CN103337126B - 一种具有冗余判断的多功能消防应急装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有冗余判断的多功能消防应急装置，其为一三余度的冗余判断装置，其包括三个烟雾检测单元以及与其相对应的一信号处理单元、一动作单元，还包括一比较单元和一逻辑和控制单元，其中，所述比较单元计算第二信号处理单元对第一信号处理单元的信号重合度，第三信号处理单元对第一信号处理单元的信号重合度，第三信号处理单元对第二信号处理单元的信号重合度，并将其传输至所述逻辑和控制单元内进行阈值判定，若所述重合度值小于阈值，则断定其中两烟雾检测单元中检测的位置处的烟雾浓度超标，本发明具有冗余判断的多功能消防应急装置，采用三余度冗余判定，判断的结果更加准确，既能及时采取报警措施，又不至于造成误判。

Description

一种具有冗余判断的多功能消防应急装置

技术领域

本发明涉及一种消防应急装置，尤其涉及一种具有冗余判断的多功能消防应急装置。

背景技术

现有技术中的消防应急设备主要为一消防应急灯，该灯内设置有检测电路、处理电路和开关电路，将该灯设置在线路中的某一位置，检测空气中的可燃气体或烟雾浓度。

如，中国专利《一种智能无线消防应急灯》，申请号：201110385858.0公开了一种能无线消防应急灯，该应急灯模块包括电源管理模块、LED光源和电池,电源管理模块电路包括开关电源电路、充电电路和放电电路,通信及控制模块用于对灯具模块的充放电信息控制,以及处理灯具传回的信息,并且通过射频收发器与外界进行数据和信号的交互;电源管理模块用于灯具内部的电源管理和信号采集,并且将采集到的参加传给通信控制模块。该灯对信号的处理没有进行有效的判断，难以对事故进行准确并无误的判断。

针对上述缺陷，本发明创作者提供一种更加完善的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有冗余判断的多功能消防应急装置，以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种具有冗余判断的多功能消防应急装

置，其为一三余度的冗余判断装置，其包括三个烟雾检测单元以及与其相对应的一信号处理单元、一动作单元，还包括一比较单元和一逻辑和控制单元，其中，

所述烟雾检测单元与所述信号处理单元连接，其包括一烟雾传感器，其设置在该室内消防线路上的不同位置，其将检测到的烟雾及气体浓度信息转化成电信号后传输至所述信号处理单元内；

所述信号处理单元，其采集与其连接的烟雾检测单元的电流和电压信号，在采集时，对信号波形，在每连续的个周期内，每周期选择个预设时刻的采样点，每间隔时间采样一次，连续取样次；并将采集的电压信号和电流信号传输至期内的一运算存储模块内进行处理；

所述比较单元包括一比较器，其对所有信号处理单元内存储的电流和电压采集信号进行运算处理，并按照下述公式计算每组电流和电压信号中第二信号处理单元对第一信号处理单元的重合度，

式中，表示第一、二信号处理单元的电流和电压信号的重合度，和分别表示所述第一信号处理单元采集的电压信号、电流信号，和分别表示所述第二信号处理单元采集的电压信号、电流信号，表示均方差运算，表示积分运算；

所述第二信号处理单元对第一信号处理单元的信号重合度按照下述公式进行计算；

式中，表示取样组数，表示序列数，表示每组信号中所述第二信号处理单元对第一信号处理单元的信号重合度；

所述比较单元计算第二信号处理单元对第一信号处理单元的信号重合度，第三信号处理单元对第一信号处理单元的信号重合度，第三信号处理单元对第二信号处理单元的信号重合度，并将其传输至所述逻辑和控制单元内；

所述逻辑和控制单元为一MCU处理器，其内存储有一重合度阈值，所述逻辑和控制单元将所述计算所得的重合度值与重合度阈值进行比对，若所述重合度值小于阈值，则断定其中两烟雾检测单元中检测的位置处的烟雾浓度超标；将三者分别与重合度阈值进行比对，则可断定某一烟雾检测单元中检测的位置处的烟雾浓度超标；并向所述动作单元发出动作指令。

进一步，所述比较单元将上述重合度做差值并取绝对值，即取，和，计算出结果后，将该差值绝对值计算结果传输至所述逻辑和控制单元内；

所述逻辑和控制单元内存储有一标准值，上述重合度做差值并取绝对值的数值与标准值进行对比，若三者均大于标准值，则断定上述判断的某一烟雾检测单元中检测的位置处的烟雾浓度确实超标。

进一步，所述信号处理单元每一周期内选择的个采样点的时间间隔按照下述公式计算，

式中，表示采样点的时间间隔，为修正系数，其大小由采样点数量决定，表示信号的角频率，由烟雾传感器的性能决定，为初始相角，表示信号周期的时间，表示信号波形的峰值。

进一步，所述信号处理单元包括一耦合保护电路、一检波电路、一滤波电路、一放大增益电路和A/D转换电路，上述各模块顺次连接，其中，

所述耦合保护电路，其用以抑制电干扰，信号经过所述耦合保护电路后通过所述检波模块；

所述检波模块，用以检出待传输信号中的需求数据波形；

所述滤波电路将采集的信号滤波得到需求数据波形；

所述放大增益模块经采集的信号进行放大后，还原至原波形。

进一步，所述动作单元包括一继电器电路、一通信电路、一蜂鸣器和一LED灯具，其中，

所述逻辑和控制单元和所述继电器电路通过所述通信电路连接；在所述逻辑和控制单元判断某处烟雾浓度超标时，所述通信电路发出一高电平信号，所述继电器电路闭合，控制所述蜂鸣器和LED灯接电，所述蜂鸣器发出报警，所述LED灯开启。

进一步，所述具有冗余判断的多功能消防应急装置还包括一电源模块，其包括一电源开关电路、一充电电路、一放电电路和一充电电池，其中，

所述电源模块在烟雾浓度正常时，闭合所述电源开关电路向所述烟雾检测单元、信号检测单元和动作单元供电，所述充电电池通过所述充电电路持续充电；

当所述逻辑和控制单元判断出现浓度超标时，所述电源模块关闭电源开关电路，接通所述放电电路而对蜂鸣器和LED灯供电。

进一步，所述放大增益模块将所有采集的模块加载到同一电压值。

进一步，所述重合度阈值取值为0.95，所述标准值取值为0.05。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明具有冗余判断的多功能消防应急装置，采用三余度的判断装置，对线路中的三个位置分别设置烟雾检测元件，分别采集信号发送至一比较单元内，比较单元对三种信号进行冗余判断，两两计算信号的重合度，并将重合度值送至逻辑和控制单元与一阈值进行比对；每两种信号的重合度值作差取绝对值并与一阈值判断，确认发生烟雾浓度超标的位置后进行处理；采用两种阈值分别进行判断，判断的结果更加准确，既能及时采取报警措施，又不至于造成误判，而造成混乱；信号采集时，并不实时采集信号，而是在选定的周期内进行抽样点选择；并且在选择抽样点时，越靠近峰值处，采集的时间间隔越短，抽样的可取性更高；信号处理时，将所有信号加载在同一电压上便于进行冗余判定。

附图说明

图1为本发明具有冗余判断的多功能消防应急装置的功能框图；

图2为本发明具有冗余判断的多功能消防应急装置的信号处理单元的功能框图；

图3为本发明具有冗余判断的多功能消防应急装置的信号处理单元的电源模块的功能框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的详细技术特征作进一步描述，以便更加清楚的理解本发明。

请参阅图1所示，其为本发明具有冗余判断的多功能消防应急装置的功能框图，在本发明中，其为一三余度的冗余判断装置，所述消防应急装置包括三个烟雾检测单元、以及与所述烟雾检测单元相对应的一信号处理单元、一电源模块和一动作单元，还包括一比较单元，其与一逻辑控制单元连接，所述动作单元包括蜂鸣器和一高功率的LED灯具。

在本发明中，第一烟雾检测单元1的输出端与一第一信号处理单元2相连接，其将检测到的烟雾及气体浓度信息转化成电信号后传输至所述第一信号处理单元2，在本实施例中，所述第一烟雾检测单元1包括一第一烟雾传感器，其设置在该室内消防线路上，实时检测空气中的烟雾浓度，并在超过一预设的浓度值时，产生一强电流和强电压信号并传输至所述第一信号处理单元2内。

请参阅图2所示，其为本发明具有冗余判断的多功能消防应急装置的信号处理单元的功能框图，所述第一信号处理单元2包括一耦合保护电路21、一检波电路22、一滤波电路23、一放大增益电路24、一A/D转换电路25和一第一运算存储模块26，上述各模块顺次连接，其中，所述耦合保护电路21，其用以抑制电干扰，信号经过所述耦合保护电路21后通过所述检波模块22，用以检出待传输信号中的需求数据波形，再经过所述滤波电路23得到需求数据波形，经所述放大增益模块24进行放大后，还原至原波形；再经过所述A/D转换电路25将采集的电压信号和电流信号传输至所述第一运算存储模块26内进行处理。

在本发明中，所述第一信号处理单元2先对所述第一烟雾检测单元1中的电压和电流信号进行采集后，再经过处理计算。所述第一信号处理单元2对电流和电压信号进行采集时，采取随机抽样的方式进行，对信号波形，在每连续的个周期内，每周期选择个预设时刻的采样点，每间隔时间采样一次，连续取样次；为了保证取样数据的可参考性与准确性，在每一周期内选择的个采样点的时间间隔按照下述公式（1）计算，

（1）

式中，表示采样点的时间间隔，为修正系数，其大小由采样点数量决定，表示信号的角频率，由烟雾传感器的性能决定，为初始相角，表示信号周期的时间，表示信号波形的峰值。

经上述公式（1）采样，在信号幅值越大时，采样越密集，采样数据的可参考性越强；在该信号处理单元的采样并非实时采样，而是对信号数据按照预设条件采样，使得后续的信号处理数据量减小，减轻数据处理的繁杂运算。

所述第一运算存储模块26将上述采集的组电压信号和电流信号，进行整理形成一电压和电流矩阵，并存储在期内。

在本发明中，第二烟雾检测单元11的输出端与一第二信号处理单元12相连接，所述第三烟雾测试单元111，第二信号处理单元12、第三信号处理单元121按照与所述第一信号处理单元2相同的算法对信号进行采集，得到电压信号和电流信号，进行整理形成一电压和电流矩阵，并存储在一第二运算存储模块内；并且所述放大增益模块将所有信号处理单元中的加载电压加载在同一数值，以便进行比较。

所述第二烟雾检测单元11与一烟雾检测单元1设置在同一线路中的不同位置，其分别实时检测所在位置处的烟雾浓度；在本发明中，设置有三个烟雾检测单元以及与其相对应的信号处理单元，同时在三个位置进行数据采集，各个位置采集的信号进行冗余判断。

所述比较单元3内包括一比较器，其对所有信号处理单元内存储的电流和电压采集信号进行运算处理，分别计算得出一重合度，并将其传输至所述逻辑控制单元10内，现以第一信号处理单元1和第二信号处理单元12进行说明，其分别将采集的电压和电流信号传输至所述比较单元3内，并按照下述公式（2）计算第一、二信号处理单元中电流和电压信号的重合度，

（2）

式中，表示第一、二组电流和电压信号的重合度，和分别表示所述第一信号处理单元采集的电压信号、电流信号，和分别表示所述第二信号处理单元采集的电压信号、电流信号，表示均方差运算，表示积分运算；

所述第二信号处理单元12对第一信号处理单元1的信号重合度按照下述公式（3）进行计算；

（3）

式中，表示取样组数，表示序列数，表示每组信号中所述第二信号处理单元对第一信号处理单元的信号重合度。

同理，所述第一、三信号处理单元的重合度按下述公式（4）进行计算，

（4）

式中，表示第一、三信号处理单元的电流和电压信号的重合度，和分别表示所述第一信号处理单元采集的电压信号、电流信号，和分别表示所述第信号处理单元采集的电压信号、电流信号，表示均方差运算，表示积分运算。

同理，所述第二、三信号处理单元的重合度按下述公式（5）进行计算，

（5）

式中，表示第一、三信号处理单元的电流和电压信号的重合度，和分别表示所述第一信号处理单元采集的电压信号、电流信号，和分别表示所述第信号处理单元采集的电压信号、电流信号，表示均方差运算，表示积分运算。

在本实施方式中，以三余度的烟雾检测单元判断为例进行说明。

所述比较单元3分别对三个烟雾检测单元进行重合度计算，即计算第二信号处理单元对第一信号处理单元的信号重合度，第三处理单元对第一信号处理单元的信号重合度，第三处理单元对第二信号处理单元的信号重合度；所述比较单元3将上述重合度做差值并取绝对值，即取，和，计算出结果后，将信号重合度与差值绝对值计算结果传输至所述逻辑和控制单元10内。

所述逻辑和控制单元10为一MCU处理器或一PLC，其集成在一控制柜中，其内存储有一重合度阈值和一标准值，所述逻辑和控制单元10将所述计算所得的重合度值与重合度阈值进行比对，若所述重合度值小于阈值，则断定其中两烟雾检测单元中检测的位置处的烟雾浓度超标；将三者分别与重合度阈值进行比对，则可断定某一烟雾检测单元中检测的位置处的烟雾浓度超标。

进一步，将上述重合度做差值并取绝对值的数值与标准值进行对比，若三者均大于标准值，则断定上述判断的某一烟雾检测单元中检测的位置处的烟雾浓度确实超标。

如所述第一烟雾检测单元中检测的位置处的烟雾浓度超标，则和均小于，而，和的值均大于标准值。

在本实施例中，所述重合度阈值取值为0.95，所述标准值取值为0.05。

本发明中，采用两种阈值分别进行冗余判断，判断的结果更加准确。

所述逻辑和控制单元10检测到某一处烟雾浓度超标，则向相应的动作单元发送指令，在本发明中，第一动作单元5包括一继电器电路和一通信电路，所述逻辑和控制单元10和所述继电器电路通过所述通信电路连接。在所述逻辑和控制单元10判断某处烟雾浓度超标时，所述通信电路发出一高电平信号，所述继电器电路闭合，控制所述蜂鸣器和LED灯接电，所述蜂鸣器发出报警，所述LED灯开启。

请参阅图3所示，其为本发明具有冗余判断的多功能消防应急装置的信号处理单元的电源模块的功能框图，在本发明中，电源模块在LED灯开启时提供电能，第一电源模块4包括一电源开关电路41、一充电电路42、一放电电路43和一充电电池44，所述电源模块在烟雾浓度正常时，闭合所述电源开关电路向所述第一烟雾检测单元1、第一信号检测单元2和第一动作单元5供电，所述充电电池44通过所述充电电路43持续充电；当所述逻辑和控制单元10判断出现浓度超标时，则所述电源模块关闭电源开关电路41，接通所述放电电路43而对蜂鸣器和LED灯供电。

以上以较佳的实施例作参考，对本发明的技术特征及效果进行了简要说明，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内，本领域技术人员可作各种变更及修改。

Claims (8)

1.一种具有冗余判断的多功能消防应急装置，其特征在于，其为一三余度的冗余判断装置，消防应急装置包括三个烟雾检测单元以及与烟雾检测单元相对应的一信号处理单元、一动作单元，还包括一比较单元和一逻辑和控制单元，其中，

所述烟雾检测单元与所述信号处理单元连接，其包括一烟雾传感器，其设置在室内消防线路上的不同位置，其将检测到的烟雾及气体浓度信息转化成电信号后传输至所述信号处理单元内；

所述信号处理单元，其采集与其连接的烟雾检测单元的电流和电压信号，在采集时，对信号波形，在每连续的K个周期内，每周期选择n个预设时刻的采样点，每间隔时间T₀采样一次，连续取样M次；并将采集的电压信号和电流信号传输至所述信号处理单元的一运算存储模块内进行处理；

所述比较单元包括一比较器，其对所有信号处理单元内存储的电流和电压采集信号进行运算处理，并按照下述公式计算每组电流和电压信号中第二信号处理单元对第一信号处理单元的重合度P₂₁，

$P_{21}(u_1,i_1)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{u_2,i_2}\left(T\right(u_2,i_2)*I^{\′}(u_1+u_2,i_1+i_2\left)\right)}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{u_2,i_2}T{(u_2,i_2)}^2*{\mathrm{\Σ}}_{u_2,i_2}I{(u_1+u_2,i_1+i_2)}^2}}$

式中，P₂₁(u₁,i₁)表示每组电流和电压信号的重合度，u₁和i₁分别表示所述第一信号处理单元采集的电压信号、电流信号，u₂和i₂分别表示所述第二信号处理单元采集的电压信号、电流信号，T表示均方差运算，I和I′表示积分运算；

所述第二信号处理单元对第一信号处理单元的信号重合度P₂₁按照下述公式进行计算；

$P_{21}(u,i)=\frac{\underset{j=1}{\overset{M}{\Σ}}{P}_{1j}(u_1,i_1)}{M}$

式中，M表示取样组数，j表示序列数，P_1j(u₁,i₁)表示每组信号中所述第二信号处理单元对第一信号处理单元的信号重合度；

所述比较单元计算第二信号处理单元对第一信号处理单元的信号重合度P₂₁，第三信号处理单元对第一信号处理单元的信号重合度P₃₁，第三信号处理单元对第二信号处理单元的信号重合度P₃₂，并将其传输至所述逻辑和控制单元内；

所述逻辑和控制单元为一MCU处理器，其内存储有一重合度阈值P₀，所述逻辑和控制单元将计算所得的重合度值与重合度阈值P₀进行比对，若所述重合度值小于阈值，则断定其中两烟雾检测单元中检测的位置处的烟雾浓度超标；将三者分别与重合度阈值P₀进行比对，则可断定某一烟雾检测单元中检测的位置处的烟雾浓度超标；并向所述动作单元发出动作指令。

2.根据权利要求1所述的具有冗余判断的多功能消防应急装置，其特征在于，所述比较单元将上述重合度做差值并取绝对值，即取|P₂₁-P₃₁|，|P₂₁-P₃₂|和|P₃₂-P₃₁|，计算出结果后，将该差值绝对值计算结果传输至所述逻辑和控制单元内；

所述逻辑和控制单元内存储有一标准值δ，上述重合度做差值并取绝对值的数值与标准值δ进行对比，若三者均大于标准值δ，则断定上述判断的某一烟雾检测单元中检测的位置处的烟雾浓度确实超标。

3.根据权利要求1或2所述的具有冗余判断的多功能消防应急装置，其特征在于，所述信号处理单元每一周期内选择的n个采样点的时间间隔Δt按照下述公式(1)计算，

$\mathrm{\Δ}t=\frac{a\·sin(\mathrm{\ω}+\mathrm{\β})\·L}{\mathrm{\λ}}$

式中，Δt表示采样点的时间间隔，a为修正系数，其大小由采样点数量决定，ω表示信号的角频率，由烟雾传感器的性能决定，β为初始相角，L表示信号周期的时间，λ表示信号波形的峰值。

4.根据权利要求3所述的具有冗余判断的多功能消防应急装置，其特征在于，所述信号处理单元包括一耦合保护电路、一检波电路、一滤波电路、一放大增益电路和A/D转换电路，上述各模块顺次连接，其中，

所述耦合保护电路，其用以抑制电干扰，信号经过所述耦合保护电路后通过所述检波电路；

所述检波电路，用以检出待传输信号中的需求数据波形；

所述滤波电路将采集的信号滤波得到需求数据波形；

所述放大增益模块经采集的信号进行放大后，还原至原波形。

5.根据权利要求3所述的具有冗余判断的多功能消防应急装置，其特征在于，所述动作单元包括一继电器电路、一通信电路、一蜂鸣器和一LED灯具，其中，

所述逻辑和控制单元和所述继电器电路通过所述通信电路连接；在所述逻辑和控制单元判断某处烟雾浓度超标时，所述通信电路发出一高电平信号，所述继电器电路闭合，控制所述蜂鸣器和LED灯接电，所述蜂鸣器发出报警，所述LED灯开启。

6.根据权利要求3所述的具有冗余判断的多功能消防应急装置，其特征在于，所述具有冗余判断的多功能消防应急装置还包括一电源模块，其包括一电源开关电路、一充电电路、一放电电路和一充电电池，其中，

所述电源模块在烟雾浓度正常时，闭合所述电源开关电路向所述烟雾检测单元、信号检测单元和动作单元供电，所述充电电池通过所述充电电路持续充电；

当所述逻辑和控制单元判断出现浓度超标时，所述电源模块关闭电源开关电路，接通所述放电电路而对蜂鸣器和LED灯供电。

7.根据权利要求4所述的具有冗余判断的多功能消防应急装置，其特征在于，所述放大增益模块将所有采集的模块加载到同一电压值。

8.根据权利要求2所述的具有冗余判断的多功能消防应急装置，其特征在于，所述重合度阈值P₀取值为0.95，所述标准值δ取值为0.05。