CN110491070A - 一种电阻型火灾远程预警/探测传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电阻型火灾远程预警/探测传感器系统，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括串联形成回路的智能电阻敏感材料、电阻监测装置、无线信号传输装置、GPS定位装置、警报装置和电源，设于实际场景中；软件系统包括无线信号接收系统、目标场景模拟系统和信号实时监控系统；智能电阻敏感材料为含巯基硅烷分子改性氧化石墨烯涂层；电阻监测装置将监测到的电阻信号传递给无线信号传输装置；GPS定位装置定位实际场景中被探测区域的三维坐标；无线信号接收系统接收无线信号传输装置发出的包含有电阻信号和定位信号的无线信号；信号实时监控系统根据无线信号系统接收的无线信号，在目标场景模拟系统模拟的场景中相应区域进行信号报警。

Description

一种电阻型火灾远程预警/探测传感器系统

技术领域

本发明涉及火灾预防设备技术领域，具体涉及一种电阻型火灾远程预警/探测传感器系统。

背景技术

大多数火灾警报器都是有线传输，在室外复杂环境中不便使用，再一次制约了人们防范火灾。传统报警传感器中烟雾报警传感器和红外传感器使用较为广泛，烟雾报警传感器中也有使用无线信号传递信息，但是烟雾报警器往往在火灾发生后产生的烟雾浓度必须达到一定程度才能报警，并且其响应时间特别慢，一般大于100s甚至5min，报警滞后性太大，不利于防范火灾。

此外传统报警传感器不能应用在室外，对于易燃材料它也是不容易探测到的。传统报警器往往大多数只能在小范围内报警，无法提供无线传递信号；例如烟雾报警传感器、红外报警传感器在室外复杂的环境中报警准确性并不理想，出现过许多误报警事件。所以社会上急需一种新型的火灾快速探测预警传感器，来有效预防火灾风险。

公开号为CN 108109317A的专利说明书公开了一种电阻型火灾探测/ 预警传感器，由低压电源、警报灯、火灾预警复合材料、导线若干依次连接组成，其中所述的火灾预警复合材料由密胺泡沫、氧化石墨烯、含硅助剂制成，各组分的重量份为：密胺泡沫25～45，氧化石墨烯8～40，含硅助剂15～67。上述技术方案基于绝缘的氧化石墨烯在一定温度下及火焰条件下能迅速被还原为超导电石墨烯的原理，利用简单工艺制备了氧化石墨烯包裹阻燃海绵材料，并与报警信号灯和低压电源连接，构筑了电阻型火灾传感器。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种电阻型火灾远程预警/探测传感器系统，包括相互连接的硬件系统和软件系统，可以在线实时监控和模拟演示，便于人们及时且精准的发现火灾发生所在地域，从而可以做出及时处理，降低火灾造成的损失。

一种电阻型火灾远程预警/探测传感器系统，包括硬件系统和软件系统，所述的硬件系统包括智能电阻敏感材料、电阻监测装置、无线信号传输装置、GPS定位装置、警报装置和电源，所述的软件系统包括无线信号接收系统、目标场景模拟系统和信号实时监控系统；

所述的智能电阻敏感材料、电阻监测装置、无线信号传输装置、GPS 定位装置、警报装置和电源串联连接形成回路，设于实际场景中；

所述的智能电阻敏感材料为含巯基硅烷分子改性的氧化石墨烯涂层；

所述的电阻监测装置将监测到的电阻信号传递给无线信号传输装置；

所述的GPS定位装置定位实际场景中被探测区域的三维坐标；

所述的无线信号接收系统接收无线信号传输装置发出的包含有电阻信号和定位信号的无线信号；

所述的信号实时监控系统根据无线信号系统接收的无线信号，在目标场景模拟系统模拟的场景中相应区域进行信号报警。

虽然上述公开号为CN 108109317A的专利说明书中添加硅烷后的氧化石墨烯涂层材料可以增加其阻燃性，构筑了一种火焰探测体系，为火灾探测提供了一种新的思路。然而，将其应用于火灾预警系统仍存在许多不足，还不能构筑良好的预警系统。比如纯的氧化石墨烯低的温度范围内 (150～250℃)热还原效果不理想，反应时间过长无法及时传递危险信息，显示出预警性能的变弱，不利于其在高温预警中的应用。为解决上述问题，本发明加速高温下氧化石墨烯的还原过程，向涂层中引入具有还原性的基团或分子。本发明引入末端带有巯基的硅烷偶联剂(KH580)，利用巯基在高温的还原性，促进氧化石墨烯片层的热还原过程，巯基在高温下被氧化成二硫键，然后继续被氧化成次硫酸根以及亚硫酸根等，从而加速氧化石墨烯还原过程，达到高温下快速预警的效果。

此外，本发明考虑到这种简单的装置难以满足人们对所在地域的火势与危险程度的清晰判断，为使人们能够方便实时监控所在地域的火情并及时对火灾现场作出处理，一种可视化的报警系统装置可为人们同火灾危险作斗争提供一种有力的工具，该可视化的报警系统装置可模拟所在地域的目标场景，便于人们更为直观清晰的判断所在地域的火情。特别是在大型厂房和大型建筑群中有很大的潜在需求。

本发明的电阻型火灾远程预警/探测传感器系统的工作原理在于，实际场景中被探测区域的环境温度升高时，智能电阻敏感材料改性氧化石墨烯会被还原为导电的石墨烯，电路导通，电阻监测装置监测电阻信号，警报装置发出警报，GPS定位装置得到定位信号，无线信号传输装置及时传输包含有电阻信号和定位信号的无线信号给无线信号接收系统，信号实时监控系统根据无线信号系统接收的无线信号，在目标场景模拟系统模拟的场景中相应区域进行信号报警。

而且，改性氧化石墨烯的导电能力会随被探测区域环境温度的变化而变化，由此表观上表现出电阻信号的变化。因此根据电阻信号大小的不同，可在信号实时监控系统中进行不同种类的信号报警。

本发明一方面使得火灾现场人员及时快速采取对应救火措施或者逃离现场，另一方面使得监控人员精准定位火灾现场，迅速做出消防救援指导工作。

所述智能电阻敏感材料的制备方法具体为：配制氧化石墨烯水溶液，搅拌使其分散均匀，向其中加入一定含量末端带有巯基的硅烷偶联剂 (KH580)，搅拌充分反应后将混合液置于真空下排气泡得到喷涂溶液，喷涂至易燃基底(如木材)表面即得含巯基硅烷分子改性的氧化石墨烯涂层。

作为优选，所述的含巯基硅烷分子改性的氧化石墨烯涂层中，末端带有巯基的硅烷偶联剂(KH580)含量为5wt％～20wt％。

作为优选，所述的硬件系统还包括电源芯片，控制电源的输出电压、输出电流稳定，具体可以为29302电源ic，用于电源的脉宽控制集成，可调整输出5～16V电压。

作为优选，所述的警报装置包括声音警报装置和警报灯。警报灯发出灯光信号，声音警报装置发出警报声音。

作为优选，所述的硬件系统还包括阻燃隔热耐腐蚀陶瓷化外壳，保护硬件系统的其它部件防止损坏。

作为优选，所述的无线信号传输装置包括NB-IoT模块和电容器。 NB-IoT模块自身具备低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势。电容器用于在NB-IoT模块需要较大的电流时，可以提供一个电流稳定性。

作为优选，所述的信号报警根据电阻监测装置监测到的电阻信号大小分为安全信号、警戒信号、临界危险信号和高度危险信号，分别对应显示被探测区域的智能电阻敏感材料的电阻变化率。

所述的安全信号对应显示的被探测区域的智能电阻敏感材料电阻变化率小于100倍；

所述的警戒信号对应显示的被探测区域的智能电阻敏感材料电阻变化率为100～1000倍；

所述的临界危险信号对应显示的被探测区域的智能电阻敏感材料电阻变化率大于1000倍且不大于10000倍；

所述的高度危险信号对应显示的被探测区域的智能电阻敏感材料电阻变化率大于10000倍。

所述的电阻变化率指正常情况下智能电阻敏感材料初始电阻与不同环境状态下检测得到的电阻的比值。

作为优选，一个软件系统接收若干个硬件系统的无线信号，同时模拟实际场景中各被探测区域。

本发明可用于消防救火系统等，不仅可以针对火源处，还可以对火源周边地区进行温度和灾情警报，指导消防救援工作。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：本发明可在材料未燃之前，就能够快速提供一个警戒信号；同时报警的时候可以快速提供高度危险信号，响应时间在2～3s，优于其他传统的火灾报警器；此外所探测的信号与网络APP连接起来，可以在线实时监控和模拟演示，便于人们及时且精准的发现火灾发生所在地域，从而可以做出及时处理，降低火灾造成的损失。

附图说明

图1为实施例的电阻型火灾远程预警/探测传感器系统的硬件系统的结构示意图；

图中：1-装置外壳；2-警报灯；3-信号探测装置；4-木材；5-智能电阻敏感材料；6-声音警报装置；7-GPS定位装置；8-低压安全电池；9-无线信号传输装置；10-电源芯片；11-电阻监测装置。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

本实施例的电阻型火灾远程预警/探测传感器系统包括硬件系统和软件系统。其中，硬件系统有若干个，分别设于实际场景中的被探测区域，结构示意如图1所示。

硬件系统包括装置外壳1、警报灯2、信号探测装置3、声音警报装置 6、GPS定位装置7、低压安全电池8、无线信号传输装置9、电源芯片10 和电阻监测装置11。其中，声音警报装置6、GPS定位装置7、低压安全电池8、无线信号传输装置9、电源芯片10和电阻监测装置11均设于装置外壳1内。

装置外壳1为阻燃隔热耐腐蚀陶瓷化外壳，呈长方体型。

警报灯2设于装置外壳1外顶部，当环境温度升高时，警报灯2发出红色闪烁灯光信号。

信号探测装置3设于装置外壳1外侧面，包括木材4和智能电阻敏感材料5。智能电阻敏感材料5喷涂于木材4表面，用于探测所在地域的环境温度。智能电阻敏感材料5为含巯基硅烷分子改性的氧化石墨烯涂层，制备方法是：配制5mg/mL的氧化石墨烯水溶液，搅拌使其分散均匀，取 24mL，向其中加入一定含量末端带有巯基的硅烷偶联剂(KH580)，磁性搅拌1小时，将混合液置于真空下排气泡，最后制得喷涂溶液，喷涂至木材4表面。按上述方法分别制备得到两种智能电阻敏感材料5。

第一种智能电阻敏感材料5，含巯基硅烷分子改性的氧化石墨烯涂层中，末端带有巯基的硅烷偶联剂(KH580)含量为5.88wt％。

被探测区域环境温度为低温(150～250℃)时，在20s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率小于100倍，软件中的报警灯呈绿色，在20～45s 内智能电阻敏感材料5的电阻变化率为100～1000倍，软件中的报警灯呈黄色，在45～80s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率为1000～10000倍，软件中的报警灯呈紫色，在80～110s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率大于10000倍，软件中的报警灯呈红色。

被探测区域环境温度为高温(250～450℃)时，在2s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率小于100倍，软件中的报警灯呈绿色，在2～5s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率为100～1000倍，软件中的报警灯呈黄色，在5～7s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率为1000～10000倍，软件中的报警灯呈紫色，在7～10s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率大于10000倍，软件中的报警灯呈红色。

被探测区域为火焰时，在2s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率大于10000倍，软件中的报警灯呈红色。

第二种智能电阻敏感材料5，含巯基硅烷分子改性的氧化石墨烯涂层中，末端带有巯基的硅烷偶联剂(KH580)含量为17.01wt％。

被探测区域环境温度为低温(150～250℃)时，在15s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率小于100倍，软件中的报警灯呈绿色，在15～30s 内智能电阻敏感材料5的电阻变化率为100～1000倍，软件中的报警灯呈黄色，在30～55s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率为1000～10000倍，软件中的报警灯呈紫色，在55～70s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率大于10000倍，软件中的报警灯呈红色。

被探测区域环境温度为高温(250～450℃)时，在1s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率小于100倍，软件中的报警灯呈绿色，在1～2s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率为100～1000倍，软件中的报警灯呈黄色，在2～4s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率为1000-10000倍，软件中的报警灯呈紫色，在4～6s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率大于10000倍，软件中的报警灯呈红色。

被探测区域为火焰时，在1s内智能电阻敏感材料5的电阻变化率大于10000倍，软件中的报警灯呈红色。

软件中的报警灯危险承兑与电阻间关系：

绿色灯：电阻变化率小于100倍内，为安全状态，电源处于切断状态；

黄色灯：电阻变化率100～1000倍范围内，为警戒状态，电源开通，实时监控电阻变化，安排人员现场处理；

紫色灯：电阻变化率1000～10000倍范围内，为临界危险状态，需及时处理；

红色灯：电阻变化率大于10000倍，为高度危险状态，及时发出撤离信号。

声音警报装置6为一个小型蜂鸣器，用于在火灾发生时发出警报声音来提醒人们知道火灾已经发生。

GPS定位装置7用于定位实际场景中被探测区域的三维坐标，将定位信号传递给无线信号传输装置9。

低压安全电池8作为电源，电源芯片10为29302电源ic，用于电源的脉宽控制集成，可调整输出5～16V电压，控制电源的输出电压、输出电流稳定。

无线信号传输装置9包括NB-IoT模块和电容器。NB-IoT模块自身具备低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势。电容器用于在NB-IoT模块需要较大的电流时，可以提供一个电流稳定性。

智能电阻敏感材料5、木材4、电阻监测装置11、无线信号传输装置 9、GPS定位装置7、警报灯2、声音警报装置6、低压安全电池8和电源芯片10串联连接形成回路。

电阻监测装置11监测电阻信号并传递给无线信号传输装置9。

软件系统包括无线信号接收系统、目标场景模拟系统和信号实时监控系统。

无线信号接收系统接收无线信号传输装置9发出的包含有电阻信号和定位信号的无线信号。

信号实时监控系统根据无线信号系统接收的无线信号，在目标场景模拟系统模拟的场景中相应区域进行信号报警。信号报警根据电阻监测装置监测到的电阻信号大小分为安全信号、警戒信号、临界危险信号和高度危险信号，分别对应显示被探测区域的智能电阻敏感材料的电阻变化率。

目标场景模拟系统可模拟汽车、建筑物和森林三个维度的场景，用于当信号探测装置3的智能电阻敏感材料5探测到所在地域的环境温度发生异常后，可以通过GPS定位装置7定位发生异常的所在地域，并通过无线信号传输装置9迅速传输无线信号至无线信号接收系统，在目标场景模拟系统中演示出发生异常的所在地域。

例如，目标场景模拟系统模拟住宅高楼，在电脑上可以虚拟演示出一个三维的住宅高楼，该住宅高楼的每个楼层的每个房间都可用一个小型方格灯光来表示，每一个小型方格灯光都有红、紫、黄、绿四种颜色变化，代表着不同的预警信号，某个楼层的某个房间的信号探测装置3的智能电阻敏感材料5探测到环境温度后，通过所述GPS定位装置7定位到该楼层的这个房间，并通过无线信号传输装置9迅速传输无线信号至信号无线接收系统，当该房间环境温度为正常时，对应着绿灯安全信号，当该房间环境温度升高至对应显示的被探测区域的智能电阻敏感材料电阻变化率 100-1000倍范围内，对应着黄灯警戒信号，当该房间环境温度升高至对应显示的被探测区域的智能电阻敏感材料电阻变化率1000-10000倍范围内，对应着紫灯临界危险信号，当该房间环境温度升高至对应显示的被探测区域的智能电阻敏感材料电阻变化率大于10000倍，对应着红灯高度危险信号。

本实施例的电阻型火灾远程预警/探测传感器系统的工作原理在于，实际场景中被探测区域的环境温度升高时，智能电阻敏感材料5改性氧化石墨烯会被还原为导电的石墨烯，电路导通，电阻监测装置11监测电阻信号，警报灯2和声音警报装置6发出警报，GPS定位装置7得到定位信号，无线信号传输装置9及时传输包含有电阻信号和定位信号的无线信号给无线信号接收系统，信号实时监控系统根据无线信号系统接收的无线信号，在目标场景模拟系统模拟的场景中相应区域进行信号报警。

而且，改性氧化石墨烯的导电能力会随被探测区域环境温度的变化而变化，由此表观上表现出电阻信号的变化。因此根据电阻信号大小的不同，可在信号实时监控系统中进行不同种类的信号报警。

本发明一方面使得火灾现场人员及时快速采取对应救火措施或者逃离现场，另一方面使得监控人员精准定位火灾现场，迅速做出消防救援指导工作。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种电阻型火灾远程预警/探测传感器系统，包括硬件系统和软件系统，其特征在于，所述的硬件系统包括智能电阻敏感材料、电阻监测装置、无线信号传输装置、GPS定位装置、警报装置和电源，所述的软件系统包括无线信号接收系统、目标场景模拟系统和信号实时监控系统；

所述的智能电阻敏感材料、电阻监测装置、无线信号传输装置、GPS定位装置、警报装置和电源串联连接形成回路，设于实际场景中；

所述的智能电阻敏感材料为含巯基硅烷分子改性的氧化石墨烯涂层；

所述的电阻监测装置将监测到的电阻信号传递给无线信号传输装置；

所述的GPS定位装置定位实际场景中被探测区域的三维坐标；

所述的无线信号接收系统接收无线信号传输装置发出的包含有电阻信号和定位信号的无线信号；

所述的信号实时监控系统根据无线信号系统接收的无线信号，在目标场景模拟系统模拟的场景中相应区域进行信号报警。

2.根据权利要求1所述的电阻型火灾远程预警/探测传感器系统，其特征在于，所述的硬件系统还包括电源芯片，控制电源的输出电压、输出电流稳定。

3.根据权利要求1所述的电阻型火灾远程预警/探测传感器系统，其特征在于，所述的警报装置包括声音警报装置和警报灯。

4.根据权利要求1所述的电阻型火灾远程预警/探测传感器系统，其特征在于，所述的硬件系统还包括阻燃隔热耐腐蚀陶瓷化外壳。

5.根据权利要求1所述的电阻型火灾远程预警/探测传感器系统，其特征在于，所述的无线信号传输装置包括NB-IoT模块和电容器。

6.根据权利要求1所述的电阻型火灾远程预警/探测传感器系统，其特征在于，所述的信号报警根据电阻监测装置监测到的信号大小分为安全信号、警戒信号、临界危险信号和高度危险信号，分别对应显示被探测区域的智能电阻敏感材料的电阻变化率。

7.根据权利要求6所述的电阻型火灾远程预警/探测传感器系统，其特征在于，所述的安全信号对应显示的被探测区域的智能电阻敏感材料电阻变化率小于100倍；

所述的警戒信号对应显示的被探测区域的智能电阻敏感材料电阻变化率为100～1000倍；

所述的临界危险信号对应显示的被探测区域的智能电阻敏感材料电阻变化率大于1000倍且不大于10000倍；

所述的高度危险信号对应显示的被探测区域的智能电阻敏感材料电阻变化率大于10000倍。

8.根据权利要求1～7任一权利要求所述的电阻型火灾远程预警/探测传感器系统，其特征在于，一个软件系统接收若干个硬件系统的无线信号，同时模拟实际场景中各被探测区域。