氣體傳感器在消防網絡中的應用研究

岳浩

【摘要】文章首先闡釋了氣體傳感器在消防網絡中的設計方式，并對網絡層次的劃分進行論述。其次重點介紹傳感器的模塊組成與功能實現原理，以框圖的形式進行解釋。最后檢驗介紹系統軟件的設計方法，可做出消防網絡建設工作的參考依據，為建筑物使用階段提供安全保障。

【關鍵詞】氣體傳感器；消防網絡；傳感技術

一、系統設計方案

根據圖1可知，消防網絡由三部分組成，首先是總控制機房，對管轄區域內的消防設施以及隱患情況進行檢測，一旦發現隱情會向網絡中的設備發出滅火指令?？偪貦C房后線路會進入到各商場或居民建筑的中層主機中。最后便是傳感器設備，當火災險情發生后，傳感器最先感受到煙霧信息，并將這一情況反饋中層主機。是以信號的形式進行傳播的，傳感器中包含編碼模塊，將感應到的信息以電磁變化傳入編碼器中，編寫后的信號會快速傳播到總控制中心。對方案進行設計時會將總網絡劃分為A、B、C三個層次，C是最先接觸到煙霧氣體的，但并不具備管理功能，A與B對險情進行控制，并發出管理指令。C層為氣體傳感器，有若干個傳感器掛在同一根數據總線上，每個傳感器有1個編碼，當有危險信號時，傳感器會立即通知B層管理監控主機，主站人員能在幾秒鐘內完成防護措施。同樣A層消防單位主機也得到報警，隨時做出相應的消防準備。A層的主要工作是對B層網絡的集中管理，并提供有關消防的數據。

二、傳感器電路組成與工作原理

圖2是對氣體傳感器功能的概述。分析組成模塊，可以發現傳感器工作需要電源，基礎部分由氣體敏感元件組成，感知到煙霧氣體后會流經電流會發生變化，傳感器中的編碼模塊捕捉這一現象后將有用功放大，并轉化成控制系統可以接受的信號形式。在單片機中事先設定好傳感功能的程序，信號進入后可自動分析運算，并快速實現轉換，為救援工作爭取更多時間。單片機模塊會與存儲器相連接，以保障信息安全。最后是通訊模塊，將捕捉到的煙霧信息以電磁信號的形式傳輸到控制中心，傳感任務可在短時間內進行，全過程由自動化系統控制，并不需要人員參與。當確定有火災隱患存在時系統會發出報警信號，方便消防人員對火勢進行控制。電源向各功能模塊供電，并向傳感器前置電路和A/D轉換器提供基準電壓源。氣體敏感元件將監測到的氣體濃度信號傳送給前置電路進行調整放大，放大后的信號由A/D轉換器轉換為數字量，由MCU單片機計算、判斷、處理，其結果由通訊模塊送到串行數據總線上。存儲器除用來存儲程序外，還存儲傳感器的地址信息。傳感器中的氣體敏感元件需要穩壓電源提供216V/80mA的電流，這是由運放LM358的一部分驅動三極管9013提供的。另一個運放LM358用在后面的電壓放大中，穩壓電源的參考電壓由LM285基準穩壓二極管提供，調整P1可以得到所需電壓，氣體敏感元件的輸出電壓通過運放LM358放大調整，送到TLC1549的10位串行數據輸出A/D轉換器，它的工作電流<1mA。X2045監控串行E2PROM，除了內含512@8位的EPROM外，還包含一個可編程的WATCHDOG和電源電壓監視器，用來監視微控制器AT89C2051的工作狀態。AT89C2051內部含有2K的FLASHROM作為程序存儲器，在6MHz時鐘頻率下，其工作電流<10mA。通信電路是RS485，它的靜態工作電流<20mA，LM285提供穩定度極高的215V基準電壓，同時提供給LM358預穩壓值，以使LM358和TLC1549A/D轉換器作為電壓基準。

三、系統軟件設計

氣體傳感器是由程序控制來實現功能的，軟件設計自然成為消防網絡構建中的重點內容?？晒┏绦蚓帉懺O計的模塊由單片機組成，但感知延誤氣體的存在并不是傳感器的全部功能，還能夠將設備運行過程中的參數變化記錄在其中，一旦出現異常系統會迅速捕捉到，并顯示在液晶屏幕中。技術人員在對系統運行穩定性檢驗時，會察覺到這一異常，對設備零件進行維修或者更換。該裝置無任何可調元件，全部裝在體積很小的殼體內。RS485是傳感器與外部進行數據交換的惟一途徑，通過RS485氣體傳感器可以完成3種功能：1）測量上、下限校驗；2）網絡地址設定；3）測量數據傳送。根據以上要求，可定義用于傳感器的通信協議，其組成結構如下：

對建筑物消防安全進行檢查時，數據會沿著控制流程的反方向傳輸至總控中心，到達任何一部分系統時，控制功能會展現出來，第一時間對火情做出控制，減少火災帶來的經濟損失以及人員傷亡。在整個監測系統中，傳感器始終處于從處理器的位置，其通信協議中開始位表示每一幀數據的開始，傳感器的工作方式由它定義。通信協議第3位是測量數據的單位，它表示環境中被測氣體濃度。0X00表示主機請求測量數據，0XFF表示傳感器發送數據，0XC5表示設定地址，0XA3表示下限設定，0X3A表示上限設定。通信協議位分別表示傳感器的地址、測量或校準、校驗的結束位，其中用校驗的一幀數據前5位的累計和來判斷通訊數據是否正確，檢測結果任何時候都是0XFF。當需要對傳感器進行設定時，在標準氣體環境配合下，用上位機運行專用設定校驗程序，當傳感器接到上位機請求測量命令后，向上位機發出一幀包含傳感器地址、測量數據單位校驗和結束位的信息。傳感器數據交互過程軟件流程如圖3所示。為方便傳感器和不同類型的上位機連接，AT89C2051串行口無奇偶校驗位的串行通訊波特率設置為2400bit。

四、測試結果

傳感器的氣體敏感元件采用（QM）N5半導體元件，測試電路如圖4所示。氣體敏感元件需由穩壓電源提供1個5V/80mA的電流，在正?？諝猸h境下，A，B兩極間導電率很低，阻抗值為兆歐級，B點輸出電壓接近0。在測試環境中，一旦氣體體積分數達到一定程度，氣體敏感元件A，B兩極間電阻會迅速下降到數百歐。根據氣敏元件以上特點，把（QM）N5半導體氣敏元件分別放在不同體積分數的氣體中（氣體體積分數誤差值忽略不計），氣敏元件處于正常工作狀態，可以得到氣體體積分數與氣敏元件電阻變化的對應關系，即氣體敏感元件對氣體靈敏度特性，如圖5所示。

從圖5可以看出，正?？諝庵袣饷粼姌O間處于高阻狀態，當氣體敏感元件工作于達一定體積分數的有害氣體中時，氣體敏感元件電極間阻值迅速下降，穩定在100～80歐左右，輸出電壓為500mV。氣體傳感器的氣體敏感元件電極間輸出電壓通過運放LM358放大調整，送到TLC1549的10位串行數據輸出A/D轉換器。當傳感器接到上位機請求測試命令后，向上位機發出一幀包含傳感器地址、測量數據、單位校驗和結束位的信息。

小結：通過文章對消防網絡中傳感器技術的解釋，我們可以明確在氣體傳感器消防網絡系統中，上位機運行專用的校驗程序，主機節拍式發出測試命令，氣體傳感器運行于環境空氣中。當空氣中的有害氣體體積分數達到一定程度時，傳感器能及時監測，并對監測到的數據進行處理，使網絡A，B層能及時收到相關信息，發出報警信號，預防火災發生。如換用瓦斯敏感元件，可運行于煤礦中，進行井下瓦斯的監測與報警，有很好的推廣價值。

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