专利名称：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. 8Mffl，通道B的工作波段为4. OMm。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. 7Mffl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. 3Mm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. SMffl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. OMffl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. OMffl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系统 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°C。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. SMffl，通道B的工作波段为4. OMffl ；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. 7Mffl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. 3Mm上的阳光辐射绝大部分被空气中(X)2吸收；通道A工作在 4. 3-4. SMffl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. OMffl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. OMffl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；55)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Τ3 ；根据Τ1、Τ2和Τ3 的综合分析设定判断火灾的三个条件I温度Tl大于60°C ；II温升速率T2大于20°C /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Cl、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，系统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。
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系统结构框图。
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系统，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Tl大于60°C;II .温升速率 T2大于20°C /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Cl、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 ΤΓ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)系统设置点击“系统设置”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。
权利要求
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系统由 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°C ；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. SMffl,通道B的工作波段 为4. OMffl ；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. 7Mffl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. 3Mm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. SMm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. OMffl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. OMffl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Tl、T2和T3 ；根据Tl、T2和T3的综合分析设定判断火灾的三个条件 I温度Tl大于60°C ；II温升速率T2大于20°C /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，系统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。
全文摘要
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系统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。
文档编号G08B17/12GK102034329SQ20101061059
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者刘燕燕, 张永怀, 杨帮华, 董峥, 郑晓明 申请人:上海大学