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基于单片机的火灾报警系统的设计 文献综述
火灾报警系统的检测技术
摘要：火灾报警器是当前社会经济生产生活中较为常用的火灾预警装置，对国民经济及人员生命财产安全起到了重要的保障作用。随着现代科学技术快速发展，智能控制芯片的应用使得火灾报警器反应灵敏度大幅提升，对早期火情发现与控制起到了重要的推动作用。火灾的及时报警能够减少人员的伤亡和财物的损失，在现在社会变得尤为重要。火灾报警系统发展过程中的主要关键技术有：感烟探测技术、感温探测技术、火焰探测技术和气体探测技术等。
关键词：火灾报警系统；感烟探测技术；感温探测技术
1前言
随着信息化的发展与信息技术因公范围的不断扩大，结合火灾预防与预警的电子系统也在不断的展开深入研究，更向着自动化与智能化的趋势所发展，对家庭式的智能火灾报警系统的主要以传感器、显示模块、报警模块及软件系统组成，硬件的选取和软件的完成也就成为了我们研究的主要内容。火灾报警系统要求能够在火灾初期，对燃烧产生的烟雾热量和光辐射等物理量进行检测，通过光电、烟雾和温度等传感器变换成电信号，传输给火灾报警控制系统，根据实际情况对发生的火灾及时报警。因此，设计并实现性价比高的火灾报警系统有着非常大的应用前景。
2火灾报警系统的发展历程及其现状
2.1火灾报警系统的发展历程
从远古时期,人类从雷火中取得火种到现代高新技术的大力运用，火在人类发展史中占据着无比重要的地位。火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，引起这些灾害的原因却是多样的。起火原因揭示火灾是怎么发生的，火灾成因解决火灾是如何发展蔓延成灾这个问题的。火灾必须是发生在燃烧的情况下的，而燃烧有三要素可燃物、助燃物、温度。对不同的火灾可以有不同的灭火方法，但总体来说，灭火的主要措施就是：控制可燃物 、减少氧气、降低温度，化学抑制。近年来，火灾发生率及死亡人数呈现出显著上升态势，据我国国家安全部门统计，2013年，由火灾直接导致人员伤亡的人数高达266人，同比增长3.2%，对社会公共秩序及人员生命财产安全造成了严重威胁。在此背景下，火灾报警系统也就发挥重要作用了。
火灾报警系统是由触发装置、火灾报警装置、火灾警报装置以及具有其它辅助功能装置组成的，它具有能在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量、火焰等物理量，通过火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时显示出火灾发生的部位、时间等，使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少因火灾造成的生命和财产的损失。
目前，随着集成制造技术的发展，单片机[1]的功能越来越强大，功耗低，体积小，价格低使得其得到了广泛地应用。现代社会的建筑规模越来越大、人员密集度高和众多的设备都对防火提出了严格的要求。为了及时发现并迅速火灾报警，防止和减少火灾危害，火灾报警系统已成为必不可少的设施。
2.2 现有火灾报警系统面临的挑战
目前，传统意义上的火灾报警系统已经不能适应现代建筑，急需一种能够及时、迅速检测火灾的新型装置[2]。随着科技的不断发展，人们将电子技术、通信技术、计算机技术、传感器及检测技术、自动控制技术等各方面技术应用到火灾报警系统中，研制了各种智能火灾报警系统。但是，国内的智能火灾报警系统存在一些问题[3]。总体来看，火灾报警系统在当前及未来发展中主要面临以下6个方面的挑战。
（1）适用范围过小。我国火灾报警系统在易造成群死群伤的中小型公众聚集场所和社区居民家庭甚至部分高层住宅都没有规定安装火灾报警系统，适用范围过小。
（2）智能化程度低。我国使用的火灾探测器虽然都进行了智能化设计，但由于传感器件探测的参数较少、支持系统的软件开发不成熟、各种算法的准确性缺乏足够验证等，火灾报警系统造成的迟报、误报、漏报情况较多。
（3）网络化程度低。我国应用的火灾报警系统形式基本上以区域火灾报警系统、集中火灾报警系统和控制中心火灾报警系统为主，安装形式主要是集散控制方式，自成体系，自我封闭，尚未形成区域性网络化火灾报警系统。
（4）组件连接方式有待改善。火灾报警系统以多线制和总线制连接方式为主，探测器和报警器及控制器之间是采用两条或多条的铜芯绝缘导线或铜芯电缆穿管相接，存在耗材多、成本高、抗干扰能力差的缺点。
（5）火灾报警系统误报、漏报问题较多。由于火灾探测器的安装环境极其复杂，加之各种传感器在探测火灾方面存在着某些先天不足，对火灾发生过程中所产生的不同粒径和颜色的烟存在探测“盲区”，误报、漏报现象时有发生。
2.3.火灾报警系统今后的发展方向
火灾报警系统应用技术应进一步着眼于当前国际发展的新形势，加快更新改造进程，加强对数字技术和新工艺、新材料的应用，使火灾报警系统应用技术向着高可靠、低误报、智能化方向发展[4]。当前，火灾报警系统的发展趋势主要表现为六个方面。
（1）网络化。火灾报警系统网络化是用计算机技术将控制器之间、探测器之间、系统内部、各个系统之间以及城市“ll9”报警中心等进行相互连接，实现远程数据调用，对火灾报警系统实行网络监控管理，从而弥补部分火灾报警系统擅自停用的不足。
（2）智能化。火灾自动报警系统智能化是使探测系统能模仿人的思维，主动采集环境温度、湿度、灰尘、光波等数据模拟量并充分采用模糊逻辑和人工神经网络技术等进行计算处理从而准确地预报和探测火灾，避免误报和漏报现象。
（3）小型化。火灾报警系统的小型化是指探测部分或者说网络中的“子系统”小型化。如果火灾报警系统实现小型化，依靠网络中的设备、服务资源进行判断、控制、报警，这样火灾自动报警系统安装、使用、管理就变得简洁、省钱、方便。
（4）社区化。随着我国经济的不断发展、人们安全意识的增强、火灾报警系统的进一步完善以及智能化程度的提高，在社区家庭特别是高级住宅积极推广应用防盗、防火联动报警装置或独立式感烟探测器，对干预防居民家庭火灾是非常必要和行之有效的措施。
（5）蓝牙技术无线化。与有线火灾报警系统相比，蓝牙技术[5]无线火灾报警系统具有施工简单、安装容易、组网方便、调试省时省力等特点，而且对建筑结构损坏小，便于与原有系统集成且容易扩展，系统设计简单且可完全寻址，便于网络化设计。
（6）高灵敏化 。针对当前火灾报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁，智能化程度低网络化程度低、特殊恶劣环境的火灾探测报警抗干扰等问题较为突出的现象，通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究，对系统方案、设备选型的优化组合，向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展，从而更好保护国家和人民的生命财产安全，这是火灾报警技术的研究发展趋势。
3火灾报警系统发展过程中的检测技术
火灾报警系统按基本形式可分为区域报警系统、集中报警系统、控制中心报警系统。从发展来看,系统可分为传统火灾报警系统与现代火灾报警系统,现代火灾报警系统又可分为可寻址开关量报替系统、模拟量探测报警系统以及多功能火灾智能报警系统。火灾报警系统技术的核心是火灾信号探测技术。以下是火灾报警系统的几种探测技术。
3.1感烟探测技术
感烟探测器[6]是使用最广泛的一种探测器，据统计各种感烟探测器在国外市场上的销售和使用量约占火灾探测器总量的70%～ 80%。其中主要是单一火灾探测原理的点型离子感烟和光电感烟探测器,且光电感烟探测器的用量越来越大于离子感烟探测器。有数字说,在日本离子感烟探测器只占市场份额的 3%弱, 光电感烟则占97%以上,成为主导产品,这主要是出于环保的原因,离子感烟的原料镅-241 等,属于放射性元素。因此在国际市场上离子感烟探测器正在逐步缩小份额,预计会退出市场, 而由光电及其它新型探测器的出现来取代。
3.2感温探测技术
近些年, 感温技术在探测原理、方式上没有大的突破,出现的新技术是线型感温探测技术,欧洲已经出现了对可选择的探测热源精度在1米之内的新一代感温电缆。线型感温探测器[7]在我国已能生产并投入应用,主要适宜于电缆管井、配电装置、货架仓库、管道线栈、冷藏及市政设施、桥梁、港口等。光纤温度探测系统也已进入我国市场,并在扬子、长江三峡等大型项目中得到应用,但尚无自己的产品。
3.3火焰探测技术
火焰自动探测技术主要是用于工业、国防等领域的防火、防爆上。国外新出现的体型火焰探测技术,是该领域的一大突破。它是采用红外摄像监视燃烧的烟、温、气体和火焰在空间的分布。美国将其称为机械图像探测技术。它优越于点型和线型火灾探测技术,是最为直观、确切的,可广泛用于火焰监视、火灾探测上,必将成为今后发展的重点。
3.4气体探测技术
对于物质燃烧初期产生的烟、气体或易燃易爆场所泄漏的可燃气体的探测，可使我们及时发现或预防火灾和爆炸的发生。国际上以CO 探测技术发展最快。理论上认为,火灾中的燃烧,不论是多么充分的燃烧,都会产生CO ,因此,CO 探测也是火灾探测的一个途径[8]。
目前常用的CO 探测方法有四种:比色分析法、半导体法、电化学法和吸光法。国外由于家庭市场的发展比较快,因此以家用为主的电池电源的比色分析法CO探测器和采用干线电源的半导体CO 探测器销量很大,占主导。目前此类产品需解决的主要问题是降低成本、延长寿命,以促进其普及。
4火灾报警检测技术的发展方向
4.1感烟探测技术的发展方向
感烟探测的物质燃烧种类宽广，如电线、电缆、橡胶、家具等大量燃烧初期产生可见或不可见大粒子烟的可燃物，特别适用于探测燃烧缓慢和阴燃火。由于现代社会中的编织品、家具和建筑产品等使用受火烧时会产生大粒子黑烟的阻燃材料的增多，它的适用范围也在不断扩大。
其次，它具有误报率低、灵敏度稳定性好的突出优点，即它受现今建筑中出现的一系列范围宽广的物理和气候变化的影响和干扰小，特别适用于救生疏散路线。
4.2感温探测技术的发展方向
线式感温探测技术的发展进一步开拓了温度监控与火灾探测技术的应用领域，也为人身和社会财产安全增加了一道强有力的防线。
随着社会与科学技术的发展，线式感温探测技术也在朝着有利于人类的方向发展。随着微处理器、集成电路技术和信息技术的发展和完善，线式感温探测技术中慢慢开始引入物联网技术，报警系统也变得更加智能化。
探测器由传统的开关量式变为模拟量式，体积更加小巧轻便，信号处理方式也日趋智能化，系统控制可以采用自动控制方式，未来也将实现信号接受和发送无线化。可靠性是火灾报警系统的一个重要特征之一，随着信号处理技术的提升，系统算法也变得更加复杂，多参量多判据也能够很好的保证传感器报警的可靠性，同时，引入复合探测技术也会提高感温探测的效率。
4.3气体探测技术的发展方向
气体探测报警技术是红外吸收光谱分析技术在可燃气体探测领域的具体应用，红外吸收光谱分析技术的发展将为气体探测报警技术提供更好的设计思路及更大的发展空间。随着计算机技术及红外技术的飞速发展，近年来近红外光谱分析技术在工业领域已被广泛应用。气体近红外区吸收图谱的分析应用，将解决气体探测器3 ~ 5 μm 波段探测过程中，红外发光器件的选择及光路传输等技术难题，为提高探测器的探测性能提供必要的改进条件。
气体探测器的探测模式、探测效率及工程适用性方面具有十分明显的优势，但由于产品的构成形式及器件选择等方面的因素，目前气体探测器产品的售价均在几万元甚至十几万元之间。高昂的价格成为该类产品扩大市场份额的瓶颈，虽然用户认可线型可燃气体探测器产品的探测性能，但往往由于价格因素望而却步。因此，降低产品的生产成本将是线型可燃气体探测器产品发展的必然趋势。
5总结
火灾报警系统以其方便，实用的特点以及在火灾预警方面的突出作用而受到广泛使用，其涉及的探测技术也在进一步的完善、发展和改进当中，对人类生活的人身和财产安全有很大的保障。但目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警控制方式，其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、机房、办公室等小型防火单位，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的火灾报警系统装置是非常必要的。
参考文献
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