基于四信息融合技术的动车无线火灾报警系统

胡海涛 ，马英楠 ，高 星 ，靳宗振 ，赵国如

（1.中国科学院 深圳先进技术研究院，深圳 518055；2.北京城市系统工程研究中心，北京 100035；3.贵州大学 电气工程学院，贵阳 550025）

随着国内高速列车的大幅度普及，人们在享受其便利性的同时，安全防范问题也普遍受到关注。动车组客运专线一般地处偏僻、运行速度高、车厢密封、载客量大，一旦出现火灾险情，救援将十分困难[1]。在此种现实情况下，为列车提供一套灵敏度高、实时性强、误报率低、可在火灾险情初始能够及时预警的火灾报警系统显得尤为重要。

传统动车火灾探测器一般以客厢为单位，表现为主从式分布于车厢顶部的现场总线网络，采用1到2种传感器作为环境信息采集装置，此种方式的不足是因环境参数单一而导致预警灵敏度不强，致使火灾预警存在一定滞后性。针对此种现象，本文提出一种多传感器信息融合技术，选取4种动车环境参数作为火灾信息源，既避免了因信息过少导致的灵敏度不高，又降低了因参数过多复杂所导致的误报。

1 系统总体设计

每节车厢可视为一个区域系统，主要由区域基站与新型探测器节点构成，二者通过2.4 G组成无线通信网络，区域基站与监控室通过以太网组成局域监控网络，是整套监控系统的核心。所述2种网络，因基站控制器的高性能，既不会出现因探测节点的增加而导致布线安装的复杂；也不会出现因区域基站的增加而导致系统的实时性与稳定性受到列车监控主机数据处理能力和网络通信速率的限制。如图1所示为系统架构框图。

图1 系统架构框图Fig.1 System architecture diagram

2 系统硬件设计

2.1 传感器的选取

燃烧物燃烧的过程，一般传感器即可满足检测要求，而动车组环境有其特殊之处，牵引变流器在工作时会对周围的电子设备产生强烈的电磁干扰，因此，其传感器要求也比一般火灾报警系统更为苛刻。为确保采集信号的正确性，特选取集成化传感器器件，具有接口简单、布线方便、抗干扰能力强等优点。

CO气体检测采用日本根本NEMONO高灵敏度电化学式CO传感器NAP-505，可精确检测0～1000 ppm的CO，分辨率达到1 ppm；烟雾浓度检测选用半导体烟雾传感器MS5100，可准确探测0～2000 ppm范围的烟雾。负载输出与烟雾浓度满足浓度—阻值比转换关系，只需通过测量负载输出电压即可精确得出烟雾浓度值；火焰强度测量选用韩国原装UVM-30A紫外探测器，抗干扰性强，自带滤光功能，能够精确检测200～370 nm光谱范围的紫外线强度，按电压值0～1V大小来划分紫外线的等级指数；温度检测选取美国FAIRCHILD半导体公司的数字温度计FM75，90 ms内可完成一次温度转换。

2.2 新型探测器节点电路设计

探测器电路主要依据以上4种传感器选型及其特性要求而做出设计，四路信息源方式为三路（NAP-505、MS5100、UVM-30A）为 A/D 信号采集，一路（FM75）为低压双线数字信号采集。为降低电路复杂性，特选取自带多通道A/D接口和I2C接口的STC12C 5A60作为核心控制器。其中，主控与NRF通过SPI接口通信，多色信号指示建立信息反馈机制，为节点提供故障诊断依据。电路设计如图2所示。

图2 新型探测器节点原理图Fig.2 New detector node principle diagram

2.3 区域基站总体设计

如图3所示为区域基站总体电路设计，核心控制器为ARM Context M4内核STM32F407，主频可达168 MHz，自身集成10 M/100 M以太网控制器，支持MII/RMII通信，可进行全双工和半双工操作及灵活的地址过滤模式，为应用程序提供单独的发送、接收和控制接口，与其配套的PHY收发器DP83848I为10 Base-T/100 Base-TX物理层收发器，可提MII/RMII接口来收发数据。总的来说，本以太网设计以STM32F407、DP83848I为硬件，配合较为成熟的LwIP协议栈，成为μC/OS-II平台任务之一，使得区域基站以太网功能的实现得以大大简化。

图3 区域控制器电路原理图Fig.3 Regional controller circuit principle diagram

车厢内部采用无线技术方案，其优点有布线简单、成本低、扩展性强等，而具有GFSK功能的单收发集成芯片NRF，频段范围介于2.4～2.55 GHz，凭借其强大的跳频和多通道技术，完全能够适应复杂的动车环境，其收发速度极快，能在200 μs内一次性完成高达32字节数据的发送与接收，能够解决数据丢包和信道阻塞问题。

区域基站通过无线接收到各无线节点数据后，在STM32F407与μC/OS-II平台上进行火灾核心算法运算，得出火灾等级指数，并按等级大小进行预警控制，通过以太网实时上传各个探测点信息至列车监控主机，并有短消息报警，小型LCD数字显示与参数阈值键入等功能，以适应不同环境与场合。

3 系统软件设计

本文软件设计主要包含2大块，一为探测器节点部分，二为区域基站部分。根据前文所确定的火灾探测技术路线和火灾判定方法，需要实现的功能主要有新型节点火灾探测器滤波算法、区域控制器火灾判定算法、实时操作系统μC/OS-II在STM32F407上的移植、LwIP协议栈的移植等。

3.1 探测器节点软件设计

在火灾探测过程中，有时既要消除大幅度的脉冲干扰，又要做数据平滑。因此常把滤波方法结合起来使用，形成复合滤波，本设计经过综合考虑，选用去极值平均滤波算法。如图4所示为火灾探测器软件流程。

图4 火灾探测器软件流程图Fig.4 Flow chart of fire detector software

3.2 区域基站算法

区域基站采用偏值滤波算法[3]，也是本设计的核心算法，在此基础上实现多传感器信息融合与等级预警算法。二输入偏值滤波算法是对单输入偏值滤波算法的扩展。本设计采用二输入偏值滤波与单输入偏值滤波相结合的方式进行火灾信息融合与检测，具体所述如下。

设 2 个传感器输入信号分别为 x1（n）和 x2（n），输入信号的复合方式为乘积，权函数为w（n，i）则其乘积型复合偏值滤波为

式中：s1为信号 x1（n）的预警门限；s2为信号 x2（n）的预警门限；C为修正常数，u（.）是单位阶跃函数，如果权函数w（n，i）取1，复合偏值滤波递归形式为

该算法要求2个输入信号同时超过各自的预警门限时，才对2个信号超过门限部分的乘积进行累加运算，否则输出为0，该算法实际上计算了信号超过门限部分的面积。

如果式（2）输出为0，既二次偏值滤波无累加，说明二输入变量至少有一个没有达到设定阈值，此时需要再分别对单变量进行单输入偏值滤波计算，以提高火灾探测的灵敏度，其递归形式为

式中：s为单输入变量x（n）门限。利用偏值滤波算法得到处理过的输出信号y（n）后，经过比较得出火灾信号，再经过火灾判断算法输出火灾信号火灾等级。式（4）表示火灾信号输出，式（5）为对应火灾等级输出：

式中：i=0表示单输入偏值运算，对应k取值为1

3.3 μC/OS-II在STM32F407的移植

μC/OS-II可以移植到不同的处理器上，本移植为官方下载μC/OS-II V2.92版本，将其移植到STM32F407处理器上，需要修改3个与STM32F407体系结构相关的文件[4]，即OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM。以下将会分别介绍这3个文件的移植工作。

1）OS_CPU.H中需要修改的内容有数据类型重定义部分和与处理器相关的代码。数据类型的定义与编译器的类型有关，本移植过程中使用的是MDK，因此根据其所支持的数据类型，主要是将INT32U、OS_STK、OS_CPU_SR定义为无符号整型，INT32S定义为有符号整型，FP32定义为浮点型，FP64定义为双精度型即可。

头文件中与处理器相关部分代码包括临界区访问处理、处理器堆栈增长方向及任务切换宏定义。首次确定临界代码的处理方法，这里选第3种，进入和退出临界段只需调用关中断函数OS_CPU_SR_Save（）和恢复中断函数OS_CPU_SR_Restore（）来实现，同样，本处理器的堆栈增长方向为从上向下，只需其定义符号OS_STK_GROW TH定义为1。其中OS_CPU_SR_Save（）、OS_CPU_SR_Restore（）和任务切换宏OSCtxSw（）3个函数可以通过汇编函数OS_CPU_A.ASM编写。

2）C语言文件OS_CPU_C.C需要编写的C函数一共有10个，其中9个hook函数几乎不用修改，在移植过程中常常另外存放在单独的文件中独立出来，第10个函数OSTaskStk Init是用来初始化各个任务堆栈，也是移植过程中最为重要的一部分，部分核心代码为

3）汇编文件OS_CPU_A.ASM需要编写的函数有3个，分别为被OSStart（）调用来运行最高优先级的函数OSStartHighRdy，任务级的上下级切换函数OSCtxSw，中断级的任务切换函数OSIntCtxSw.其中较为重要的为OSCtxSw和OSIntCtxSw两部分的移植，使用汇编编译时两部分可公用一种函数体。

3.4 LwIP协议栈的移植

LwIP是轻微的TCP/IP协议栈，在有无操作系统的情况下都可以运行[5]。其将所有与硬件、OS、编译器相关的部分独立出来，目的是方便移植到不同操作系统平台上。那么，在μC/OS-II平台下，将LwIP移植到STM32F407上，主要做的工作是对其操作系统模拟层和网卡接口层代码进行编写，以下为详细说明。

1）操作系统模拟层在底层操作系统和LwIP之间提供了一个接口，在移植过程中，只需要编写这个接口即可，由于在μC/OS-II平台下无需另外编写多线程函数，并且μC/OS-II已经实现了信号量OS_EVENT和消息队列结构OSQ的各种操作，因此，所需要做的是另外创建结构对消息进行管理，如下所示：

2）网卡接口层是LwIP移植成功的重要部分，需在作者设计好的框架内完成与底层硬件相关的部分，主要有向LwIP注册链路层的发送函数low_level_output（）和网卡初始化函数low_level_init（），核心子函数OSAPIBlockNew（）函数负责建立并返回一个新的互斥型信号量，EMACInit（）为网卡初始化工作的实际完成者。

4 系统整体测试

在完成基本通信测试之后，需要对系统整体性能继续测试。所有功能在keil uvision 4开发环境中调试完毕后，按GB 50116—1998《火灾自动报警系统设计规范》要求，对多传感器信息融合技术的可靠性与有效性进行了对比测试。选取国家标准试验火SH3（聚氨酯塑料火）作为模拟火灾源，并模拟动车CHR5车厢环境。如图5所示为火灾源附近一探测器所探测的4种信号量，图中横坐标表示实际时间，由于4种信息单位不同，纵坐标只表示信号幅值对比度，图中数据标记为595 s时的对比值。表1为本次测试过程中所确定环境参量报警阈值。

图5 SH3火灾探测信号对比图Fig.5 Fire detection signal contrast figure

表1 模拟测试中环境参量阈值Tab.1 Environment parameter thresholds in simulation test

图5曲线图为在表1所示的阈值条件下测得数据，得出结果第1次报警时间为第326 s，输出等级为1级，是由于单值CO浓度超出门限所致；第2次报警为第371 s，输出等级为2级，是由于CO浓度和烟雾浓度超出阈值并达到偏值所致；第3次为447 s，输出等级为6级，是由于4种信号全部超出阈值并达到偏值所致。作为对比，简单阈值报警情况下烟雾火灾报警器、温度火灾报警器的第一次报警时间分别为 374 s、467 s，分别多耗时 48 s、141 s。

5 结语

本动车火灾报警系统，以4种火灾信号源为判定依据，以二输入偏值算法为核心，融合4种环境信息，选取4值中的2种进行复合运算，建立预警等级管理制度，解决了因环境参数不多而导致预警灵敏度不强的问题。

[1]董巍.动车组火灾报警系统的设计[D].大连：大连理工大学，2009.

[2]孙少婧，苑丰彪，张凯荣，等.高速动车组智能火灾报警系统设计[J].中国铁路，2013（4）：60-61.

[3]厉剑.火灾探测信号处理算法及其性能评估方法研究[D].大连：大连理工大学，2005.

[4]Jean J.Labrosse.嵌入式操作系统 μC/OS-II[M].邵贝贝，等译.北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[5]王祖云，杨思国，王建伟，等.嵌入式LwIP协议栈的移植与测试研究[J].计算机与数字工程，2014，42（2）：274-275.