CN102034329A - 一种基于多波段多特征的红外火灾探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多波段多特征的红外火灾探测方法。本方法采用的火灾探测***由火灾探测器依次连接信号处理电路、微处理器、计算机及报警显示器构成，其火灾探测步骤为：1)火灾探测器将探测到的温度和火焰光信号转变为电压信号；2)信号处理电路将该电压信号进行滤波及A/D转换；3)微处理器对A/D转换后的数字信号进行分析、特征提取、识别判断火灾是否发生；4)计算机实现对火灾信号及报警信号的显示、记录及保存功能。本探测方法对火灾信号的温度、温升、火焰辐射强度等多特征进行了综合分析处理，具有灵敏度高、保护面积大、抗干扰能力强、操作简单和功能全面的特点，为火灾探测的实际应用奠定了基础。

Description

一种基于多波段多特征的红外火灾探测方法

技术领域

本发明涉及一种基于多波段多特征的红外火灾探测方法。具体的说，提出了一种基于多波段多特征的红外火灾探测方法，能够对采集的火灾信号显示、记录、保存、在线报警和离线处理，并显示信号图形及生成历史数据。具有灵敏度高、保护面积大、抗干扰能力强、操作简单且功能全面等特点。

背景技术

火灾是可燃物和助燃物在一定条件下发生剧烈的化学反应，在初期和发展阶段伴随着产生燃烧气体、烟雾、温度、火焰和燃烧波等火灾参量，通过对这些火灾参量的测量、综合分析，可以判定被测区域有无火灾存在。火灾探测包含火灾信号检测和识别两方面，火灾信号的检测是前提和基础，而火灾信号的识别是核心，通过对火灾信号的特征提取、分析达到判断火灾的目的。

火灾探测技术广泛应用于民用、商用及工业领域，如宾馆、饭店、教学楼、发电厂、变压器间、地下隧道、大型仓库等。在上述应用场合，发生火灾时，大多会产生高温及高强度的红外辐射，因此本方法采用温度红外辐射复合探测。选取的温度探测器具有环境温度自动补偿功能，红外多波段探测器由火灾探测通道和背景监视通道组成，降低了日光等干扰源的干扰，提高了探测精度。据此，选取了火灾信号的三个典型特征，分别为：温度、温升速率和火焰辐射强度。通过对三个特征的综合分析判断，找出三者与火灾发生间的关系，最终到达识别火灾的目的。

本方法通过对火灾信号三个特征的综合分析处理，确定了较理想的火灾判断阈值，建立了判断火灾的条件并记录了满足火灾判断条件的次数，只有当次数满足一定的条件时，才触发报警信号，一定程度上减少了误报，提高了探测的精度。

发明内容

本发明的目的是对火灾信号进行多特征提取，通过对多特征的综合判断，提供一种实时准确的基于多波段多特征的红外火灾探测方法。

为了实现上述目的，本发明的构思是：

本发明前端采用红外多波段火焰探测器，由通道A和通道B联合组成。通道A的工作波段为4.3-4.8μm，通道B的工作波段为4.0μm。火焰辐射红外光谱范围内，辐射强度最大值位于波长4.1-4.7μm范围，同时在火灾探测过程中，火焰探测器受到背景辐射的干扰，干扰源主要来自太阳的天然辐射，在4.3μm上的阳光辐射绝大部分被空气中CO₂吸收。通道A工作在4.3-4.8μm波段，在此波段火焰辐射最强，同时受阳光等干扰影响小，因此通道A作为火焰探测的主要通道，用于探测碳氢化合物燃烧产生的火灾。而在4.0μm波长附近，火焰辐射信号较弱而干扰信号较强，采用通道B工作在4.0μm波段，作为监视通道。当发生火灾且外界干扰小时，通道A探测到的信号很强而通道B较弱，发出火灾报警信号；当无火灾且干扰信号较强时，通道B探测到的信号很强而通道A很弱，说明存在外部干扰辐射，此时不报警；当发生火灾且外界干扰大时，通道A探测到的信号很强且通道B也较强，通过对两通道火灾信号的综合分析判断是否发出火灾报警信号；火焰探测器采用多波段进行探测，既保证了探测的灵敏度，又能排除太阳光等干扰源的干扰，提高了探测精度。

    火灾发生时，伴随着产生燃烧气体、烟雾、温度、火焰和燃烧波等火灾参量，通过对这些火灾参量的测量、分析，可以判定被测区域有无火灾存在。选取了火灾信号的三个典型特征，分别为：温度、温升速率和火焰辐射强度。在特种火灾探测器国家标准条件，模拟火灾现场，对三个特征进行分析，最终确定了较理想的火灾判断阈值，建立了判断规则。本方法不同于简单阈值法之处在于：记录了满足火灾判断条件的次数，只有当次数满足一定的条件时，才触发报警信号，一定程度上减少了误报，提高了探测的精度。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

    一种基于多波段多特征的红外火灾探测方法，其特征在于：采用的火灾探测***由火灾探测器依次连接信号处理电路、微处理器、计算机及报警显示器构成，火灾探测的操作步骤为：1）火灾探测器将检测到的温度和火焰光信号转变为电压信号；2）该电压信号通过信号处理电路进行放大滤波及A/D转换；3）A/D转换得到的数字信号在微处理器进行分析，实现对火灾信号多特征提取及分析识别，最终判断火灾是否发生；4）计算机从微处理器获得数据信号，实现对火灾信号及报警信号的显示、记录及保存功能。

上述探测方法中所述步骤1）选用的火灾探测器包括红外温度探测器和红外多波段火焰探测器，探测的火灾信号包括温度信号和火焰辐射信号。红外温度探测器基于非接触式红外测温技术进行测量，探测范围-20-300℃。为了减少环境温度变动对输出信号的影响，通过集成的环境温度校准传感器实现环境温度补偿功能，提高了探测精度。

所述红外多波段火焰探测器由通道A和通道B联合组成，通道A的工作波段为4.3-4.8μm，通道B的工作波段为4.0μm；火焰辐射红外光谱范围内，辐射强度的最大值位于波长4.1-4.7μm范围，同时在火灾探测过程中，火焰探测器受到背景辐射的干扰，干扰源主要来自太阳的天然辐射，在4.3μm上的阳光辐射绝大部分被空气中CO₂吸收；通道A工作在4.3-4.8μm波段，在此波段火焰辐射最强，同时受阳光等干扰影响小，因此通道A作为火焰探测的主要通道，用于探测碳氢化合物燃烧产生的火灾；而在4.0μm波长附近，火焰辐射信号较弱而干扰信号较强，采用通道B工作在4.0μm波段，作为监视通道；当发生火灾且外界干扰小时，通道A探测到的信号很强而通道B较弱，发出火灾报警信号；当无火灾且干扰信号较强时，通道B探测到的信号很强而通道A很弱，说明存在外部干扰辐射，此时不报警；当发生火灾且外界干扰大时，通道A探测到的信号很强且通道B也较强，通过对两通道火灾信号的综合分析判断发出火灾报警信号；火焰探测器采用多波段进行探测，既保证了探测的灵敏度，又能排除太阳光等干扰源的干扰，提高了探测精度。

    上述探测方法所述步骤3）中A/D转换得到的数字信号在微处理器（3）进行分析的具体步骤如下：

1）初始化：对寄存器、I/O口、定时器、串口等模块初始化，将用到的标志位、变量设定为初始值，分配引脚以及配置寄存器写入需要的值；

2）自检：主要检测各模块是否处于正常工作状态；

3）预热：使器件达到稳定的工作状态，经过一定时间的预热能达到更好的精度；

4）A/D转换：将探测器检测的模拟信号变成数字信号；

5）限幅滤波：对数字信号进行预处理，去除噪声干扰；

6）串口通讯：微处理器（3）与计算机（4）间的桥梁，将微处理器（3）采集的数据及处理结果上传到计算机（4）进行显示；

7）信号分析与处理：火灾数据处理中心环节。火灾发生时，伴随着产生燃烧气体、烟雾、温度、火焰和燃烧波等火灾参量，通过对这些火灾参量的测量、分析，可以判定被测区域有无火灾存在；选取火灾信号的三个典型特征，分别为：温度、温升速率和火焰辐射强度；火灾发生时这三个特征会有不同程度的变化，三个特征值记为T1、T2和T3；根据T1、T2和T3的综合分析设定判断火灾的三个条件：

Ⅰ 温度T1大于60℃；

Ⅱ 温升速率T2大于20℃/分钟并且辐射强度T3大于8000(AD值)；

Ⅲ 辐射强度T3大于18000(AD值)；

记录满足火灾判断条件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的次数，分别记为C1、C2、C3，初始值为0。为确保火灾不发生误报，当C1、C2、C3任意一个累计达3次时，判断有火灾发生，发出报警信号；

综合利用了火灾信号的多个特征：温度、温升速率和火焰辐射强度，火灾发生时，记录了满足判断条件的次数，只有当次数满足一定的条件时，才触发报警信号，一定程度上减少了误报，提高了探测的精度；

8）报警：火灾发生时，报警灯点亮而且报警信号传输给计算机（4）。

    上述步骤4）中计算机从微处理器获得数据信号是：计算机通过串口与微处理器进行数据通讯，计算机一方面接收并显示微处理器采集的数据，另一方面对微处理器发出指令进行相应参数设置；实现对火灾信号及报警信号的显示、记录及保存功能，具体实现步骤为：

1)参数设置：需要设置的信息包括串口号、波特率、校验位、数据位、停止位、数据传输间隔及通讯次数；

2)数据通讯：实现火灾信号的实时接收显示、停止、保存及报警指示：

¨       接收显示：首先配置相关的串口参数，其次设置自动保存文件的路径；最后点击“开始”按钮，***便开始自动的实时接收下位机最新的火灾数据，并按所设顺序依次显示在相应窗体；

¨       停止：判断数据是否达到通讯次数，到所需次数时，停止通讯；

¨       保存：将数据以文本形式存储，同时可以清除显示控件中的波形；

¨       报警指示：将微处理器报警信号同时传输在计算机显示。

3)历史数据导入：实现历史数据文件装载功能，建立火灾样本数据库，进行离线数据分析：

¨       数据装载：将已存在的离线数据读入计算机内存；

¨       数据分析：绘制各传感器信号历史数据-时间特性曲线，建立有火、无火情况下的输入输出模型，指导微处理器进行程序修正。

    本发明与现有技术相比，具有以下实质性特点和显著优点：界面友好，操作灵活；有利于火灾信号的离线、在线分析，能够实现火灾数据的实时识别，为火灾探测的实际应用奠定了基础。

附图说明

图1是本发明的红外火灾探测程序框图。

图2是本发明的采用的红外火灾探测***结构框图。

图3是本发明具体实施例的微处理器实现火灾识别流程框图。

图4是本发明具体实施例的计算机主程序流程框图。

图5是本发明具体实施例的计算机主界面图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：参见图1，基于多波段多特征的红外火灾探测方法采用图2所示的红外火灾探测***，由火灾探测器1依次连接信号处理电路2、微处理器3、计算机4及报警显示器5构成；火灾探测的操作步骤为：1）火灾探测器1将探测到的温度和火焰光信号转变为电压信号；2）该电压信号通过信号处理电路2进行放大滤波及A/D转换；3）A/D转换得到的数字信号在微处理器3进行分析，实现对火灾信号多特征提取及分析识别，最终判断火灾是否发生；4）计算机4从微处理器3获得数据信号，实现对火灾信号及报警信号的显示、记录及保存功能。

上述步骤1）中采用的火灾探测器1包括红外温度探测器和红外多波段火焰探测器，火灾探测器1将检测到的温度和火焰光信号转变成电压信号；电压信号通过信号处理电路2进行放大滤波及A/D转换得到较平滑的数字信号；数字信号在微处理器（3）中进行分析；分析后的结果送给计算机4，实现数据记录、显示、保存等功能。

参见图3，基于一种多波段多特征的红外火灾探测方法的微处理器3实现火灾识别流程框图，实现对火灾信号的温度、温升、火焰辐射强度等多特征进行综合判断处理，最终输出报警信号。具体流程如下:

1）初始化：对寄存器、I/O口、定时器、串口等模块初始化，将用到的标志位、变量设定为初始值，分配引脚以及配置寄存器写入需要的值；

2）自检：主要检测各模块是否处于正常工作状态；

3）预热：使器件达到稳定的工作状态，经过一定时间的预热能达到更好的精度；

4）数据预处理：对火灾信号进行A/D转换，限幅滤波；

5）串口通讯：微处理器3与计算机4间的桥梁，将微处理器3采集的数据及处理结果上传到计算机4进行显示；

6）火灾信号特征选择与判断条件：对火灾信号的温度、温升、火焰辐射强度等多特征进行综合判断处理，设定三个判断火灾的条件，分别为：Ⅰ.温度T1大于60℃；Ⅱ.温升速率T2大于20℃/分钟并且辐射强度T3大于AD值8000；Ⅲ.辐射强度T3大于AD值18000，具体阈值根据多次试验确定。记录满足火灾判断条件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的次数，分别记为C1、C2、C3，初始值为0。

    7）报警判断：当C1、C2、C3任意一个累计达3次时，判断有火灾发生，发出报警信号，灯点亮报警灯。

    8）数据上传：将火灾数据的三个特征值和报警信号实时上传到计算机（4）。

参见图4，本基于多波段多特征的红外火灾探测方法的计算机4主程序流程框图，实现信号的显示、记录及保存功能。具体流程如下:

1）打开串口：将串口设置为开启状态；  

2）初始化：串口开启后，初始化各个标志位和数据缓冲区；

3）数据通讯：接收微处理器3传送的火灾数据并在界面中显示，如第一列代表目标温度等；

4）图形显示：根据用户选择的画图数据，用最新的20个火灾数据画出变化曲线；

5）数据保存：将表格中的所有数据保存到TXT文件中。

参见图5，本基于多波段多特征的红外火灾探测方法的计算机4主界面，实现信号的显示、记录及保存功能。具体操作步骤如下:

1)***设置：点击“***设置”按钮，配置相关的串口参数，包括串口号、波特率、校验位、数据位、停止位、数据传输间隔及通讯次数；其次点击“自动保存设置”按钮设置自动保存文件的路径；

2)数据通讯：点击“开始”按钮，计算机4便开始自动的实时接收微处理器3最新的火灾数据；点击“暂停”按钮，计算机4暂停接收数据；点击“停止”按钮，计算机4停止接收数据；

3)数据存储：点击面板上的“导出数据”可以在任何时刻，将当前所有的数据保存到其他位置，并在在主面板上显示保存的数据个数，即文件的大小；

4）历史数据显示及查询：点击面板上的“导入信息”按钮，可以将已经保存的数据导入到当前的表格中显示；点击“信息查询”按钮可以打开新的面板，并在新面板中打开已保存的数据，方便数据对比。

Claims (4)

1.一种基于多波段多特征的红外火灾探测方法，其特征在于：采用的火灾探测***由火灾探测器（1）依次连接信号处理电路（2）、微处理器（3）、计算机（4）及报警显示器（5）构成，火灾探测的操作步骤为：

A.火灾探测器（1）将探测到的温度和火焰光信号转变为电压信号；

B.该电压信号通过信号处理电路（2）进行放大滤波及A/D转换；

C.A/D转换得到的数字信号在微处理器（3）中进行分析，实现对火灾信号多特征提取及分析识别，最终判断火灾是否发生；

D.计算机（4）从微处理器（3）获得数据信号，实现对火灾信号及报警信号的显示、记录及保存功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于多波段多特征的红外火灾探测方法，其特征在于：选用的所述步骤A中火灾探测器（1）包括红外温度探测器和红外多波段火焰探测器，探测的火灾信号包括温度信号和火焰辐射信号；所述红外温度探测器基于非接触式红外测温技术进行测量，探测范围-20-300℃；为了减少环境温度变动对输出信号的影响，通过集成的环境温度校准传感器实现环境温度补偿功能，提高了探测精度；所述红外多波段火焰探测器由通道A和通道B联合组成，通道A的工作波段为4.3-4.8μm，通道B的工作波段为4.0μm；火焰辐射红外光谱范围内，辐射强度的最大值位于波长4.1-4.7μm范围，同时在火灾探测过程中，火焰探测器受到背景辐射的干扰，干扰源主要来自太阳的天然辐射，在4.3μm上的阳光辐射绝大部分被空气中CO₂吸收；通道A工作在4.3-4.8μm波段，在此波段火焰辐射最强，同时受阳光等干扰影响小，因此通道A作为火焰探测的主要通道，用于探测碳氢化合物燃烧产生的火灾；而在4.0μm波长附近，火焰辐射信号较弱而干扰信号较强，采用通道B工作在4.0μm波段，作为监视通道；当发生火灾且外界干扰小时，通道A探测到的信号很强而通道B较弱，发出火灾报警信号；当无火灾且干扰信号较强时，通道B探测到的信号很强而通道A很弱，说明存在外部干扰辐射，此时不报警；当发生火灾且外界干扰大时，通道A探测到的信号很强且通道B也较强，通过对两通道火灾信号的综合分析判断发出火灾报警信号；火焰探测器采用多波段进行探测，既保证了探测的灵敏度，又能排除太阳光等干扰源的干扰，提高了探测精度。

3.根据权利要求1所述的一种基于多波段多特征的红外火灾探测方法，其特征在于：所述步骤C中A/D转换得到的数字信号在微处理器（3）中进行分析的具体步骤步骤如下：

C-1.初始化：对寄存器、I/O口、定时器、串口等模块初始化，将用到的标志位、变量设定为初始值，分配引脚以及配置寄存器写入需要的值；

C-2.自检：主要检测各模块是否处于正常工作状态；

C-3.预热：使器件达到稳定的工作状态，经过一定时间的预热能达到更好的精度；

C-4.A/D转换：将探测器检测的模拟信号变成数字信号；

C-5.限幅滤波：对数字信号进行预处理，去除噪声干扰；

C-6.串口通讯：微处理器（3）与计算机（4）间的桥梁，将微处理器（3）采集的数据及处理结果上传到计算机（4）进行显示；

C-7.信号分析与处理：火灾数据处理中心环节；

火灾发生时，伴随着产生燃烧气体、烟雾、温度、火焰和燃烧波等火灾参量，通过对这些火灾参量的测量、分析，可以判定被测区域有无火灾存在；选取火灾信号的三个典型特征，分别为：温度、温升速率和火焰辐射强度；火灾发生时这三个特征会有不同程度的变化，三个特征值记为T1、T2和T3；根据T1、T2和T3的综合分析设定判断火灾的三个条件：

Ⅰ 温度T1大于60℃；

Ⅱ 温升速率T2大于20℃/分钟并且辐射强度T3大于8000(A/D值)；

Ⅲ 辐射强度T3大于18000(A/D值)；

记录满足火灾判断条件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的次数，分别记为C1、C2、C3，初始值为0；为确保火灾不发生误报，当C1、C2、C3任意一个累计达3次时，判断有火灾发生，发出报警信号；综合利用火灾信号的多个特征：温度、温升速率和火焰辐射强度，火灾发生时，记录了满足判断条件的次数，只有当次数满足一定的条件时，才触发报警信号，一定程度上减少了误报，提高了探测的精度；

C-8.报警：火灾发生时，报警灯点亮而且报警信号传输给计算机（4）。

4.根据权利要求1所述的一种基于多波段多特征的红外火灾探测方法，其特征在于：所述步骤D中计算机（4）从微处理器（3）获得数据信号是：计算机（4）通过串口与微处理器（3）进行数据通讯，计算机（4）一方面接收并显示微处理器（3）采集的数据，另一方面对微处理器（3）发出指令进行相应参数设置；实现对火灾信号及报警信号的显示、记录及保存功能，具体实现步骤为：

D-1.参数设置：需要设置的信息包括串口号、波特率、校验位、数据位、停止位、数据传输间隔及通讯次数；

D-2.数据通讯：实现火灾信号的实时接收显示、停止、保存及报警指示：

D-2-1.接收显示：首先配置相关的串口参数，其次设置自动保存文件的路径；最后点击“开始”按钮，***便开始自动的实时接收下位机最新的火灾数据，并按所设顺序依次显示在相应窗体；

D-2-2.停止：判断数据是否达到通讯次数，到所需次数时，停止通讯；

D-2-3.保存：将数据以文本形式存储，同时可以清除显示控件中的波形；

D-2-4.报警指示：将微处理器（3）报警信号同时传输在计算机（4）显示；

D-3.历史数据导入：实现历史数据文件装载功能，建立火灾样本数据库，进行离线数据分析：

D-4.数据装载：将已存在的离线数据读入计算机（4）内存；

D-5.数据分析：绘制各传感器信号历史数据-时间特性曲线，建立有火、无火情况下的输入输出模型，指导微处理器（3）进行程序修正。

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