基于单片机技术的火灾自动报警器设计研究

何莉

（江苏省新沂中等专业学校，江苏徐州，221400）

1 智能建筑火灾报警器硬件系统设计

1.1 控制设备的基本组成

控制设备是火灾报警主要硬件组成部分，其主要功能是将所有探测设备所反馈的数据收集起来，对火灾隐患以及火灾存在的可能性进行判断，对火灾隐患级别进行评估，同时发出相应指令予以联动防控。因此，控制设备在火灾发生时可进行逻辑判断，完成探测数据的收集、针对警报指令进行反馈和输出，是火灾报警系统信息处理的核心。该系统的控制设备硬件主要包括CPU、电源、输入/输出、通信等模块，实现了信息数据的高效收集、处理与传输。

CPU构件。其功能是针对报警装置、探测设备等所探测监控的数据进行集中处理和逻辑运算，并对火灾报警生成的可能性进行研判，评估火灾的风险级别，针对外围的联动装置进行调用，比如消防报警广播、电话、应急灯等。现如今我国用于规模较小的单栋楼房火灾报警系统中的处理设备多为51型单片机，来收集、处理、存储、传输数据。

电源构件。由于火灾报警设备主要在电压为220V交流电的环境中应用，该系统中，为了实现报警控制设备的电力供应，需要将电流的电压转变为5V。同时通过UPS技术，满足报警系统在特殊环境下仍然能够继续工作的需求，整个报警系统的可靠性得到提高，电力正常供应过程中，可进行电量储存以备电源损毁、停电等紧急情况下使用。

输入构件。该系统中，报警按钮以及火灾探测设备是输入构件的主要组成部分，其主要功能是针对空气的温度、烟雾的浓度以及空气中所含可燃气体的多少等数据进行收集、量化，并在探测设备的IP地址上进行绑定，然后通过无线设备将这些数据向CPU传输。

输出构件。该系统中，由联动、报警设备生成的指令数据经CPU处理变为电信号后，经传输构件将其向外围的联动设备传输，继而实现对应急通道、应急广播、应急灯的控制以及完成声光报警等。

通讯构件。数据信息在CPU、输入/输出系统内进行传输，通信方式应当可靠稳定。但是高层建筑的环境比较复杂，会对无线以及有线通信的稳定性造成一定的干扰，因此该系统中，所采用的通信方式为CDMA/GSM。

1.2 探测设备的硬件构成

在进行高层建筑火灾报警的系统设计时，应当充分考虑建筑结构以及安装成本等因素，其输入构件主要由感温探测、火焰探测等设备。其中火焰探测设备的外端设置有保护镜，在火焰感光构件的检测下将火焰信号变为电信号，通过放大滤波将其传输给负责数据采集和判断的电路进行判断，然后将所得数据向控制设备传输。

2 火灾报警系统的软件设计

2.1 火灾报警系统软件设计需求

高层建筑的消防系统作为对整个系统火灾安全的保障，如果能实时监控及时发现并进行处理，将火灾消灭在早期的萌芽阶段，并能及早控制火势的蔓延发展，就可以将损失控制到最小。其监控必须达到以下要求：

（1）整个监控软件系统应具有开放性、结构化的标准，同时体现先进技术、具备完善功能、稳定运行模式、开放系统、可以进行方便扩展、便于升级和二次开发、无用户数限制和监控点数限制等要求。（2）具有交叉寻址的软件包，可在很短的时间内进行各种逻辑运算和寻址编程，能很快接受探测器的监测数据，并及时反映出控制中心对现场的判断结果，准确发送报警信号，报到火灾来源地方。（3）系统的安装调试、软件编程和操作使用应简便易行，容易掌握。（4）反应迅速，能在尽量短的时间内做出反应，无延时。（5）接到后再报警消息后优先执行喷淋、排烟、应急照明模式，并监控对应部位的逃生指示系统。（6）要有很强的抗干扰能力，高的灵敏度。（7）系统的技术性能、功能和质量达到较高的水平。（8）提供重要消防负荷的运行情况记录，以便对重要设备进行维护和保养。（9）保留适当地扩展余量，以备今后监控点数及区域的增加。

2.2 火灾报警系统软件设计基本思路

消防监控系统软件部分由程序部分和数据存储部分组成。其中程序部分采用VisualStudio2005中的VisualC++语言，数据存储部分采用MySQL数据库。VisualStudio2005是MicroSoft公司推出的一款企业级软件开发集成平台。其包括VisualC++、VisualBasic、VisualC#、VisualJ#四种编程语言。由于C++语言开发出的软件具有较好的实时性，故软件程序部分采用VisualC++开发。MySQL是一个关系型数据库管理系统，采用C/C++编写，是开源软件，有较好的可移植性。同时该数据库支持多线程功能，适用于多CPU系统。该数据库还提供了TCP/IP、ODBC和JDBC等多种数据库连接途径。具体监控软件程序运行流程图如图1所示。

图1 火灾监测程序流程图

软件开发过程则主要包括前端显示界面开发、后端数据逻辑处理程序开发、数据库设计三个方面。

其中，软件的前端现实界面可以细分为用户登录界面、监控主界面、消防设备参数设置界面、监控区域图像信息展示界面。

用户登录界面用于实现系统用户的登录、登出、注册等操作。

监控主界面则用于实现用户对火灾报警系统的一系列日常管理活动。如直观调取各楼层监控录像，查看各楼层设备运作状态。显示当前整栋楼的火灾隐患探测结果，并调用具体楼层的具体探测器探测数据。实时显示并调整火灾报警系统的系统时间与实际时间匹配。

消防设备参数设置界面则主要用于联动消防设备的运作状态调整，控制消防照明、广播、水泵、喷淋装置以及排风机、消防电梯的运行逻辑。或者用于手动开启部分设备的消防功能。

监控区域图像信息展示界面则主要用户多个屏幕同步显示各楼层具体监控录像信息。

建筑消防控制中心工作人员可以借助用户登录界面，完成注册，然后输入个人用户名、密码进入监控主界面。在监控主界面，可以跳转用户管理（密码修改、权限管理）、图像操作、数据显示处理、设备参数设置、窗口排列模式设置、帮助系统、监控视频、当前监控区域详细状态等显示界面。

建筑消防控制中心工作人员可以借助用户登录界面，完成注册，然后输入个人用户名、密码进入监控主界面。在监控主界面，可以跳转用户管理（密码修改、权限管理）、图像操作、数据显示处理、设备参数设置、窗口排列模式设置、帮助系统、监控视频、当前监控区域详细状态等显示界面。

具体可以借助监控主界面实现的用户操作功能如下：

（1）监控图像的放大缩小、旋转、截图、录像文件另存为等功能。

（2）能够保存数据处理历史记录，保存原有数据，数据处理操作能够撤回或数据修改结果另存为。

（3）系统联动设备参数设置界面要实现保存设置，还原默认设置等操作功能。

（4）窗口排列设置则可以改变层叠式窗口或平铺是窗口两种类型。

（5）帮助功能则提供对软件操作功能的解释说明。

（6）监控视频及详细状态，则分为四个分屏，用户可以查看各个分屏的详细监控状态，也可以同时动态浏览四个监控设备的视频状态。

后端逻辑运算程序的开发主要通过编写运算代码，调用数据库数据，对数据库数据进行增删改查常规操作，然后实现前端界面上的用户操作功能。如用户登录界面就是比对检索数据库用户数据表中是否有对应的输入用户名和密码，用户名和密码是否匹配，然后向前端界面返回逻辑判断结果。

数据库的建库主要依托于MySQL数据库自带的操作指令，设计各个火灾探测器的具体数据表单，并设置对应每个探测器的IP地址，作为数据表达主键数据，用于识别、存储、调用各个探测器的运行数据，同时在每个探测器表单中同步赋予一个时间属性，在调用表单数据时，都附带当时的时间属性，以区分不同时间探测器的数据变化，确保探测器数据存储和调用操作的时效性。消防中心监控人员也可以通过输入时间筛选条件，查询一定时间段内，各个IP地址探测设备的详细历史数据。

3 建筑火灾报警器与消防系统的联动布置

3.1 报警器探测传感装置的选择与布置

火灾探测器主要选用感烟探测器和感温探测器两类。为了确保探测结果的准确性应该严格按照相关规定选择探测器型号和布局方式。

一方面，在探测器型号的选择上，也尽可能的选择与CPU通讯接口相匹配的型号，同时也要确保探测器探测精确率符合实际需求，满足国家标准。这里可以依据《火灾自动报警系统设计规范》以及《火灾自动报警系统施工、验收规范》等国家相关规定文件中对于探测器型号和性能的相关要求进行选择。探测器的供应商也应该选择一些有经营资质，产品质量达标，产品质检标准严格的大品牌厂家。另一方面，要根据火灾探测区域的具体环境特点，确定各区域、楼层、房间需要配置的探测器类型。这里可以综合考虑分析的建筑功用以及房间楼层环境的常见火灾诱因及扑救难度，综合考虑探测器的投放密度和投放类型。

3.2 应急照明装置的联动

火灾应急照明装置不仅能在重大火灾中帮助人群找到疏散方向，同时也能稳定人们面对突然困境时的情绪。因此有必要在走道、步行楼梯出入口、紧急通道、紧急出口等关键位置布置明显的火灾应急照明装置，并配备明显的火灾紧急疏散方向指示灯。同时考虑到火灾很有可能造成电气线路的损害，因此火灾应急照明装置的供电不应该依赖于大楼原有电网，而应该设计配备专门的备用电源，当大楼原有电网停止供电以后，能够自动激活备用电源，强制点亮大楼中的应急照明装置。

3.3 火灾应急广播

（1）项目公共广播可以在平时完成一些音乐、引导播报、演习通知播报的工作任务。

（2）消防应急广播的扬声器线路应该与医院的日常通报广播线路区分开，以英国配置USP应急备用电源。同时也可以配备有线电路，在电线上采用A类阻燃材料敷设，确保消防应急广播系统在火灾状况下也能稳定供电。

（3）火灾发生时，应急广播应该自动将扬声器音量调到最大，充分发挥应急广播的播报清晰度和声音穿透力。确保在环境嘈杂的火灾现场，也能准确清晰的播报火灾疏散通知。

（4）公共广播的扬声器设置在公共走道，地下车库，大空间的会议室等场所。扬声器在有吊顶处嵌入安装，在无吊顶的地方吸顶安装.如变配电室，车库等。

3.4 其他联动设备联动配置

其他需要联动控制的设备还很多，本小节就只介绍防火卷帘门和防排烟设备的联动控制。当有火灾信号传入火灾自动报警控制器时，一级卷帘门控制信号根据所得的火灾信号将卷帘门下降至1.8m（距离地面），当确认火灾发生时，二级卷帘门控制信号将再次控制卷帘门下降至地面。完成防火分区的隔离，从而使人员紧急疏散，隔烟、隔水、隔火、控制其进一步蔓延。卷帘门在本项目中的工作状态是：正常状况下，卷帘门处于收卷（开启）状态，火灾时根据以上两种状况采取2级控制使其关闭，关闭后人员仍可通行。并且它有两种工作方式：1平时不通电开启，火灾时通电关闭；2平时不通电开启，火灾时通电关闭。本医院综合采取的工作方式为第一种。

送风机、排烟机和正压风机的联动控制，由于这些风机一般由三相异步电机作为驱动。在本医院综合楼工程中，在地下车库、风机房、屋面设备间等处共设有7台排烟风机和正压风机，供平时的送风及火灾时排烟。送风机、排烟机的控制方式分模块和中心控制两种，本项目采取中心电气控制。