面向机车的无线火灾报警系统设计

摘 要：机车一旦出现火灾，而司机不能及时发现并处理，后果不堪设想。本文设计了一种嵌入式无线火灾报警系统。该系统包括上位机和下位机两个子系统，分别采用了AT89C51和PIC18系列单片机作为主控芯片。

关键词：火灾报警；无线；单片机

中图分类号：TP277

随着社会经济的发展，铁路机车应用材料的多样性，火灾仍然是机车运用过程中面临的最大危险。目前传统的机车消防报警系统多通过有线连接实现，存在成本高、布线麻烦等缺点。本文基于无线通信技术，设计开发了一种安全可靠、便于安装、投资少的机车车载无线消防报警系统。

1 系统的总体设计

系统共由两个子系统构成，如图1所示：

（a）集中监控中心 （b）某个远端监测终端

图1 系统原理框图

其中下位机子系统由烟雾及火灾传感器、下位机控制器、无线通信模块及电源等组成，而上位机子系统由声光报警模块、LCD及键盘模块、上位机控制器、无线通信模块及电源等组成。

两个子系统通过无线数据传输方式交换数据；下位机子系统用高能电池供电，低功耗的设计可以保障子系统长时间可靠的工作；上位机子系统的电源则由机车的蓄电池直接提供。

每台上位机控制器可连接16个探测器，还可根据实际需要，扩展到32、48、64个探测器。系统通过大屏幕液晶汉字显示报警位置和等级。上位机内带备用电池组，在外部电源没有的情况下，可以维持系统运行。

2 系统实现

2.1 系统上位机实现上位机的硬件结构图如图2所示：

图2 上位机硬件结构图

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，有32个I/O口，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断系统，一个全双工串行通信口。AT89C51支持静态逻辑操作和两种软件可选的节电工作模式。空闲方式时CPU停止工作，但RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统可继续工作。掉电方式时保存RAM中的内容，振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作。

看门狗模块采用IMP813L监控电源及电池电压和μP/μC的工作状况。

键盘和联动模块采用8255A为控制核心，通过横纵向扫面获得键盘值，并通过继电器可控制其它消防设备动作的+24V继电器输出信号。

液晶显示模块采用以T6963为核心的SMG24--0128A标准图形点阵式液晶显示器。

为了系统状态信息和可能出现的大量火警信息的准确记录，系统采用一块容量为64K的Flash存储模块。

最后，系统通过串口与射频无线传输模块交换数据。

2.2 系统下位机实现

下位机的具体硬件结构图如图3所示：

图3 下位机的硬件结构图

其中，火灾传感探头的核心芯片采用MC145017。烟雾感应原理如下：当烟进入电离室时，会对电离电流产生影响，易于进烟的外电离室所受影响大于内电离室，电离电流下降，收集极则重新充电，再次达到新的平衡电位。通过电位变化来触发报警电路。

通过反复的试验，得到烟感探头的管脚信号有如图4所示的特点：

图4 管脚信号图

在正常状态下，1、4号脚是两个基本同步的脉冲信号，经过异或后的信号输出为0。在不正常状态下，1、4号脚是两个完全不同的信号，经过异或后的信号输入为1。处理单元通过一个异或门实现。系统正常情况下处于休眠状态，当处于火警状态或欠电压状态时，产生的中断信号会立即唤醒休眠的单片机。单片机被唤醒后，通过外部计数器TMR1对4号脚的信号进行计数，再根据在指定的时间内的脉冲数，可以判断是发出了火灾报警还是欠电压报警信号。

根据理论分析烟感探头的1、4号产生的是同步的脉冲信号，但实际上这两个信号在时间上还是有一个很小的差值，易引起下位机的误报警。因此在异或门的输出加了一个10μF的电解电容，以消除误报警信号。

3 系统实验

样机系统通过实际运行证明良好。以机车内的实验为例，射频无线传输距离在机车内有效可靠传输距离为水平方向左右40M，垂直方向5M，可有效覆盖整台机车。烟感探头正常工作1周后，一节高能量1300mAh锂电池的剩余电量约为95%左右，采用该高能电池供电的烟感探头至少可以正常工作半年以上。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.火灾自动报警系统设计规范（GB50116-98）[S].北京：中国标准出版社，1999.

[2]邱玉明，邱玉春.PIC单片机系统低功耗设计方法[J].微型机与应用，2001（05）：17-18.

作者简介：陈平（1976.05-），男，安徽濉溪人，毕业于西北工业大学，工程师，现任机辆段段长，主要从事机车车辆的全面管理工作及科技创新项目策划。

作者单位：陕西红柠铁路有限责任公司，陕西榆林 719000

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