CN101958032B - 一种消防用无线传感烟雾检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种消防用无线传感烟雾检测装置及其检测方法，光学密闭外壳内部上部分是风扇，中部分是控制电路板、导气管和电池，下部分是伸入光学密闭外壳内腔中的导气板；风扇上具有呈圆环状的导气管道；导气管由气体通路、光电传感器和风扇连接口组成，控制电路板包含有电压转换电路、单片机和无线收发模块，风扇、光电传感器分别电连接控制电路板。光电传感器在移动过程中不停地检测周围环境中的烟雾强度等级，可以在短时间内采集烟雾强度信号并通过无线收发电路将强度信号发送至汇聚节点，烟雾强度信号采用量化处理，将烟雾强度分成不同等级，分级报警；实现移动检测，提高装置工作的灵活性和可靠性。

Description

一种消防用无线传感烟雾检测装置

技术领域

本发明涉及消防用无线传感烟雾检测装置，应用于消防现场，属于无线控制领域。 

背景技术

烟雾传感器主要应用于工厂、小区、公司、仓库等场所的防火安全方面，其主要原理是检测周围空气中烟雾浓度，当烟雾浓度达到某一指定强度时就发出报警声。常用的烟雾传感器一般属于定点烟雾检测，其基本构成包括传感器、光学迷宫、微处理器和报警喇叭。传感器检测到烟雾信号后输入单片机从而触发报警喇叭报警，在使用时，一般将该类传感器固定在屋顶上并采用电缆供电和传送信号。这种传感器检测的缺陷是：1、采集烟雾的过程为被动式，在运行过程中只执行一次，且无法分辨烟雾强度等级。2、在一些临时需安装烟雾传感器的特殊场合和一些距离比较远的场所，一旦电缆出现故障，直接影响烟雾传感器的正常工作，使用很不方便，工作缺乏灵活性，且电缆的铺设成本比较高。3、在一些特殊应用的烟雾传感器设备中虽携带有风扇，但该风扇的功能仅是为了快速吸取外界烟雾进入烟雾传感器腔体中，不能将烟雾从烟雾传感器腔体中排出，更无法实现快速反复检测，该过程也仅执行一次。4、有些烟雾传感器虽然具有将烟雾浓度分等级报警的功能，但是分级功能比较粗糙，分级程度比较低，尚未实现具体的量化。 

目前，无线传感技术在烟雾传感器上已有一定的应用，这些应用主要体现在火灾发生时利用无线传感技术发送信号控制电话等进行报警，但是该发送过程只执行一次，不能实现动态发送，尚未完全实现无线传感网络的检测作用。 

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有烟雾传感器的不足而提供一种体积小、使用方便灵活、可靠性高、能反复检测和动态发送的消防用无线传感烟雾检测装置。 

本发明的另一目的是提供消防用无线传感烟雾检测装置的检测方法，能快速反复检测周围空气环境中烟雾浓度并在烟雾浓度信号量化后将其通过无线收发电路发送给汇聚节点。 

本发明消防用无线传感烟雾检测装置通过以下技术方案实现：包括一个光学密闭外壳，光学密闭外壳的前壁面下部分设有报警喇叭，前壁面上部分设有风扇进气口、指示灯以及电源开关按钮、测试按钮和报警喇叭控制按钮，光学密闭外壳最底部固定连接导气板，光学密闭外壳内部的上部分是风扇，中部分是控制电路板、导气管和电池，控制电路板紧贴 于光学密闭外壳一侧，电池设在光学密闭外壳另一侧，导气管设于控制电路板和电池之间，下部分是伸入光学密闭外壳内腔中的导气板；所述风扇上具有呈圆环状的导气管道，导气管道的下端向下依次延伸光滑部件和排除部件；导气管由气体通路、光电传感器和风扇连接口组成，最上部分是与所述排除部件相连接的风扇连接口，风扇连接口下部延伸且连通气体通路的上部，气体通路的底部延伸且固定至导气板，并与导气板上的进气孔相通，所述气体通路上腔大、下腔小；控制电路板包含有电压转换电路、单片机和无线收发模块，风扇、光电传感器分别电连接控制电路板。 

本发明消防用无线传感烟雾检测装置的检测方法采用如下步骤：A、光电传感器不断检测导气管中是否有烟雾，若无烟雾则继续检测，若有则启动控制电路板上单片机中的第一定时器，同时将检测到的烟雾强度信号送入单片机，单片机与设定阈值进行比较确定烟雾浓度等级，并通过无线发送模块将烟雾浓度数据和浓度等级数据发送至上位机；B、第一定时器定时时间到后，启动风扇并同时启动单片机中的第二定时器，风扇在第二定时器的定时时间内保持持续转动，将导气管内部的原有气体排出，吸入当前烟雾，当第二定时器定时时间到后，关闭风扇，开始新一轮检测；C、风扇的导气管道排出的气体在风强减少最小时通入气体通路中，对风扇进气口产生负压，对气体通路产生正压，正压将导气管中的烟雾从底部导气板排到外部，负压从风扇进气口处抽取外界烟雾到内部；D、当导气管内的烟雾气体流速稳定后，光电传感器重新开始采集烟雾信号，并反复上述过程。 

本发明的有益效果是： 

1、在现有烟雾传感器的基础之上添加排气风扇、信号控制电路、无线收发电路、报警电路，并集成在一个小型空间里，减小了体积，便于消防人员随身携带，在移动过程中不停地检测周围环境中的烟雾强度等级，可以在短时间内采集烟雾强度信号并通过无线收发电路将强度信号发送至汇聚节点，烟雾强度信号采用量化处理，将烟雾强度分成不同等级，分级报警。 

2、排气风扇由单片机控制其工作，采用间歇式工作方式，有效降低耗电量。 

3、烟雾强度信号通过无线传感网络传输信息采集和反馈，实现移动检测，提高装置工作的灵活性和可靠性。 

4、内部气体通路以“峡谷效应”为依据，有效提高排气风扇的风强，达到快速换烟的目的，并在气流稳定后继续反复进行烟雾浓度监测。 

5、进气孔采用的是两次拐弯且截面积最小的结构，有效降低了外界光线对光电传感器的干扰。 

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。 

图1是本发明检测装置的外观图； 

图2是图1的右视图； 

图3是图1的拆解结构图； 

图4是图3中离心式风扇4、导气管5、控制电路板6、导气板7和电池8的组装结构放大图； 

图5是图1中导气板7的放大截面图，其中图5(a)是俯视图，图5(b)是立体图； 

图6是本发明的电路连接图及电气连接框图； 

图7是本发明的工作流程图； 

图中：1.风扇进气口；2.报警喇叭；3.天线；4.风扇；5.导气管；6.控制电路板；7.导气板；8.电池；9a.电源开关按钮；9b.测试按钮；9c.报警喇叭控制按钮；10.指示灯；11.光学密闭外壳。 

具体实施方式

如图1所示，本发明消防用无线传感烟雾检测装置包括一个光学密闭外壳11，检测装置外部是光学密闭外壳11，光学密闭外壳11的最底部固定连接导气板7，导气板7上开有多个导气孔，导气板7伸入光学密闭外壳11中。在光学密闭外壳11的前壁面下部分设有报警喇叭2，前壁面上部分设有风扇进气口1、指示灯10以及3个控制按钮，该3个控制按钮分别是电源开关按钮9a、测试按钮9b、报警喇叭控制按钮9c。其中测试按钮9b的作用是方便日常维护，保证消防过程中设备的可靠性；报警喇叭控制按钮9c的作用是设定报警喇叭2的工作模式。指示灯10显示装置的正常工作，正常工作时指示灯10每分钟闪烁3次。在光学密闭外壳11的上壁面上设有天线3，其作用是增大无线收发电路的发送距离。 

如图2，在光学密闭外壳11的一侧壁面上设有离心式风扇4，风扇4伸入到光学密闭外壳11的内部。 

如图3，光学密闭外壳11的内部具有上、中、下三部分结构，其中上部分结构为离心式风扇4，离心式风扇4与风扇进气口1相通。中部分结构为控制电路板6、导气管5和电池8，控制电路板6紧贴光学密闭外壳11的一侧安装，电池8安装在光学密闭外壳11另一侧。导气管5安装在控制电路板6和电池8之间。下部分结构为导气板7伸入光学密闭外壳11内腔中的部分。 

如图4，风扇4包括驱动部件4a、主体部件4b、排除部件4c及旋转部件4d。主体部件 4b的两侧分别安装两个按钮4f和4g，按钮4f、4g分别对应离心式风扇4电源的正、负电极。主体部件4b的外部轮廓为一圆柱形，驱动部件4a安装在主体部件4b的中心，旋转部件4d围绕于驱动部件4a周围，在旋转部件4d中安装风扇叶片4h。在旋转部件4d与主体部件4b之间设置呈圆环状的导气管道4e。在导气管道4e的下端向下依次延伸光滑部件4i和排除部件4c，使得导气管道4e与排除部件4c之间光滑连接。 

导气管5由气体通路5a、光电传感器5b和风扇连接口5c组成。导气管5的最上部分是风扇连接口5c，风扇连接口5c与离心式风扇4的排除部件4c相连接。风扇连接口5c下部延伸且连通气体通路5a的上部，气体通路5a的底部延伸至导气板7且固定在导气板7上，并与导气板7上的导气孔相通。气体通路5a上部内腔大、下部内腔小，为喇叭形状，外形像是一个峡谷，利用“峡谷效应”，所谓“峡谷效应”就是当气流从开阔地流入峡谷地形时由于空气质量不能大量堆积，会导致气流流速加快，风速增强。本发明中，由于风扇4提供的风力有限，故短时间内提供足够大的风强就成了一个需要考虑的问题，利用“峡谷效应”可有效增加风强，实现快速换气的目的。光电传感器5b位于整个气体通路5a的中下部1/3处，处于该位置可有效避免从上部风扇进气口1和下部导气板7上的导气孔进入的极少量的外界光线的干扰，保证了检测结果的可靠性。光电传感器5b属于常见光电传感器，包括光发射元件和光接收元件，在光发射元件与光接收元件之间设有一个光线屏蔽板，其作用是避免光发射元件发出的光线直接射到光接收元件上，光发射元件和光接收元件及屏蔽板处于光学密闭外壳11内，光学密闭外壳11壳内壁采用的是防反射设计，在该设计下，可以使光接收元件只接收光发射元件经烟雾微粒散射过来的光线，光接收元件接收到光线后，该光电传感器5b就会输出腔体内的烟雾强度检测信号，检测信号的强度随着烟雾浓度的变化而变化。 

风扇4的2根电源导线分别连接到按钮4f、4g上，位于风扇4下部的卡口4j、4k处也分别导出2根导线连接到控制电路板6的供电模块。按钮4f、4g及卡口4j、4k都有一层金属贴片用于电路的联通。当风扇4的排除部件4c插入到导气管5的风扇连接口5c时，按钮4f、4g与卡口4j、4k就可以呈现电气联通状态，风扇4就可在单片机控制下工作，该结构使本发明装置便于维护。光电传感器5b的电路连接信号发生线路和供电线路，其中供电线路直接连接控制电路板6上的连接点上，信号发生线连接到对应A/D转换电路。报警喇叭2通过引线电连接风扇4位于控制电路板6上的连接点。电池8直接连接控制电路板6的电压转换模块的输入口，经过电压转换后给其它部件供电。 

如图5所示，风扇进气口1与导气板7结构一致，本发明以导气板7为例说明。整个 光学密闭外壳11采用的是黑色不透光材料制成，由于在风扇进气口1及导气板7的位置无法保证外界光线的完全隔绝，因此，本发明采用2次拐弯的结构，导气板7上的进气孔7a在导气板7上具有2个直角拐弯结构，该结构可以避免外界光线的直入射同时又不影响内部烟雾的排除。外界光线在到达光学密闭外壳11内部之前，已经在该进气孔7a的孔壁上经过多次反射，这一过程有效降低了入射光线的强度。为了尽量减少外部光线的入射量，本发明采用了进气孔7a截面积最小的结构，可以直接使入射光线数量上降到最小，有效减少外界光线进入导气管5，从而降低外界光线对光电传感器5b检测结果的干扰。 

如图6所示，电池8输入电压Vcc为9V，共引出三路输出至其它部件。一路经过第一降压电路将输出电压转变为5V后连接到风扇4的输入端；一路电压经过第二降压电路将输出电压转变为3V后连接到报警喇叭2；由于光电传感器5b的输入电压和输出电压大小一致，故第三路将9V输出电压直接连接到光电传感器5b的输入口。 

控制电路板6包含有电压转换电路、单片机MSP430F135、无线收发电路。光电传感器5b通过电压转换电路连接单片机，单片机外连外部晶振电路、复位电路、供电模块、风扇4、报警喇叭2和CC2420无线收发模块，控制电路板6实现的主要功能是将光电传感器5b采集到的烟雾强度信号经电压转换电路转变为数字量后送入单片机。进入单片机后与设定阈值进行比较计算得出烟雾信号强度等级，再由无线收发模块发送至汇聚节点。外部晶振电路结合单片机内部电路，产生原始时钟频率，本发明采用的单片机外部晶振高达8MHz，可有效保证整个装置工作的高效性；电压转换电路的功能是将光电传感器5b的输出转换到单片机，可识别的电压范围内；复位电路用于保证该检测装置工作的可靠性，防止在消防现场出现了“死机”、“程序走飞”等现象。 

如图7所示该消防用无线传感烟雾检测装置开始工作时，光电传感器5b开始不断检测导气管5中是否有烟雾，若无烟雾则继续检测，若有则启动MSP430单片机中的第一定时器，同时将检测到的烟雾强度信号经信号放大器放大后送入单片机自带的电压转换电路中转换为数字信号，单片机与设定阈值进行比较确定烟雾浓度等级，之后通过无线发送电路将该时刻的烟雾浓度数据和浓度等级数据发送至上位机即控制端，第一定时器工作期间，该过程可视情况设置合适的发送次数。第一定时器定时时间到后，启动风扇4并同时启动第二定时器，风扇4在第二定时器的定时时间内保持持续转动，此时可以实现2个功能：一是将导气管5内部的原有气体排出该消防用无线传感烟雾检测装置；二是吸入消防员当前所处环境中的烟雾，为下一步检测做好准备。第二定时器定时时间到后，关闭风扇4，新一轮的检测开始。 

风扇4的导气管道4e排出的气体可以在风强减少最小的情况下通入气体通路5a中，驱动部件4a工作时，将驱动旋转部件4d中的风扇叶片4h工作，风扇叶片4h工作时对风扇进气口1产生负压，对气体通路5a产生正压。其中正压将导气管5中的烟雾从底部导气板7排到装置外部，负压则从风扇进气口1处抽取外界烟雾到该装置内部。考虑到风扇4是工作负担比较中的部件，为了便于维护，本发明中的风扇4采用可与其他部件分离的设计，其接口如图4，同时按下按钮4f、4g即可将风扇4拆除下来。风扇4的排除部件4c与导气管5的风扇连接口5c采用插入式设计，为保证两者的接口处完全缝合，风扇4排除部件4c的外部需为软塑料，方便其他部分的清洗维护。 

为了有效杜绝火灾的发生，一般的烟雾报警器都配备有报警喇叭。本发明的报警喇叭2在原有基础上添加了控制功能，可以实现两种工作模式：①自动模式，即设定某一安全阈值，当烟雾浓度超过该阈值时，报警喇叭2开始自动报警；②远程控制模式，即指挥人员通过汇聚节点显示的数据，经过对比分析后，选择出烟雾浓度等级最大的检测装置的编号，通过无线传感网络发出控制命令，使相应报警喇叭2报警。 

本发明基于携带方便的要求，采用电池8供电。风扇4的转动由单片机控制，而不是传统的持续转动，单片机采用功耗非常低的MSP430，无线发送模块采用低功耗的cc2420，光电传感器5b采用的是普通光电式。 

本发明结合了烟雾检测技术、无线传感网络技术，其作用是可以使指挥中心及时了解火灾现场火势的分布及其强度变化，从而方便指挥中心迅速做出决策，集成在一个小型的盒子空间里，便于随身携带移动。消防员随身携带该消防用无线传感烟雾传感检测装置，随着消防员的移动，不停地将检测到的周围环境中的烟雾强度等级模拟信号输出至A/D转换电路，将模拟量转换为数字量输入单片机，单片机中接收到数字信号后，立即与已经设定的多个阈值进行计算比较，以确定现场环境中的烟雾浓度等级。无线收发模块将比较出来的烟雾浓度等级及量化烟雾强度数值通过无线收发电路发送至汇聚节点。该装置会不断检测周围环境中的烟雾强度等级，考虑到火灾现场消防员的运动是没有规律的，快速检测烟雾浓度就显得尤为重要，该检测装置设有一个受控于单片机的小型离心式风扇。在发送完指定次数烟雾强度信号后就启动风扇并停止检测行为，其目的是快速排除导气管5中的原有烟雾气体并导入新环境中的烟雾气体从而保证测量结果的准确性。一定时间后在单片机的控制下风扇4停止转动，该消防用无线传感烟雾检测装置在气流稳定后继续进行烟雾浓度监测。消防员的具体运行过程一般是起步迅速，遇到火情就停下灭火，此时运动范围就会相应的减小，运动速度也有一定程度的降低，此时，风扇4启动，其作用是迅速排除 光学密闭外壳11内部的原有烟雾同时吸入新环境里的烟雾，当风扇4运行时间达到单片机中的设定值后，风扇4停止转动，光电传感器5b开始工作，光电传感器5b采集好信号后即进行A/D转换电路，输入单片机后与设定阈值比较，确定危险等级。若设有3个阈值，4个强度等级，设4个强度等级分别为A、B、C、D，其中A的程度最严重，B次之，C较轻，D最轻。如果某一次比较得出危险强度等级为B，则该信号会通过无线收发电路发送电路发送至汇聚节点，该无线收发电路传送至汇聚节点的数据包括烟雾强度等级和具体烟雾强度数值，在汇聚节点接收到信号的同时，该消防用无线传感烟雾检测装置中的单片机会判断信号检测时间是否已到，时间到则启动风扇4在短时间内排除光学密闭外壳11内的烟雾并吸入当前消防员所处环境里的烟雾。风扇4的运行时间由单片机设定。时间到，则风扇4停止转动，等到导气管5内的烟雾气体流速稳定后光电传感器5b重新开始采集烟雾信号，并反复上述过程。 

Claims (2)

1.一种消防用无线传感烟雾检测装置，包括一个光学密闭外壳(11)，光学密闭外壳(11)的前壁面下部分设有报警喇叭(2)，前壁面上部分设有风扇进气口(1)、指示灯(10)以及电源开关按钮(9a)、测试按钮(9b)和报警喇叭控制按钮(9c)，其特征是：光学密闭外壳(11)最底部固定连接导气板(7)，光学密闭外壳(11)内部的上部分是风扇(4)，中部分是控制电路板(6)、导气管(5)和电池(8)，控制电路板(6)紧贴于光学密闭外壳(11)一侧，电池(8)设在光学密闭外壳(11)另一侧，导气管(5)设于控制电路板(6)和电池(8)之间，下部分是伸入光学密闭外壳(11)内腔中的导气板(7)；所述风扇(4)上具有呈圆环状的导气管道(4e)，导气管道(4e)的下端向下依次延伸光滑部件(4i)和排除部件(4c)；导气管(5)由气体通路(5a)、光电传感器(5b)和风扇连接口(5c)组成，最上部分是与所述排除部件(4c)相连接的风扇连接(5c)，风扇连接口(5c)下部延伸且连通气体通路(5a)的上部，气体通路(5a)的底部延伸且固定至导气板(7)，并与导气板(7)上的进气孔(7a)相通；所述气体通路(5a)上腔大、下腔小；控制电路板(6)包含有电压转换电路、单片机和无线收发模块，风扇(4)、光电传感器(5b)分别电连接控制电路板(6)；所述进气孔(7a)与风扇进气口(1)均为两个直角拐弯结构；所述光电传感器(5b)位于气体通路(5a)的中下部1/3处。

2.根据权利要求1所述的一种消防用无线传感烟雾检测装置，其特征是：电池(8)输入三路电压，一路经第一降压电路连接风扇(4)；另一路经第二降压电路连接报警喇叭(2)；第三路直接连接光电传感器(5b)。

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