基于离子型烟雾传感器的火灾报警系统探测节点设计
摘要：文章设计了一种基于离子型烟雾传感器的火灾报警系统探测节点，其主要包括烟雾探测模块、信号处理模块、主控模块、信息发射接收模块和蜂鸣报警模块 5 个部分，通过比较各种烟雾传感器后，采用了 NIC-09C 离子型烟雾传感器作为烟雾探测模块，并对其响应曲线进行仿真。设计了信号处理模块的物理实现。设计了主控模块软件控制流程。通过 Pspice 软件对节点进行了仿真，验证了节点的性能，为建立低成本火灾报警系统提供有效的参考。
关键词：火灾预警；烟雾传感器；Pspice 仿真中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0057-02.
0 引言
火灾报警系统是利用各种不同传感器，探测火灾发生早期阶段的各种环境参数变化，实现提前预警、提前处理，以保证人民群众生命财产安全的智能安保系统。火灾过程中，产生的环境参数变化主要包括烟雾、温度、可见光和红外线等[1]。
但这些现代传感器系统的每个节点中均集成了大量的传感器，而在复杂楼宇环境中，节点中的某些传感器无法起作用，反而会带来较大的干扰；如本文所考虑的楼宇管网系统中，由于管道自身运载物质的不同，会有不同的温度效应，对温度探测器带来了较大的干扰，而由于视野受限，基于红外及可见光的度探测器也无法起作用。因此，本文设计了一种不同传感器分离的火灾报警系统如图 1 所示，以降低报警系统成本，提高其可靠性。楼宇管网系统与矿井系统有相似之处，因此，本文采 用矿井中常用的烟雾探测器 [1] 作为在管网系统中使用的报警节点。
1 烟雾传感器的选择
现代烟雾传感器主要包括离子型烟雾传感器和光电型烟雾传感器两大类，其中光电型烟雾传感器又可分为被动式和主动式两大类，被动式光电烟雾传感器利用烟雾导致的环境光强弱及光谱变化探测环境中的烟雾浓度变化，其主要应用于森林防火等室外防火领域，对于本文所述管道内部烟雾探测难以适用。主动式光电烟雾传感器利用激光器发出激光信号，探测其回波强度在烟雾散射和吸收下的变化，实现烟雾浓度探测。在狭小环境中，激光回波功率过大，难以有效探测到的功率下降。离子型烟雾传感器利用烟雾颗粒进入探测器采样空间后中和探测器中电离离子，导致探测器中离子电流变 化实现烟雾探测功能，其主要特点为受环境中气溶胶等颗粒物干扰较大，而对光线、温度等干扰不敏感，适用于管道内部环境。因此，选用 NIC-09C 型离子烟雾传感器作为所用烟雾探测节点传感器模块。仿真结果表明，传感器输出电压与空气中离子浓度程近似线性关系；并且，随着供电电压的上升，传感器输出电压线性上升，输出曲线并不随供电电压的变化而变化。
2 烟雾探测节点设计
基于以上分析设计烟雾探测节点如图 1 所示。
由于所输入的信号为低频缓变信号，且由于烟雾粒子为通过布朗运动进入烟雾探测模块探测空间内，探测器内会产生持续的高频小信号干扰，因此需要设计一个能够滤除高频信号并对所输入的低频信号进行放大的信号处理模块。
图 1 烟雾探测节点框图
信号从 Signal_In 端输入，经过电容 C2 滤去直流分量后输入由 R2、C3 和 C4 组成的 型低通滤波器中，滤去高频分量后将信号输入 TLC2252 运算放大器中，将信号放大以输出给主控模块分析；整个信号处理模块可以认为是一有源带通滤波网络。
主控模块分析信号处理模块所输入的探测信号，若所输入信号幅值 V 小于警报阈值 V0，则启动信号积分模块，若∫0 t0Vdt≤E （1）其中t0 为根据使用场景所设定的时间积分时间长度、E为所设定的积分阈值，二者与 V0 均可通过烟雾探测节点开机时与路由节点握手更新。
若不满足（1）式，则认为所检测到的信号为干扰信号，否则通过信息发射接收模块发出报警信息，同时开启蜂鸣示警模块。
3 基于 Pspice 的硬件仿真
本文运用 Pspice 对所设计电路进行仿真。Pspice 是一个在计算机上实现的模拟与数字通用仿真程序，利用 Pspice 电路描述预言，可以将电路结构和元件参数输入计算机，即可利用该软件对电路进行频域及时域分析[9]。
利用 Orcad-Pspice 原理图仿真软件对所示信号处理电路进行仿真，其结果如图 2 和图 3 所示。
图 2 仿真了图中信号输出端频域响应曲线，从图中可以看出，所设计信号处理模块通带在 50Hz~6KHz 之间，且在12KHz时信号已经衰减到 0，显示出其具有较强的滤波能力。
图 3 (a) 中显示了受到高频干扰的正弦信号通过该模块后的输出信号；图 3(b)中模拟了在火灾发生开始阶段中，随着离子浓度的增加，传感器输出电压开始下降，但受到布朗运动的强烈干扰，如直接把此信号输入给主控模块，则主控模块无法识别出电压变化，导致节点工作失效；在滤波后，离子浓度先增加，后随着空气流动飘散的整个过程，且信号能够被 主控模块识别。因此，图 3 表明了所采用的信号处理模块能够有效地从强干扰信号中提取出所需要的烟雾粒子浓度变化信号。
图 2 信号处理模块频率响应曲线
图 3 探测节点信号仿真曲线图
4 结语
本文通过分析和对比不同类型烟雾传感器的性能与适用范围，设计了一种采用离子型烟雾传感器的火灾报警系统探测节点；并利用计算机软件对烟雾探测节点的传感器响应曲线及信号处理模块的时域及频域响应进行了分析。分析结果表明，所设计探测节点能够满足楼宇管网环境中火灾预警需求。在下一步的研究中，将考虑可选探测模块的智能预警节点设计，进一步加强火灾预警系统的泛用性和经济性。
参考文献：
[1] 刘毅. 使用 MQ—N 型半导体气敏器件的烟雾报警器[J]家用电器科技,1990(1): 33-34.
[2] 尉志武. 基于 ZigBee 的家庭火灾报警系统的设计[D]. 太原理工大学, 2012.
