基于ARM与多传感器信息融合的机车报警灭火系统硕士学位论文(77页).doc
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1、-基于ARM与多传感器信息融合的机车报警灭火系统硕士学位论文密级:公开学 号:6720100342单位代码:10407硕 士 学 位 论 文论文题目:基于ARM的机车火灾智能报警灭火系统研 究 方 向嵌入式系统及应用研究专 业 名 称控制工程研 究 生 姓 名导师姓名、职称毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的
2、个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日期: 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经
3、发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日摘 要目前,机车内发生火灾情况仍然比较严重,尤其是在内燃机车内,行车时内部
4、温度比较高,起火现象常有发生,现在即使在机车内配置了自动报警系统,但所用的探测器往往只是单一的烟雾探测器,误报、漏报现象严重。为了及时发现机车内各种火灾隐患,避免火灾事故的发生,本文在讨论传统火灾报警系统的基础上,提出了基于多传感器信息融合的火灾自动报警灭火系统。本系统主要由复合智能探测器、主控制器、灭火装置等三部分组成。系统探测器与主控制器的核心处理器采用32位ARM Cortex-M3。在机车内由于空间小,为了简化系统结构、合理布线,通信部分采用CAN现场总线贯穿整个系统,使系统的可靠性大大提高。智能探测器采用烟雾传感器、温度传感器和CO气体传感器三种传感器实时采集现场信息,把多传感器信息
5、融合技术应用到火灾探测器中,使探测器更加智能化。由于在机车内空间狭小,灭火装置采用了悬挂式七氟丙烷灭火装置,用继电器来实现弱电控制强电,工作人员通过控制面板来确认是否启动灭火,这使得报警系统功能更加全面化和功能化。该系统在算法控制上,利用人工智能中神经网络BP算法,通过自主学习能力将多传感器数据进行训练,综合处理分析得出判断结果。克服了传统探测器进行单一阈值的判断问题,更加提高了系统最终判断的准确性和可靠性。利用MATLAB仿真软件对我国标准明火SH4、标准阴燃SH1等两种火灾信号进行了仿真,仿真结果表明该系统具有较强的识别能力和抗干扰能力,因此本文基于多传感器融合的智能火灾报警灭火系统有很好
6、的可行性。关键词:ARM;多传感器信息融合;CAN总线;报警灭火系统;神经网络AbstractAt present,a fire occurs in a locomotive is still more serious, especially in internal combustion engine locomotive. A fire happens quite often because internal temperature is higher when it is driving even though it have automatic fire alarm system, th
7、e phenomenon of false alarms and missed alarms is serious for single smoke detector.For in time and exact fire detection and avoid fire accident, this paper analyze traditional fire alarm system and present automatic fire extinguishing system, based on multi-sensor data fusion. The system is compose
8、d of three parts: Intelligent Compound Detector, main controller. The core processor of system detectors and main controller system is made of 32-bit ARM Cortex-M3.In order to simplified system structure and reasonable wiring in the small size, communication components is based on CAN the field bus
9、throughout the entire system, and it significantly improve reliability of system.Intelligent Detector is made of the smog sensor , temperature sensor and CO gas sensor. It have ability of the real-time data acquisition field information and multi-sensor data fusion system applied to fire detectors.
10、Fire extinguishing devices use the hanging FM-200.and using relay to weak power controlling strong power, the worker can Confirm whether start the fire fighting by Control Panel. It is more overall design and function.The system use the neural network BP algorithm for multi-sensor data training by i
11、ts learning ability and comprehensive analysis concluded the judgment. Overcome traditional detectors for a single threshold value judgment, it improved the system the veracity and reliability of final judgment. Simulation of our country standard naked light SH4 and smoldering fire two fire signal b
12、y MATLAB software, show that the system have strong recognition ability and the anti-interference ability, intelligent fire alarm fire extinguishing system based on multi-sensor data fusion have a good feasibility.Key words: ARM;Multi-Sensor Information Fusion;CAN Bus;Automatic Fire Extinguishing Sy
13、stem;Neural Networks目 录摘 要IIAbstractIII第一章 绪论11.1 火灾报警系统的概述11.2 课题来源及解决方案11.3 课题研究的意义11.4 现代火灾报警系统和传统火灾报警系统的比较21.5 火灾自动报警系统在国内外的研究现状及发展趋势31.6 本课题研究的主要内容41.7 本文内容安排4第二章 火灾探测算法的研究52.1 火灾探测器的类型52.2 火灾自动报警系统的误报警分析62.3 基于多传感器信息融合火灾探测的提出72.3.1 数据融合的结构72.3.2 数据融合的过程82.4 多传感信息融合在火灾报警系统中的应用82.4.1 传感器信息的预处理92
14、.4.2 特征量的归一化处理102.4.3 数据级融合102.4.4 特征级融合122.4.5 决策级融合122.5 本章小结12第三章 火灾报警灭火系统的总体结构设计133.1 本系统的总体结构框图133.2 系统的工作过程及主要优点133.3 多传感器智能探测器的设计143.3.1 传感器类型的选择143.3.2 智能探测器总体设计153.4 嵌入式处理器的选择153.5 现场总线的选择163.6 机车电源模块的选择163.7 灭火装置的设计183.7.1 七氟丙烷气体应用在机车内的优势183.7.2 七氟丙烷灭火装置的结构与工作原理183.8 本章小结20第四章 火灾报警系统的硬件电路设
15、计与实现214.1 传感器的选择与硬件设计214.1.1 温度传感器模块214.1.2 烟雾传感器模块214.1.3 CO气体传感器模块224.2 主控制器的功能244.2.1 Cortex-M3处理器的概述244.2.2 Cortex-M3处理器的结构244.3 Cortex-M3的最小硬件系统设计264.3.1 系统时钟电路264.3.2 复位电路264.4 电源模块电路设计264.5 系统报警电路硬件设计284.6 键盘显示模块的电路设计294.6.1 键盘模块294.6.2 TG12864E液晶显示模块304.6.3 实时时钟设计314.7 CAN总线接口的设计334.8 灭火装置驱动
16、模块电路设计344.9 本章小结34第五章 火灾探测算法的系统仿真355.1 神经网络的概述355.2 BP神经网络的建立375.2.1 BP神经网络的结构375.2.2 BP网络的学习算法375.2.3 BP算法参数的选取405.3 模糊控制器的设计415.3.1 模糊控制器的组成415.3.2 规范化与模糊化415.3.3 建立模糊推理规则425.3.4 反模糊化425.4 BP网络的MATLAB仿真425.4.1 BP网络的训练425.4.2 BP网络的测试445.5 模糊推理的MATLAB仿真455.6 本章小结50第六章 火灾报警灭火系统的软件设计516.1 软件设计思路516.2
17、系统软件总设计516.2.1 软件开发工具516.2.2 软件流程图526.3 A/D采集模块程序设计536.4 液晶显示模块的程序设计556.4.1 液晶屏初始化556.4.2 液晶屏的调试运行576.5 CAN总线通讯的程序设计586.6 BP网络和模糊规则的C语言设计606.7 本章小结62第七章 总结与展望637.1 总结637.2 展望64参考文献65致 谢67附录A 系统总电路图68附录B 火灾报警系统主控制器实物图70附录C SS3电力机车灭火系统布置电气图72附录D MATLAB仿真程序73江西理工大学学位论文独创性声明及使用授权书77-第 68 页分类号:第一章 绪论1.1
18、火灾报警系统的概述火灾报警系统一般是由火灾探测器、主控制器、火灾报警装置等组成的一个综合性系统1,通常还结合其它一些辅助功能装置,使系统功能更加强大,如灭火装置、无线通信模块、监控录像等。探测器是探测火灾的核心工具,一般放置在火灾监测现场进行实时巡回探测,把火灾参数转化为相应电信号,采集后对数据进行处理与判断,如果发生火灾,探测芯片就会有采取一定的响应,常见的有其自身的声光报警,甚至可以把探测器处理完后的信号传送给总控制器,在总控制器上显示出火灾发生的地点和时间,更全面的系统还可以自动对火灾现场灭火。总之,自动报警系统使人们能够及时发现火情并能采取有效措施扑灭火灾,尽可能的减少损失,这是火灾报
19、警系统的宗旨。1.2 课题来源及解决方案我国铁路事业不断发展,铁路的交通运输相继实施了第六次大规模提速,铁路提速是个复杂的命题,机车的提速不仅对机车核心动力等机车本身提出了要求,还对铁路基础、通信信号、运输组织乃至安全控制等方面也相应的增加了要求。所以势必对铁路运输、安全设施等方面提出了更高的要求。为保证机车安全、准确、稳定的基本要求,其消防安全是举足轻重的一个环节。作为铁路运输主力机车的内燃机车和电力机车,由于其机车头内部空间狭小、油电线路较为复杂,且铁路运输过程中长时间大负荷、高频率运转,设备器件等在机车环境中容易陈旧老化,存在比较严重的火灾隐患,机车火灾会带来巨大的损失,所以机车内的消防
20、安全不容忽视,应当采取有效措施尽可能减少损失。本人跟随杭州一家安防公司去呼和浩特的机务段有过一次消防安全考察,发现目前虽然很多机车内已经配置火灾报警系统,当火灾发生时,能实现简单的声光报警功能,但是基本还是以单一的烟雾探测器来进行探测,探测的实时参数不能正确反应现场实施火情,对香烟等没有很好的抗干扰能力,从而影响系统的可靠性和准确性,容易产生误报、漏报等现象,即使发生火灾通常也只是配置手提式干粉灭火器进行现场灭火,这类灭火器灭火效果较低,有时甚至没有及时发现火灾。因此,在机车内非常有必要配备可靠、有效的报警灭火系统。本课题以呼铁局的机车火灾报警装置为项目背景、结合信息融合技术,运用神经网络和模
21、糊控制相结合的人工智能算法对烟雾传感器、温度传感器和CO气体传感器的数据进行融合,最后决策来判断是否发生火灾,再采用悬挂式七氟丙烷灭火装置进行智能灭火,使工作人员操作更简易、更安全。大大提高了报警的准确性和灭火的高效性,很大程度地减少了误报和漏报现象。1.3 课题研究的意义随着自动报警系统的不断升级更新,功能地不断扩展,报警系统大大缩短了发生火灾时间与预警之间的时间间隔,也不断提高了准确度,现在已经出现由报警系统与灭火系统结合而成的火灾自动报警灭火系统,这类系统已经具备实时探测和自动扑灭火灾等多功能的现代消防系统,早期发现火灾、减少误报和降低系统的总成本是人们对火灾报警灭火系统的最大期望2。所
22、以设计一个误报率低、灭火高效的火灾报警灭火系统意义重大。铁路运输在我国客运和货运中起着举足轻重的地位,随着铁路跨越式发展的进一步深入,高铁,动车很快成为人们重要的交通工具。单司机值乘已经成为必然趋势,传统的副司机巡视制度逐步取消,司机无法直接观察机车关键部位设备的实时工作情况,容易造成失控。机车中的特大功率设备运行过程中如果出现火灾将是非常危险的,所以迫切需要在机车关键部位安装智能报警灭火系统,从而司机能够随时直观的看到机车关键部位设备的运行状况,在出现火警信息时提醒司乘人员并能及时灭火。所以设计一个具有可靠性强、准确性高和实时性好的火灾报警灭火系统是科技化社会发展的需要,也是保障人们正常生活
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- 基于 ARM 传感器 信息 融合 机车 报警 灭火 系统 硕士学位 论文 77
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