)本章對(duì)傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器各種類(lèi)型作了比較全面地比較，并對(duì)目前火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的各種誤報(bào)警作了一定的分析，由此提出基于多傳感器信息融合的火災(zāi)探測(cè)方法，并對(duì)其融合結(jié)構(gòu)與過(guò)程作了介紹，對(duì)融合的每個(gè)層次作了分析，最終給出了本課題采用的算法，即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊推理。

第三章火災(zāi)報(bào)警滅火系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖本文設(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警滅火系統(tǒng)主要由火災(zāi)復(fù)合探測(cè)器、ARM控制器、滅火裝置、鍵盤(pán)顯示模塊和聲光報(bào)警模塊五部分構(gòu)成。復(fù)合智能探測(cè)器由溫度傳感器、CO氣體傳感器、煙霧傳感器及ARM處理單元等組成。探測(cè)器的設(shè)計(jì)及與ARM控制器的通信關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠準(zhǔn)確性，探測(cè)器的有效探測(cè)在整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)中起基礎(chǔ)與核心作用；ARM控制器則是數(shù)據(jù)信息處理、聲光報(bào)警控制，滅火控制的核心，各路探測(cè)器與ARM總控制器的信息傳送用CAN總線(xiàn)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。圖3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由框圖可知該系統(tǒng)可分為現(xiàn)場(chǎng)層和控制層?，F(xiàn)場(chǎng)層主要由復(fù)合探測(cè)器和滅火裝置組成：ARM處理器和三種傳感器組合成一個(gè)火災(zāi)復(fù)合智能探測(cè)器。主要負(fù)責(zé)對(duì)煙霧、溫度、CO氣體信號(hào)的采集和處理，能夠減輕控制層中ARM控制器的負(fù)擔(dān)。控制層主要由ARM控制器、報(bào)警裝置、鍵盤(pán)顯示模塊組成。現(xiàn)場(chǎng)各路探測(cè)器通過(guò)CAN總線(xiàn)和ARM控制器進(jìn)行信息交流。ARM處理器對(duì)各路探測(cè)器進(jìn)行巡回檢測(cè)，判斷探測(cè)器探測(cè)到的數(shù)據(jù)，是否發(fā)生火情或發(fā)生故障，并根據(jù)處理結(jié)果決定是否聲光報(bào)警和起動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置進(jìn)行滅火。3.2系統(tǒng)的工作過(guò)程及主要優(yōu)點(diǎn)各路火災(zāi)探測(cè)器安裝在機(jī)車(chē)防護(hù)區(qū)，主要的工作是ARM處理器通過(guò)A/D采集傳感器的信息，數(shù)據(jù)預(yù)處理與歸一化后再進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和算法處理，最后進(jìn)行決策判斷，將判斷結(jié)果通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送到ARM控制器，并存儲(chǔ)于選定的內(nèi)存單元中，各路探測(cè)器和ARM控制器之間需要時(shí)刻保持通訊聯(lián)系，若ARM控制器接受到某路探測(cè)器的報(bào)警信號(hào)時(shí)，ARM控制器上的蜂鳴器開(kāi)始鳴叫，相應(yīng)機(jī)車(chē)室的LED從閃亮到常亮，司乘人員可以在液晶顯示器看到發(fā)生火情所在位置及報(bào)警時(shí)間，系統(tǒng)還能將報(bào)警信息存入存儲(chǔ)器，還可以通過(guò)按鍵操作啟動(dòng)相應(yīng)地點(diǎn)的滅火裝置實(shí)現(xiàn)滅火。本系統(tǒng)是集火災(zāi)探測(cè)、智能報(bào)警、自動(dòng)滅火于一體的一個(gè)的綜合系統(tǒng)，具體有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）多傳感器信息融合火災(zāi)探測(cè)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是利用多傳感器各自的特點(diǎn)和使用范圍，先進(jìn)行預(yù)處理，當(dāng)某一傳感器的信息出現(xiàn)非平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，對(duì)相應(yīng)的各傳感器數(shù)據(jù)歸一化后送入融合中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，各傳感器互為補(bǔ)償，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法和模糊推理，由ARM處理器對(duì)多個(gè)傳感器信息進(jìn)行處理分析，綜合信息決策判斷作結(jié)果，使結(jié)果更加精確，使靈敏度大大提高、能有效降低了系統(tǒng)的誤報(bào)和漏報(bào)。（2）實(shí)時(shí)取得和充分利用傳感器的數(shù)據(jù)本系統(tǒng)采用智能復(fù)合火災(zāi)探測(cè)器，由于信號(hào)處理和數(shù)據(jù)融合部分在在各個(gè)探測(cè)器中完成，控制層上的處理器信號(hào)處理的負(fù)擔(dān)大大減少，只要實(shí)時(shí)接受各探測(cè)器發(fā)送到CAN總線(xiàn)上的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)來(lái)判斷即可。（3）可靠的通訊系統(tǒng)通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)進(jìn)行信息通訊，大幅提高了系統(tǒng)的通訊能力，在信息傳輸?shù)陌踩院蛯?shí)時(shí)性方面達(dá)到了更可靠的保障。通過(guò)CAN總線(xiàn)ARM控制器可以實(shí)時(shí)查詢(xún)各路探測(cè)器的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)信息，當(dāng)探測(cè)器發(fā)生各種故障時(shí)也可以將信息發(fā)送到ARM控制器。探測(cè)器內(nèi)部通過(guò)ARM處理單元對(duì)信息進(jìn)行初步處理后，在總線(xiàn)上發(fā)送的信息量已經(jīng)大大減少[6]，即通過(guò)開(kāi)關(guān)信號(hào)量就能滿(mǎn)足可靠通訊的目的，而無(wú)須復(fù)雜的糾錯(cuò)算法和硬件電路。（4）良好的人機(jī)交互功能機(jī)車(chē)司機(jī)室內(nèi)配有TG12864E液晶顯示器、LED和蜂鳴器等聲光報(bào)警模塊作為輸出，為機(jī)車(chē)工作人員提供可靠實(shí)時(shí)信息；同時(shí)配上按鍵控制，形成一個(gè)操作性高的人機(jī)界面。3.3多傳感器智能探測(cè)器的設(shè)計(jì)3.3.1傳感器類(lèi)型的選擇當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，燃燒的物體常常伴隨有火焰、煙霧、異常氣體等綜合現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)也使周?chē)h(huán)境的溫度不斷上升。每種傳感器有其自身特點(diǎn)、使用范圍和精度，利用這些來(lái)分別探測(cè)局部現(xiàn)象和信息，再做出綜合性的判斷，能為最終決策提供比較可靠的信息。目前用來(lái)探測(cè)火災(zāi)的傳感器類(lèi)型繁多，由第二章探測(cè)器的分類(lèi)小節(jié)中可知現(xiàn)在有煙霧傳感器、溫度傳感器、火焰感光傳感器、氣體傳感器等眾多種類(lèi)。在選擇火災(zāi)傳感器時(shí)，應(yīng)分析出傳感器所在防護(hù)區(qū)可能引起火災(zāi)的物質(zhì)與其燃燒的特點(diǎn)來(lái)確定傳感器的類(lèi)型?；鹧嬉彩敲骰甬a(chǎn)生的一個(gè)顯著特點(diǎn)，另外，還伴有大量的光輻射，典型的有紅外和紫外輻射，火焰?zhèn)鞲衅黜憫?yīng)速度較快，探測(cè)距離遠(yuǎn)。往往能很好的辨識(shí)火災(zāi)情況，但火焰?zhèn)鞲衅饕话爿^其他傳感器要昂貴的多，而且本文的識(shí)別對(duì)象為明火與陰燃火，火焰?zhèn)鞲衅骶哂袉我恍?，所以在本系統(tǒng)不采用火焰?zhèn)鞲衅?。通常情況下，CO氣體在空氣中的含量極低，但一旦發(fā)生火災(zāi)，每種物質(zhì)基本都含有碳的成分，燃燒均要產(chǎn)生CO氣體，在陰燃階段的火災(zāi)表現(xiàn)更為明顯，因此CO氣體是極早期火災(zāi)的重要標(biāo)志，而且虛假火源通常不會(huì)產(chǎn)生CO氣體或其量值極小，因此CO傳感器是探測(cè)火情的有效方法。綜合考慮，在機(jī)車(chē)內(nèi)的火災(zāi)常伴有煙霧產(chǎn)生，溫度往往也會(huì)不斷上升，本系統(tǒng)選擇CO傳感器、溫度傳感器和煙霧傳感器三種作為火災(zāi)探測(cè)的工具。3.3.2智能探測(cè)器總體設(shè)計(jì)該探測(cè)器以?xún)?nèi)置ARM處理器為處理核心，通過(guò)溫度傳感器、煙霧傳感器和CO氣體傳感器對(duì)機(jī)車(chē)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)預(yù)處理先對(duì)其進(jìn)行判斷，當(dāng)有可能發(fā)生火災(zāi)時(shí)再結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法和模糊推理進(jìn)行信息融合，自主決策和分辯真假火情。各路火災(zāi)探測(cè)器與ARM控制器之間通過(guò)CAN總線(xiàn)協(xié)議交互式通訊。各路傳感器通過(guò)處理器的A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。智能復(fù)合探測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖如圖3.2所示。圖3.2探測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖3.4嵌入式處理器的選擇目前嵌入式比較常用的微控制器主要有單片機(jī)、ARM和DSP等三種類(lèi)型，單片機(jī)硬件技術(shù)相對(duì)比較成熟，軟件編程也比較簡(jiǎn)單，不涉及操作系統(tǒng)。但是數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)，結(jié)構(gòu)尺寸相比也會(huì)較大。DSP，即數(shù)字信號(hào)處理器，專(zhuān)用于信號(hào)處理方面，在指令算法上的設(shè)計(jì)較為特殊，編譯效率高，指令的執(zhí)行速度比較快，且其體積較小，有利于電路板布局；不過(guò)DSP在中斷處理、位處理不如單片機(jī)與ARM，專(zhuān)用性強(qiáng)，通用性沒(méi)有ARM廣泛。如下表所示為三種處理器的比較。表3.1三種常見(jiàn)處理器的比較類(lèi)型C51單片機(jī)ARMDSP位數(shù)8位、16位32位16位～32位體系結(jié)構(gòu)馮諾伊曼馮諾伊曼、哈佛哈佛運(yùn)算能力較弱中等較強(qiáng)工作頻率10MHz～24MHz50MHz~200MHz100MHz～400MHz功耗小小大數(shù)據(jù)處理能力不強(qiáng)較強(qiáng)強(qiáng)A/D模塊無(wú)有有在一個(gè)系統(tǒng)中，嵌入式處理器的選用主要由應(yīng)用的領(lǐng)域、系統(tǒng)的功能要求、設(shè)計(jì)成本和開(kāi)發(fā)的難易程度等各方面決定的。本文根據(jù)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，綜合比較，將采用ARM處理器。ARM處理器現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，在手機(jī)、平板電腦等電子產(chǎn)品中較多，所以資源也比較豐富，支持雙指令集：16位Thumb指令集和32位ARM指令集[7]；采用3級(jí)流水線(xiàn)來(lái)加快指令流的速度，尋址方式靈活簡(jiǎn)單，具有速度快，性能強(qiáng)、功耗低，價(jià)格低，體積小的特點(diǎn)，可以廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。ARM的嵌入式系統(tǒng)具有優(yōu)良的性能和良好的移植性，廣泛應(yīng)用與各行各業(yè)。ARM處理器品種繁多，按架構(gòu)的不同可分為ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、Cortex等多種系列。本系統(tǒng)采用ARM系列中的Cortex-M3處理器，由于其具有極高的運(yùn)算能力和極強(qiáng)的中斷響應(yīng)能力，所以Cortex-M3內(nèi)核主要是應(yīng)用于低成本、小管腳數(shù)和低功耗的領(lǐng)域。3.5現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的選擇本系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)傳輸方式，因此在各路探測(cè)器和和ARM控制器之前需要合理的總線(xiàn)來(lái)進(jìn)行通訊，目前總線(xiàn)類(lèi)型較多，經(jīng)常用到的總線(xiàn)有RS-485總線(xiàn)、CAN總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)等多種，每種總線(xiàn)都有其存在的優(yōu)勢(shì)及缺點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)有所不同。RS-485的工作方式采用半雙工異步通信，通信結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一種被普遍使用的數(shù)據(jù)通訊總線(xiàn)[8][9]。傳輸速率高、成本低。RS-485總線(xiàn)采用主機(jī)輪詢(xún)方式，主機(jī)需要不停地輪詢(xún)各從機(jī)，如果從機(jī)與從機(jī)之間需要進(jìn)行通信，則必須先通過(guò)主機(jī)再通信，從機(jī)間通信的難度增強(qiáng)，主機(jī)負(fù)擔(dān)加重，也會(huì)導(dǎo)致通信的吞吐量較低，所以不適合在通信量要求較大的環(huán)境中應(yīng)用[10]。CAN總線(xiàn)在通信方式方面具有一定的通信優(yōu)勢(shì)。綜上所述，RS-485總線(xiàn)適用應(yīng)用于對(duì)速率要求不高、通信量不大的小型系統(tǒng)[10]。而火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)要對(duì)大量數(shù)據(jù)連續(xù)采集和傳輸，在總線(xiàn)上要做到及時(shí)性和可靠性，考慮到能及時(shí)報(bào)警和減少誤報(bào)，所以相比之下RS-485總線(xiàn)不能很好地滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求。CAN是ControllerAreaNetwork的簡(jiǎn)稱(chēng)，即控制器局域網(wǎng)絡(luò)[11]。CAN總線(xiàn)是一種多主式總線(xiàn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可做為主機(jī)發(fā)送信息。CAN總線(xiàn)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、通信速率高、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用相當(dāng)廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，也是最有發(fā)展前景的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一[12]。3.6機(jī)車(chē)電源模塊的選擇根據(jù)鐵路標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，機(jī)車(chē)需要配置一個(gè)穩(wěn)定的電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電壓。系統(tǒng)耗電電源由各路探測(cè)器電源，控制主機(jī)電源，滅火裝置電源，液晶顯示電源等四部分電源組成。目前鐵路機(jī)車(chē)內(nèi)部提供的電源電壓為直流110V，需要采用鐵路機(jī)車(chē)專(zhuān)用的VICOR電源模塊。VICOR電源模塊是美國(guó)VICOR公司生產(chǎn)，廣泛用于鐵路機(jī)車(chē)上的電源模塊，這種模塊性能穩(wěn)定，且外部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以直接貼裝在PCB板上的電源供應(yīng)器，供電電壓穩(wěn)定、可靠[14]。如圖3.3所示為半磚系列：圖3.3VICOR電源模塊VICOR電源模塊根據(jù)外形尺寸的大小可以分為全磚、半磚、1/4磚三種，考慮到機(jī)車(chē)內(nèi)空間小，電源模塊是直接焊接在印刷電路板上，所以尺寸要小，考慮到系統(tǒng)需要達(dá)到的功率，綜合分析選擇半磚模塊，模塊規(guī)格如圖3.4所示：針式針式Black:ShortTinL:LongTinS:ShortModumateN:LongModumateF:ShortRoHSG:LongRoHS輸出功率VoutPout3.3V75w,100w5V100w,150w8V150w12V150w,200w15V150w,200w24V150w,200w28V150w,200w36V150w,200w48V150w,200wBlack:Slotted2:Threaded3:Throughhole輸出電壓3V3=3.3V5=5V8=8V12=12V15=15V24=24V28=28V36=36V48=48VV110BB產(chǎn)品等級(jí)溫度（°C）符號(hào)運(yùn)行儲(chǔ)存E=-10~+100-20~+125C=-20~+100-40~+125T=-40~+100-40~+125H=-40~+100-55~+125M=-55~+100-65~+125圖3.4第二代VICOR電源模塊的類(lèi)型本系統(tǒng)滅火裝置的電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓為24V，且在機(jī)車(chē)內(nèi)一般溫度較高，為了適應(yīng)環(huán)境溫度，VICOR電源模塊工作溫度在這里選取T檔；整個(gè)系統(tǒng)的耗電量總體較大，且在機(jī)車(chē)內(nèi)由于震動(dòng)會(huì)比較大，防止電源模塊從PCB上脫落，選擇長(zhǎng)針式。綜合考慮，采用V110B24T200BN3半磚模塊，即電源模塊的輸入端為機(jī)車(chē)供電電壓110V，輸出為24V。3.7滅火裝置的設(shè)計(jì)3.7.1七氟丙烷氣體應(yīng)用在機(jī)車(chē)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)一般情況下滅火系統(tǒng)會(huì)選擇有較好綠色環(huán)保性能的CO2系統(tǒng)和IG541系統(tǒng)，但由于這兩種系統(tǒng)都受溫度影響較大，同時(shí)滅火劑用量過(guò)大，使其應(yīng)用量相對(duì)容積比過(guò)高，需要占用較大的空間，因此，不適宜在空間范圍相對(duì)較小的機(jī)車(chē)內(nèi)使用。綜合考慮，機(jī)車(chē)內(nèi)滅火裝置的最佳選擇為七氟丙烷滅火氣體。因其具有以下三大優(yōu)點(diǎn)：（1）七氟丙烷是一種新型、高效的滅火藥劑。其藥劑滅火濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于二氧化碳、混合氣體等其它氣體。且受溫度變化影響較小，對(duì)電力機(jī)車(chē)在運(yùn)行中所產(chǎn)生的高溫對(duì)貯瓶壓力增高有一定的適應(yīng)能力，提高了滅火系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。（2）七氟丙烷滅火劑噴放后可自然排出或由通風(fēng)系統(tǒng)迅速排除，滅火劑釋放后對(duì)機(jī)械設(shè)備、電器設(shè)備及線(xiàn)路無(wú)任何損害，不影響絕緣，滅火后在作簡(jiǎn)單的通風(fēng)處理即能恢復(fù)正常工作。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員不構(gòu)成傷害和威脅，是迄今消防設(shè)施中研究開(kāi)發(fā)比較成功的潔凈氣體滅火劑之一[15]。

（3）七氟丙烷滅火濃度低，能以較低的滅火濃度，可靠的撲滅B、C類(lèi)火災(zāi)及E類(lèi)電器火災(zāi)，充裝密度較大，儲(chǔ)存壓力較低，藥劑儲(chǔ)存位置較小，很適合機(jī)車(chē)空間小的特點(diǎn)。綜上所述，與其他滅火劑相比，七氟丙烷氣體在使用環(huán)境和環(huán)保上都有一定的優(yōu)勢(shì)，具備占用機(jī)車(chē)空間小、使用量小，受溫度