一种复合式无线楼宇火灾报警装置

摘要

本发明涉及一种复合式无线楼宇火灾报警装置，包括主控制器单元，以及分别与主控制器单元连接的CO浓度监测单元，烟雾浓度监测单元，环境温度监测单元、声光预警和报警单元以及状态指示单元。本发明将无线传感网络物联网技术与火灾信号智能探测和处理技术相结合，采用Zigbee无线自组网方式接入楼宇火灾报警系统网络无需人工配置，采用多个传感单元集感温、感烟和感气式为一体，能采集温度、烟雾浓度、一氧化碳气体浓度（CO）三种信号，经感知器神经网络建模分析后，对是否发生火灾进行综合判断，有效提高火灾报警的及时性和可靠性，降低系统误报和漏报率，提高系统稳定性，且具有安装容易、快捷、便宜、无需布线，对功能变化适应性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种火灾报警装置，尤其是涉及一种复合式无线楼宇火灾报警装置。

背景技术

火灾是一种发生频率较高的灾害，经常造成巨大的人员伤亡和财产损失。近年来，随着智能楼宇技术应用的迅速发展，商业市场对火灾报警系统的需求不断增长，而目前主要使用的基于有线方式的智能型总线制分布式计算机系统的火灾报警系统，虽然在系统安装方面比过去大大方便，但仍然存在施工周期长、投资额高、维护保养困难、漏报、误报率高等问题，有线系统的其安装成本约占设备总成本的33％～70％。因此现有的基于有线的火灾报警监控系统已经不能满足现代智能楼宇建设的需要。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的安装成本高、维护保养困难、误报、漏报率高等的技术问题；提供了一种能克服由于火灾探测信号的复杂性、多变性和不确定性以及现有火灾报警装置存在的一些缺陷所导致的误报和漏报现象，有效提高火灾报警的及时性和可靠性，降低系统误报和漏报率，提高系统稳定性，且具有安装容易、快捷、便宜、无需布线、对建筑物表面破坏性最小、对功能变化适应性强的一种复合式无线楼宇火灾报警装置。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种复合式无线楼宇火灾报警装置，其特征在于，包括主控制器单元，以及分别与主控制器单元连接的CO浓度监测单元，烟雾浓度监测单元，环境温度监测单元、声光预警和报警单元以及状态指示单元。

本发明创造型的将无线传感网络物联网技术与火灾信号智能探测和处理技术相结合，采用Zigbee无线自组网方式接入楼宇火灾报警系统网络无需人工配置，采用多个传感单元集感温、感烟和感气式为一体，能采集温度、烟雾浓度、一氧化碳气体浓度（CO）三种信号，经感知器神经网络建模分析后，对是否发生火灾进行综合判断，具有火灾预警、报警以及火灾信号数据的上传功能。

在上述的一种复合式无线楼宇火灾报警装置，所述主控制器单元包括中央控制器电路、电源电压稳压电路、复位电路、编程下载及调试电路以及PCB板级天线电路；所述电源电压稳压电路的电源输入端的9V端口与一个9V电池相连；所述电源电压稳压电路的9V输出端与上述烟雾浓度监测单元9V电源端相连；所述电源电压稳压电路5V输出端与上述CO浓度监测单元的5V电源端相连；所述电源电压稳压电路3.3V电源输出端还与上述环境温度监测单元、声光预警和报警单元以及状态指示单元的3.3V电源输入端相连；所述电源电压稳压电路1.8V的输出端与中央控制器电路的1.8V电源输入端相连；所述中央控制器电路的复位端口与上述复位电路的输入端口相连；所述中央控制器电路的JTAG端口与编程下载及调试电路的相应接口相连。

在上述的一种复合式无线楼宇火灾报警装置，所述CO浓度监测单元包括CO传感单元，数据采集控制电路以及信号输出接口；所述CO传感单元采用一氧化碳浓度芯片；数据采集控制电路一端与上述的主控制器单元电路的控制接口相连，数据采集控制电路另一端与一氧化碳浓度芯片相连，信号输出接口输出CO浓度模拟信号，与上述的主控制器单元电路的A/D转换接口的CO接口相连。

在上述的一种复合式无线楼宇火灾报警装置，所述烟雾浓度监测单元包括烟雾传感单元、数据采集控制电路，差动放大电路及信号输出接口；所述烟雾传感单元参用离子感烟探测器，数据采集控制电路一端与上述的主控制器单元电路的控制接口相连另一端与相连差动放大电路相连，GAS口输出烟雾浓度模拟信号，与上述的主控制器单元电路的A/D转换接口的GAS接口相连。

在上述的一种复合式无线楼宇火灾报警装置，所述环境温度监测单元包括温度传感单元和信号输出接口；所述温度传感单元采用温度芯片，TEP口输出串行数字温度信息，与上述的主控制器单元电路的TEP接口相连。

在上述的一种复合式无线楼宇火灾报警装置，所述声光预警和报警单元包括蜂鸣器、发光二极管以及信号输入接口；所述蜂鸣器采用有源压电贴片式蜂鸣器，该单元的声音报警信号输入接口BELL口接收声音报警控制信号，该单元的光电报警信号输入接口ALARM口接收光电控制信号，分别与上述的主控制器单元电路的BELL口和ALARM口相连。

在上述的一种复合式无线楼宇火灾报警装置，所述状态指示单元包括发光二极管灯组、排阻以及信号输入端口，所述发光二极管采用低电平点亮方式，所述输入端口与上述的主控制器单元电路的相应输出端口相连。

因此，本发明具有如下优点：能克服由于火灾探测信号的复杂性、多变性和不确定性以及现有火灾报警装置存在的一些缺陷所导致的误报和漏报现象，有效提高火灾报警的及时性和可靠性，降低系统误报和漏报率，提高系统稳定性，且具有安装容易、快捷、便宜、无需布线、对建筑物表面破坏性最小、对功能变化适应性强。

附图说明

图1是本发明装置各单元间的线路连接框图；

图2a是本发明中主控制器单元电路中的中央控制器电路的原理图；

图2b是本发明中主控制器单元电路中的复位电路的原理图。

图2c是本发明中主控制器单元电路中的电源电压稳压电路的原理图。

图2d是本发明中主控制器单元电路中的编程下载及调试电路的原理图。

图3是本发明中CO浓度监测单元电路的原理图。

图4是本发明中烟雾浓度监测单元电路的原理图。

图5是本发明中环境温度监测单元电路的原理图。 

图6是本发明中声光预警和报警单元电路的原理图。

图7是本发明中状态指示单元电路的原理图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

参见图1，本发明中的基于Zigbee技术的复合式无线楼宇火灾报警装置主要包括：主控制器单元，CO浓度监测单元，烟雾浓度监测单元，环境温度监测单元、声光预警和报警单元以及状态指示单元。

图2中主控制器单元电路主要由中央控制器电路、电源电压稳压电路、复位电路、编程下载及调试电路以及PCB板级天线电路组成；电源电压稳压电路1.8V的输出端与中央控制器电路的1.8V电源输入端相连，3.3V电源输出端与中央控制器电路的3.3V电源输入端、复位电路以及编程下载及调试电路的电源输入端相连，3.3V电源输出端还与环境温度监测单元、声光预警和报警单元以及状态指示单元的3.3V电源输入端相连，电源输入端的9V端口与一个9V电池相连，9V输出端与烟雾浓度监测单元9V电源端相连，电源电压稳压电路5V输出端与CO浓度监测单元的5V电源端相连，中央控制器电路的复位端口与复位电路的输入端口相连，中央控制器电路的JTAG端口与编程下载及调试电路的相应接口相连。

图2中，X1为32M晶体振荡器经C3和C4与地相连后构成桥式晶振电路，与CC2430芯片外部时钟信号引脚（XOSC_Q1，XOSC_Q2）相连为芯片提供外部系统时钟信号。X2为32.768K晶体振荡器经C5和C6与地相连构成桥式晶振电路，与CC2430芯片备选时钟信号引脚（P2_3,P2_4）相连为芯片提供低功耗工作态下外部时钟信号。S1为手动复位按钮，与周边的R1、C1、C2、R2元件一起构成系统复位电路，通过R2与CC2430芯片的复位引脚相连，为芯片提供系统复位信号。手动复位时，按下S1键，低电平信号通过R2传送给芯片复位引脚，系统复位，释放S1键，高电平信号通过R1和R2传送给芯片复位引脚，系统开始正常工作。系统上电时，C1、C2在上电瞬间处于短路状态，低电平信号通过R2传送给芯片复位引脚，系统自动复位，零点几秒后C1、C2充电完成高电平信号通过R2传送给芯片复位引脚，系统开始正常工作。C7、C8并联构成电源去耦电路，一端与地相连，另一端与CC2430芯片3.3V电源信号引脚（DVDD、 AVDD_SOC和AVDD_DREG）相连。CC2430芯片3.3V模拟电源引脚（AVDD_RREG）通过C12与地相连。C9、C10、并联构成1.8V电源去耦电路，一端与地相连，另一端与CC2430芯片1.8V电源信号相关引脚相连。CC2430芯片1.8V数字电源去耦引脚（DCOUPL）通过C19与地相连。CC2430芯片1.8V电源调制输出引脚（RREG_OUT）通过C13与地相连。CC2430芯片1.8V模拟电源引脚（AVDD_IF1）与1.8V电源信号（VCC1.8V）相连并通过C11与地相连。CC2430芯片外部阻抗引脚（RBIAS2）通过R4与地相连。CC2430芯片外部偏置阻抗引脚（RBIAS1）通过R3与地相连。J1用户提供编程下载接口，与CC2430芯片的JTAG接口相应引脚相连。U2、U3、U4、J2与周边电路共同构成电源电路为系统提供直流电源。其中J2为9V电池电源接口，提供9V直流电源信号（VCC9V）。9V直流电源正极与直流电源稳压芯片U3（LM7805）输入端相连，U3输出直流5V电源信号（VCC5V）。C24和C25为电源输入端滤波电容，并接在9V直流电源和地之间，C26和C27为5V电源输出端滤波电容，并接在5V直流电源输出端和地之间。5V直流电源输出端与直流电源稳压芯片U4（LM7803）输入端相连，U4输出直流3.3V电源信号（VCC3.3V），3.3V直流电源输出端与直流电源稳压芯片U2输入端相连，U2输出直流1.8V电源信号（VCC1.8V）。C15和C16为3.3V电源输入端滤波电容，并接在3.3V直流电源和地之间，C17和C18为电源输出端滤波电容，并接在1.8V直流电源和地之间。L1、L2和折叠偶极子PCB天线构成PCB板级天线电路。折叠偶极子PCB天线两端分别与CC2430芯片RF信号引脚（RF_N）和（RF_P）相连，L1并接在RF信号引脚两端。折叠偶极子PCB天线中间抽头通过L2与CC2430芯片无线发射/接收引脚（TXRX_SWITCH）相连。

图3中，CO浓度监测单元电路主要由CO传感单元，数据采集控制电路，信号输出接口组成；CO传感单元采用MQ-7一氧化碳浓度芯片，数据采集控制电路一端与上述的主控制器单元电路的控制接口相连另一端与MQ-7相连，CO口输出CO浓度模拟信号，与上述的主控制器单元电路A/D转换接口CO口相连。其中MQ-7芯片的1,2,3号引脚接图2中电源电压稳压电路的5V电源信号输出端。R6一端接图2中电源电压稳压电路的5V电源信号输出端，一端与三极管Q1集电极串联， Q1射极接地，构成数据采集控制电路，Q1基极通过R5与与图2中主控制器单元的控制输出接口CO_Ctrl口相连，MQ-7芯片的5,6号引脚分别通过R7和R8与Q1的集电极相连，MQ-7芯片的4号引脚接CO浓度输出口CO口并与图2中主控制器单元的A/D转换接口CO口相连。当主控制器单元需要采集CO浓度数据时， 其控制输出口CO_Ctrl口输出高电平Q1三级管导通接地，MQ-7芯片上电工作，CO浓度输出口CO口输出CO浓度模拟信息， 并通过主控制器单元的A/D转换接口CO口发送给主控制器芯片CC2430，当主控制器单元不采集CO浓度数据时，CO_Ctrl口输出低电平Q1三级管截止，MQ-7芯片不工作，无功率损耗。采用该电路能有效降低功耗，延长本发明装置的电池使用寿命。

图4中，烟雾浓度监测单元电路主要由烟雾传感单元、数据采集控制电路，差动放大电路及信号输出接口组成；烟雾传感单元参用NIS-07离子感烟探测器，数据采集控制电路一端与上述的主控制器单元电路的控制接口相连另一端与相连差动放大电路相连，GAS口输出烟雾浓度模拟信号，与上述的主控制器单元电路A/D转换接口GAS口相连。其中U5A与U5B分别是U5的两个运算放大器。U5A与R15、R16、R12、R13、R14、Q2和R18共同构成烟雾浓度数据采集的差动放大电路，U5B与R17则共同构成烟雾浓度数据采集的干扰抑制电路。R12、R13、R14与串联接于9V电源信号端和地之间构成电平参考电路，Vref为参考电平输出端与U5的3号引脚（即U5A运放的正向信号输入端）相连，U5的2号引脚（即U5A运放的反向信号输入端）通过R15与U6的3号引脚（即烟雾浓度信号输出端）相连，R16分别与U5的2号引脚与1号引脚（即U5A运放的放大输出端）相连。Q2漏极接地, Q2栅极通过R18与图2中主控制器单元的控制输出接口GAS_Ctrl口相连构成数据采集控制电路。当主控制器单元需要采集烟雾浓度数据时,其控制输出口GAS_Ctrl口输出低电平Q2管导通接地，Vref输出电平参考电压，U5A输出烟雾浓度信号与电平参考电压的差动信号，并通过主控制器单元的A/D转换接口GAS口发送给主控制器芯片CC2430，当主控制器单元不采集烟雾浓度数据时，GAS_Ctrl口输出高电平Q2管截止。可调变阻器R14用于校准参考电压，当无烟雾时，调整R14使U5A运放的放大输出端输出0V。U5的6号引脚（即U5B运放的反向信号输入端）通过电阻R17与U6的3号引脚相连，U5的5号引脚（即U5B运放的正向信号输入端）、7号引脚（即U5B运放的放大输出端）相连，并分别与U6的外壳相连，用于抑制U6信号输出的漏电流。U6的1号引脚接9V电源信号端，2号引脚接地。

图5中，环境温度监测单元电路主要由温度传感单元和信号输出接口组成；温度传感单元采用

DS18B20温度芯片，TEP口输出串行数字温度信息，与上述的主控制器单元电路TEP接口相连。其中DS18B20芯片的1号引脚接地，2号引脚接图2中主控制器单元的TEP口，3号引脚接图2中电源电压稳压电路的3.3V电源信号输出端，R4电阻两端分别接3.3V电源信号端和DS18B20芯片的3号引脚。主控制器单元通过TEP口采集环境温度数据。

图6中，声光预警和报警单元电路主要由蜂鸣器、发光二极管以及信号输入接口组成；采用有源压电贴片式蜂鸣器HCS0903C，BELL口接收声音报警控制信号，ALARM口接收光电控制信号，分别与上述的主控制器单元电路BELL口和ALARM口相连。3.3V电源输出端通过电阻R9接PNP8550 (Q3)的发射极（E极），Q3的集电极（C极）接蜂鸣器HCS0903C到地，在蜂鸣器上并联一个反向的整流二极管1N4007（D7），用于反向峰值保护，Q3基极（B极）通过电阻R10与主控制器单元电路的BELL控制口相连。BELL端口是控制信号，Q3相当于一个电子开关，用来控制蜂鸣器的供电通断。当BELL口输出低电平时，Q3饱和导通，蜂鸣器获电工作发出鸣响实现火情的报警，当BELL输出高电平时Q3截止蜂鸣器失电，停止工作。3.3V电源输出端通过发光二极管D6和电阻R11与主控制器单元电路的ALARM控制口相连。ALARM端口是控制信号，当ALARM口输出低电平时，D6点亮；当ALARM口输出高电平时，D6熄灭。通过控制ALARM口的电平变化的速率可实现D6长亮、快速闪烁、慢闪烁、熄灭四种状态来分别指示火情预警和报警状态。

图7中，状态指示单元电路主要由发光二极管灯组（五个发光二极管D1-D5）、排阻Rp以及信号输入端口组成：为降低电源功率损耗，发光二极管采用低电平点亮方式，各信号输入端口与上述的主控制器单元电路的相应输出端口相连。各发光二极管（D1-D5）的阴极通过端口分别与主控制器单元的LED_TEP、LED_CO、LED_GAS、LED_Power、LED_SYS接口相连，各发光二极管（D1-D5）的阳极则通过排阻Rp与主控制器单元的电源电压稳压电路的3.3V电源信号端相连。发光二极管D1用于指示环境温度监测单元状态，D2用于指示CO浓度监测单元状态，D3用于指示单元烟雾浓度监测单元状态，D4用于指示系统电池欠压状态，D5用于指示系统启动状态。

 工作时，该装置采用Zigbee无线自组网方式接入楼宇火灾报警系统网络，无需人工配置，该装置的主控制器单元实时采集来自CO浓度监测单元、烟雾浓度监测单元、温度监测单元的火灾信号数据,对原始数据进行预处理和归一化，通过内部固化的火灾智能检测算法对有无火灾进行判断，并根据判断结果驱动声光预警和报警单元；检测各监测单元工作状态根据结果驱动状态指示单元；通过Zigbee无线网络与上层网络节点实现双向通信，接收来自上层网络节点的指令，定时将采集的火灾信号数据发送到上层网络节点，实时将火灾状态信息（如无火灾、火灾预警、火灾报警）发送给上层网络节点。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。