基于模糊神经网络的火灾报警系统的设计.docx
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基于模糊神经网络的火灾报警系统的设计
基于模糊神经网络的火灾报警系统的设计
1.概述
随着经济建设和城市的迅速发展，工业与民用建筑日趋增多，为了保护人民财产和生命的安全，消防监控已经成为现代楼宇设计中不可缺少的组成部分。
任何燃烧或火灾，在其初始发展阶段，都将伴随烟雾、热量和火焰的产生，烟、热、光是物质燃烧的三大特征。
火灾早期预报的重要手段，就是通过安装在现场的各类火灾探测器对火灾产生的烟、热、光等参量做出有效的响应，即应用相应的敏感元件，将表征火灾参数的物理量转化为电信号，通过电子线路将其放大、变换、传输、处理，发出报警信号，并以特定的音箱和闪光报警信号引起人们的警觉，呼唤工作人员采取必要的灭火措施，有效地制止火灾的发生。
目前使用的火灾报警探测器多数采取单传感器对火灾的某一特性进行监测（如气体温度、烟雾浓度等）,系统灵敏度完全依赖传感器的灵敏度。
实际应用中经常会因为受到环境的干扰而采集到错误信息,这就导致了漏检、误报情况的出现。
基于模糊神经网络的火灾报警系统充分利用模糊系统推理能力强和神经网络学习适应能力强的优点,提高传感器的灵敏度和整个系统的韧性,大大降低火灾的漏报率和误报率,提高了火灾报警系统的可信度和可靠度。
火灾监控系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。
也可以根据工程的要求与各种灭火设施和通信装置联动，形成中心控制系统，由火灾自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。
2.系统总体设计
（1）基于模糊神经网络的火灾探测原理
图1信号处理示意图
对从现场采集的信号进行处理,如图1所示。
系统从环境状态中提取反映火灾的关键参数烟雾浓度信号s、温度信号t、气体信号g,并经过预处理得到参数：
烟雾浓度变化信号
、温度变化信号
、气体变化信号
。
由于参数数目多,考虑对6个信号归一化后进行信号融合处理,具体处理如下：
S=a*s+（1-a）*
；T=b*t+（1-b）*
；G=c*g+（1-c）*
。
a、b、c均为0到1之间的数,具体的值可以根据专家经验,在不同的情况进行调整。
基于模糊神经网络的火灾探测结构如图2所示,训练模型和预报模型均采用神经网络,训练模型将由训练样本得到的神经网络连接弧权值赋予火灾预报模型。
火灾预报模型对融合得到的S、T、G信号进行处理：
根据规则进行学习,通过调整权值、阈值,使得网络实际输出与期望输出误差均方值最小。
神经网络的输出再经过模糊推理系统,给出火灾报警结果。
图2基于模糊神经网络的火灾探测结构图
（2）神经网络信号的处理及确定
神经网络有很强的环境适应性、学习能力、容错能力和并行处理能力。
通过调整系统赋予各种传感器不同的权重系数,可以提高系统的适应能力,降低误报警率。
本设计中采用3层BP神经网络。
3输入分别为处理后的烟雾、温度、气体信号；3输出分别为无火、明火、阴燃火的概率。
网络的隐层神经元个数至关重要，如果过少,网络不能具有必要的学习能力和信息处理能力；如果过多,不仅仅加大了网络结构的复杂性,在学习过程中还容易陷入极小点,使得学习速度变慢。
根据kolmogorov定理隐层神经元个数可选择为2n+1,n指的是输入层的因子个数,那么隐层就应该采用7个神经元。
神经网络结构如图3。
图3神经网络的结构
通过上面的叙述可知，消防火灾自动报警控制系统主要应具有以下的功能：
1）火灾自动检测报警功能。
当接收到火灾探测器送来的火灾报警信号后，应立即由监控状态转为报警状态，发出报警信号；火灾指示灯闪亮，音箱装置发出火警信号，显示屏显示报警房间号，并记录报警时间，如有必要还应打印报警信息。
2）短线故障自动报警功能。
当探测器到报警器之间的连线短路或断路时，应发出相应的报警信号。
3）自检功能。
为保证每个探测器及报警控制器单元电路始终处于正常工作状态，报警控制器应设有自检按键，供值班工作人员随时对系统功能进行检查。
4）火警优先功能。
如果系统正处于故障报警状态发生火警信号或二者同时发生，应优先置为火警状态。
5）联动功能。
系统应具有手动、自动方式启动消防灭火设备实施灭火功能。
6）其他。
如过压保护、过流保护、备用电源自动充电、欠压报警等功能。
3.系统硬件电路设计
硬件电路框图如图4所示，在给硬件系统中，主要由核心电源电路、温度检测电路、键盘扩展电路、LCD显示电路、打印机输出电路、声光控制电路、通信接口电路等单元组成。
图4系统电路框图
（1）核心电源电路
综合考虑系统扩展的方便性、系统工作的可靠性、性价比等因素，系统主机新片采用MCS—51系列的8031型芯片，目前在MCS—51型单片机系统中常用作程序存储器的芯片有EPROM型和EEPROM型两种，从性能和价格角度考虑，并结合系统特点，在报警系统中选用EPROM型2764芯片，扩展的数据存储器则选用6264型。
由于系统扩展单元电路较多，为了编制方便，采用74HC138译码器芯片产生片选信号。
P0口的地址锁存采用74HC373锁存器。
图5火警报警系统硬件电路图
从图5可知，程序编程器2764型芯片的地址映像为0000H~1FFFH,数据存储器6264型芯片的地址映像为0000H~1FFFH。
8031型芯片的四个并行口I/O功能分配如下：
P0口：
外接程序存储器和数据存储器地址的低位字节（即地址总线的低8位），并作为数据总线分时对程序存储器、数据存储器、扩展的外设进行读写操作。
P1口：
P1.0脚串行通信的收发控制；P1.1脚用于检测打印机的忙/闲工作状态；P1.2脚则用于报警声音输出；其余管脚悬空。
P2口：
P2.0~P2.4是程序存储器和数据存储器的高位地址线；P2.5~P2.7连接74HC138的输入脚，用于产生片选信号。
P3口：
所有8个管脚均使用其第二功能。
用于ADC0809型芯片的中断请求输入；
与
用于扩展的外设和数据存储器读写选通控制。
（2）温度检测电路
系统对现场火情的检测是采用温感元件实现的。
当现场温度达到设定阈值时，即向8031型芯片申请中断，8031型芯片接受到中断请求信号后，转去处理并触发报警。
检测的核心部件（R31）为温感电阻，本电路选用铂电阻作测温元件，它具有温度系数分散性小、精度高、灵敏度也较高的特点、将检测值通过电路进行信号放大，并送模/数转换器ADC0809转换为数字信号送到8031型芯片。
图6ADC0809转换电路
图6中扩展的ADC0809芯片可以连接8路检测电路，它们的端口地址分别为：
回路号端口地址
00A000H
10A001H
20A002H
30A003H
40A004H
50A005H
60A006H
70A007H
（3）键盘扩展电路
本系统采用8255A扩展键盘，这种方法需要8031型芯片不断的扫描键盘，该键盘由16个按键组成，分别是：
0~9十个数字键、复位键、消音键、查询/打印键、消除键、功能设置键、辅助键等。
图78255A接口电路
系统键盘是通过8255A芯片与8031芯片相连的。
因此，要实现对键盘的管理，必须能够控制8255A芯片。
由图7可知，8255A芯片的端口地址分别为：
端口端口地址
A口4000H
B口4001H
C口4002H
命令口4003H
（4）LCD显示电路
本系统的显示电路可以方便的与8031芯片实现连接。
图8LCD显示电路
从图8可以看出，LCD端口地址如下：
端口端口地址
写命令口8000H
写数据口8100H
读状态口8200H
读数据口8300H
（5）打印机输出电路
在消防火灾控制系统中，需要将系统的运行情况及报警信息打印输出，以便事故追查和信息存档。
本系统可以通过端口地址6000H将需要打印的数据或发送到打印机的命令传给打印机。
图9打印机输出电路
（6）声光控制系统
为了表明报警类别，唤起人们的注意，在发生火情或系统出现异常时分别有响应的声光指示。
（7）通信接口电路
这部分电路主要是为了与上位机联接，以实现更强的控制功能而设置的。
4.系统程序设计
（1）主程序模块
程序的执行从主程序开始。
在这段程序中首先判断系统的启动类型（分上电复位、手动或自动复位），针对不同的情况做出相应的处理。
如果是上电复位，则对内外数据存储器各单元清零，并初始化T0、T1，外部中断0、串行通信。
然后以循环查询方式扫描键盘、处理显示。
如果是手动复位或者是自动复位，则之直接转入MAINLOP处扫描键盘、处理显示。
按照火警优先的原则，外部中断0设定为最高优先级中断，T0用于产生指定频率的波形控制扬声器发出报警信号。
定时器T1以中断方式产生时钟所需的定时信号。
程序流程入图10所示。
图10主程序流程图
TTBZEQU0100H；检测回路标志区
TTBMEQU0200H；检测回路重新编码区
TTBJEQU0300H；当前报警信息区
XXCXEQU1000H；历史报警信息区
IO8255AEQU4000H；8255A芯片的A端口
IO8255BEQU4001H；8255A芯片的B端口
IO8255CEQU4002H；8255A芯片的C端口
IO8255KEQU4003H；8255A芯片的命令口
CW-ADDEQU8000H；LCD的命令字写入口
DW-ADDEQU8100H；LCD的数据字写入口
CR-ADDEQU8200H；LCD的状态字读出口
DR-ADDEQU8300H；LCD的数据字读出口
PRINT16EQU6000H；打印机数据/命令写入口
ADC-0EQU0A000H；ADC0809的回路0通道
ADC-1EQU0A001H；ADC0809的回路1通道
ADC-2EQU0A002H；ADC0809的回路2通道
ADC-3EQU0A003H；ADC0809的回路3通道
ADC-4EQU0A004H；ADC0809的回路4通道
ADC-5EQU0A005H；ADC0809的回路5通道
ADC-6EQU0A006H；ADC0809的回路6通道
ADC-7EQU0A007H；ADC0809的回路7通道
ORG0000H
START：
LJMPMAIN
ORG0003H
LJMPTEST；回路检测
NOP
NOP
LJPMERR
ORG000BH
LJMPSING；报警声音
NOP
NOP
LJMPERR
ORG001BH
LJPMTIMER；时钟
NOP
NOP
LJMPERR
ORG0023H
LJMPTX；通信
NOP
NOP
LJMPERR
ORG0030H
MAIN：
MOVSP,#50H；设置堆栈栈底
MOVA,30H
CJNEA,#0AAH,NRAM
MOVA,31H
CJNEA,#55H,NRAM；上电复位
SJMPMAINLOP
NRAM：
MOVR0,#7FH
NRAM1：
MOV@R0,#00H
DJNER0,NRAM1；内RAM低128B清零
MOVA,#00H
MOVDPTR,#0000H
MOVR6,#1FH
WRAM0：
MOVR7,#00H
WRAM1：
MOVX@DPTR,A
INCDPTR
DJNER7,WRAM1
DJNER6,WRAM0；外RAM全部2000H个单元清零
MOV30H,#0AAH
MOV31H,#55H；置上电标志
MOVDPTR,#IO8255K
MOVA,#90H
MOVX@DPTR,A；初始化8255A芯片
MOVDPTR,#IO8255B
MOVA,#10H；点亮工作指示灯，其余指示灯熄灭
MOVX@DPTR,A
NOP
NOP
ACALLINLCD
NOP
NOP
MOVTMOD,#11H；T0、T1均设置为方式1
MOVET0；T0设为中断方式，用来产生报警信息
MOVCLKNUM,#08H；T1连续溢出8次即获得1秒信号
MOVTH1,#0BH7
MOVTL1,#0DCH；设定T1定时的初始值
SETBTR1；开启T1
SETBIT0；外部中断0为边沿触发方式
SETBET1；T1设为中断方式，用来产生时钟信号
SETBPX0；外部中断0设为高优先级
SETBEX0；开启外部中断0
SETBEA
MOVTTSHU,#08H；假定检测回路数为8
MOVDPTR,#ADC-0；指向0通道
MOVA,#00H
MOVX@DPTR,A；启动0通道，开始扫描
MAINLOP：
MLOP：
NOP
NOP
ACALLDISPLAY；火警/故障显示处理
NOP
NOP
ACALLKCHL；查询按键
NOP
NOP
SJMPMOP
（2）探测器扫描模块
ADC0809按照一定的周期扫描各检测电路，并在扫描一个回路结束后向8031芯片发出中断请求信号。
由于它所连接的外部中断0是最高优先级中断，因此，其提出的中断请求总会被立即响应。
8031芯片响应中断后读取获得的检测值，如果检测值小于设定阈值，则通知ADC0809继续扫描下一回路。
如果检测值大于或等于设定阈值，则发出火警信号，置位相关标志位并将报警信息存入制定存储区，然后打印报警信息。
程序流程图如图11所示
图11探测器扫描程序流程
TEST：
PUSHDPL
PUSNDPH
PUSHACC
PUSHB；保护现场
MOVDPTR,#ADC-0；DPTR指向首回路地址
MOVA,TISM；将当前应扫描的序号送入A
CLRC
ADDA,DPL
MOVA,#00H
ADDCA,DPH
MOVDPH,A；DPTR指向当前扫描的地址
MOVXA,@DPTR；读取当前扫描回路的检测值
MOVBUF-0,A；讲读取的检测值送入BUF-0
MOVDPTR,#TTZB；DPTR指向回路标志区
MOVA,TTSM
CLRC
ADDA,DPL
MOVA,#00H
ADDCA,DPH
MOVDPH,A；DPTR指向当前扫描回路的标志单元
MOVXA,@DPTR；取出当前扫描回路的标志
JNBACC.2,CHK2；如果该回路没有关闭就转移
AJMPCHK5；若改回路已关闭，则转移到CHK5处
CHK2：
MOVA,BUF-0；将当前扫描回路的检测值送入A
CJNEA,#40H,CHK3
CHK3：
JNCCHK4
AJMPCHK5；若该回路正常，则转移到CHK5处
CHK4：
MOVDPTR,#TTBZ；DPTR指向回路标志区
MOVA,TTSM
CLRC
ADDA,DPL
MOVDPL,A
MOVA,#00H
ADDCA,DPH
MOVDPH,A；DPTR指向当前扫描回路的标志单元
MOVXA,@DPTR；取出当前扫描回路的标志
JBACC.0,CHK5；该回路已经报过火警，则转移
SETBFIRE；火警标志
CLRVOICE；新的回路报警，清楚消音标志
NOP
NOP
ACALLHCHL；火警处理子程序
NOP
NOP
CHK5：
MOVA,TTSM
ADDA,#01H
MOVTTSM,A；TTSM+1，指向下一回路
CJNEA,TTSHU,CHK6
CHK6：
JCCHK7
MOVTTSM,#00H
；若全部回路已扫描完毕，则TTSM赋0，重新开始
CHK7：
MOVDPTR,#ADC-0；DPTR指向首回路地址
MOVA,TTSM；将当前应扫描的回路序号送入A
CLRC
ADDA,DPL
MOVDPL,A
MOVA,#00H
ADDCA,DPH
MOVDPH,A；DPTR指向将要扫描回路的地址
MOVA,TTSM
MOVX@DPTR,A
；将将要扫描的回路地址送入ADC，并启动ADC
POPB
POPACC
POPDPH
POPDPL；恢复现场
RETI
在探测器扫描模块程序中调用了火警处理子程序。
5．结论
对采集信号进行融合处理,可以提高火灾报警准确性。
采用模糊神经网络对融合后的信号进行处理,可以提高系统的准确性和抗干扰性,使得误报率降为零。
6．参考文献
[1]高锋，单片微机应用系统设计及实用技术，北京：
机械工业出版社，2004.
[2]郑莉，刘慧宁，孟威，C++程序设计教程，北京：
机械工业出版社，2001.
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