厨房火灾监测防护系统设计

　　根据智能家居智能化、模块化、安全化的发展要求，提出了一种智能家居厨房火灾监测防护系统，包括设计方案背景、系统总体设计、系统硬件设计、系统软件设计。实施安装非常的方便，并且做到了从硬件设备到终端设备一体化，体现了现代智能家居设计的理念和思想。达到了可以实时监控家中的火灾发生的目的。

　　引言

　　随着城市的居民住宅频频崛起，人们不但要求住宅的舒适和宽敞，而且更加注重自己住宅的安全系数。家庭不再是一个孤立的场所，而是一个能与外界社会进行信息交流的单元。因此，建立一个具有快速有效的家居安防火系统具有十分重要的意义。

　　随着我国国民经济和人民生活水平的不断提高，家庭生活中所广泛使用的煤气、液化气以及各种家用电器设备等，都给小区居民的生命安全和财产安全带来了很多危险因素。因此本设计利用智能家居网关通过各种传感器来监测火灾特征如烟雾、热量火焰等，判断厨房是否发生火灾或者煤气泄漏，并做出相应的防护措施，以到达实时监测厨房状态并即时消除安全隐患安全的作用，在最易发生安全事故的厨房搭起一道安全防线[1]。

　　1 系统总体设计

　　系统总体设计框架图如图1所示。系统包括传感器节点(烟雾传感器、CO传感器、CH4传感器以及火焰传感器)、6LowPAN、家庭网关、以及控制部分(排气扇、水电气三表，门磁，窗磁)。

图1 系统总体设计框架图

　　各传感器节点把接收到的实时数据通过6LowPAN网络传输给网关，再由网关把所接收到的数据解析后再装发给手持终端，并控制家里的语音报警器、排气扇;水、电、气闸，门磁和窗磁。

　　2.系统硬件设计

　　2.1 传感器节点

　　⑴CO传感器模块

　　这里选择的是MQ-7气体传感器模块。 MQ-7气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。采用高低温循环检测方式低温(1.5V加热)检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温(5.0V加热)清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号[2]。原理图如图2所示。

图2 MQ-7气体传感器模块原理图

　　⑵烟雾、CH4传感器模块

　　这里选择的是常用的传感器模块。具有信号输出指示;双路信号输出(模拟量输出及TTL电平输出);TTL输出有效信号为低电平。(当输出低电平时信号灯亮，可直接单片机);模拟量输出0-5V电压，浓度越高电压越高;对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度;具有长期的使用寿命和可靠的稳定性;快速的响应恢复特性[3]。原理图如图3所示。

图3 烟雾、CH4传感器模块原理图

　　⑶火焰传感器模块

　　火焰传感器可以检测火焰或者波长在760纳米～1100纳米范围内的光源，打火机测试火焰距离为80cm;对火焰越大，测试距离越远;探测角度60度左右，对火焰光谱特别灵敏;灵敏度可调(图中蓝色数字电位器调节);比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA;配可调精密电位器调节灵敏度;工作电压3.3V-5V;输出形式：数字开关量输出(0和1);设有固定螺栓孔，方便安装;使用宽电压LM393比较器[3]。原理图如图4所示。

图4 火焰传感器模块原理图

　　(4) 语音报警器

　　由于语音报警系统的有效性，所有那些生命安全取决于是否有预设疏散方案的建筑物内部都应安装语音报警系统。该系统能覆盖大多数占用范围，包括那些传统报警器(如警铃或电子发声器) 的场所都可采用。语音报警器的作用是当遇到异常情况时进行语音报警[4]。选择TH040型智能语音芯片作为智能语音报警器的智能语音芯片。TH040型智能语音芯片是具有40秒语音烧录功能的高质量智能语音芯片，支持PWM这种高质量、高速率的语音输出方式，而且有8个输入/输出脚位可供选择。需要录入的语音信号可以存入永久的存储单元，并且提供零功率信息存储，这个主要是借助于直接模拟存储技术来实现的[5]。语音报警器工作原理图如图5示。

图5 语音报警器工作原理图

　　2.2 传感器的安装

　　传感器节点设计主要考虑的是传感器节点的安放的设计。甲烷传感器、烟雾传感器安放在天花板上方，它们密度比空气小，泄露的时候会往上走，气体传感器安装在天花板上容易采集，而且精确度高。对于火焰传感器，起火源主要来自厨房的煤气，所以火焰传感会安装在厨房靠煤气墙壁上方合适的位置。对于火焰传感器做如图6的包装设计，即将火焰传感器放在一个黑色塑料卷成的锥形罩子内，这样火焰传感器就可以只检测到如图6所示的圆锥体空间内的火焰情况。若将如图6处理的火焰传感器安装在墙壁两侧，如图7所示，这样就可以将整个厨房划分成若干个椎体区域。根据单个传感器判断是否有火焰，并结合相邻的传感器的检测情况，便可以判断出火焰的稳定性及蔓延情况，从排除厨房正常用火的情况，防止误判。而且还可以协助灭火水枪进行定点灭火，减少消防水对厨房的冲击破坏。

图6 单个火焰传感器检测示意图

图7 厨房传感器的安装示意图

　　3.系统软件设计

　　整个系统实时监测家居里的煤气浓度、空气质量以及火灾情况。

　　当有煤气泄露的可能性的时，通过安装的传感器可以检测到室内煤气浓度是否达到危险范围，若达到危险浓度时，会判断出煤气已泄露存在危险，及时向网关发送命令控制煤气总闸并开启排气扇直到室内浓度达到安全值，关闭排气扇，如此循环下去。

　　当室内空气质量很差且持续的时，说明室内空气质量不适合居住，及时发送命令给网关关闭总闸并开启排气扇，直到室内空气的质量恢复正常后关闭排气扇，如此循环下去。

　　当有火灾发生可能性的时，及时通过网关向物业或者主人发送短信提示，并语音报警。通过网关关闭煤气总闸，并开启喷水闸，如果或脱离危险范围就会执行关闭喷水闸并开启排气闸的命令。如此循环下去。系统软件流程图如图8所示。

图8 系统软件流程图

　　4.总结

　　家居安全应该受到足够的重视，因为这关系到财产和人身安全。为此设计了厨房火灾检测防护系统，该系统可以实时监控家里的煤气浓度、空气质量以及火灾的情况，有异常情况发生时，系统会及时采取相应的措施去避免和缓解事故的发生。有很好的创新性和实用性，适合大力推广。