專(zhuān)利名稱(chēng)：紅外光束型火災(zāi)煙霧探測(cè)器及其檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于建筑結(jié)構(gòu)的火災(zāi)煙霧探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的火災(zāi)煙霧探測(cè)器主要有離子式感煙探測(cè)器和光電式感煙探測(cè)器兩 種。離子感煙探測(cè)器是通過(guò)煙霧在電離室中引起的電壓變化來(lái)感知煙霧粒子 的微電流變化裝置，對(duì)灰煙、黑煙以及各種粒徑大小的煙具有較平衡的探測(cè) 性能，但由于電離室的設(shè)計(jì)中采用了放射性元素，其生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和報(bào)廢的過(guò) 程有污染環(huán)境的危險(xiǎn)，且探測(cè)器本身極易受濕度、風(fēng)速等環(huán)境干擾。光電式 感煙探測(cè)器主要有點(diǎn)型和線性?xún)煞N類(lèi)型。點(diǎn)型光電感煙探測(cè)器利用紅外光的 散射原理和感煙室的"迷宮"結(jié)構(gòu)，通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)電路，可以獲得煙霧濃 度信息，從而判斷有無(wú)火災(zāi)發(fā)生，缺點(diǎn)是其探測(cè)范圍較小，不適于高大空間
火災(zāi)煙霧探測(cè)；線型光束感煙探測(cè)器采用透射光束衰減探測(cè)原理，煙粒子沿 其敏感路徑遮蔽紅外光線時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)透射光強(qiáng)衰減低于預(yù)值來(lái)判斷有無(wú)煙 霧，探測(cè)范圍較大，適用于高大空間火災(zāi)煙霧探測(cè)。
除此之外，已有的離子式感煙探測(cè)器和光電式感煙探測(cè)器本身均不具備 智能性，不具備對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、分析、判斷和處理的能力，對(duì)由于環(huán) 境狀態(tài)變化引起的工作點(diǎn)漂移和干擾誤報(bào)缺乏補(bǔ)償措施，其信息處理和火災(zāi) 發(fā)生概率的判斷要依賴(lài)火災(zāi)控制器或上位機(jī)，實(shí)時(shí)性較差。
隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了激光圖像型感煙探測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)采集的圖像進(jìn)行圖像處理和信息處理，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度火災(zāi)探測(cè)。但激光圖像感煙技 術(shù)由于光束的厚度造成采集圖像中光斑疊加現(xiàn)象嚴(yán)重，影響了圖像處理的可
行性與精確性；此外，探測(cè)器軟硬件相對(duì)復(fù)雜，成本較高。目前，激光圖像 型感煙技術(shù)離廣泛應(yīng)用尚有一定的距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種新型的高大空間紅外光束型火災(zāi)煙霧探測(cè)器 及其檢測(cè)方法。該探測(cè)器可對(duì)所監(jiān)測(cè)空間進(jìn)行煙霧探測(cè)，并就地給出火災(zāi)預(yù) 警信號(hào)和聯(lián)動(dòng)輸出控制信號(hào)，對(duì)煙霧濃度的響應(yīng)閥值可以進(jìn)行自動(dòng)浮動(dòng)設(shè)計(jì)， 以減少漂移和干擾的影響，對(duì)環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、污染等環(huán)境狀態(tài)變化 實(shí)施補(bǔ)償，同時(shí)該煙霧探測(cè)器還可以將檢測(cè)到的信號(hào)采用通訊的方式傳遞到 計(jì)算機(jī)，構(gòu)成智能分布式計(jì)算機(jī)消防報(bào)警和聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。這些特點(diǎn)是傳統(tǒng) 煙霧探測(cè)器所不具備的。
本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的
一種紅外光束型火災(zāi)煙霧探測(cè)器，含有MCU核心電路、電源電路、時(shí)鐘 電路、鍵盤(pán)及顯示器接口、本地RS232通訊電路、遠(yuǎn)程RS485通訊電路、開(kāi) 關(guān)量輸入電路、開(kāi)關(guān)量輸出電路、聲光報(bào)警電路、模擬信號(hào)采集模塊、紅外 發(fā)射接收電路，其中-
MCU核心電路實(shí)現(xiàn)對(duì)其它電路模塊的綜合協(xié)調(diào)、控制、數(shù)據(jù)通訊和智 能信息處理，是整個(gè)探測(cè)器的核心，它由四部分構(gòu)成，分別是MCU微控制 器單元、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和參考電源電路，其中，MCU采用了高性能16位微處理器芯片，具有較高的運(yùn)行速度(每條指令的執(zhí)行時(shí)間為125ns) 和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力(含有1個(gè)硬件乘法器)，為探測(cè)器進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì) 算和智能信息處理奠定了基礎(chǔ)；
電源電路實(shí)現(xiàn)+5V電源到+3.3V電源的轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)足探測(cè)器MCU核心電路 對(duì)電源電壓的要求；
時(shí)鐘電路為探測(cè)器提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，時(shí)鐘芯片和MCU之間采用I2C總線方 式進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向通訊，從而可進(jìn)行時(shí)間的設(shè)置和讀??；
鍵盤(pán)及顯示器接口4可實(shí)現(xiàn)探測(cè)器與鍵盤(pán)、顯示器的連接；
本地RS232通訊電路實(shí)現(xiàn)和本地計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備通信，以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng) 用中的具體需求；
遠(yuǎn)程RS485通訊電路實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或其它設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)通訊功能，以 構(gòu)成大型的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警與消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。該部分電路由DC-DC隔離電 源、光電隔離電路、RS485驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成；
開(kāi)關(guān)量輸入電路采用兩片光電隔離器件，結(jié)合MCU共同完成開(kāi)關(guān)量輸入 功能，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的檢測(cè)；
開(kāi)關(guān)量輸出電路，結(jié)合MCU共同完成開(kāi)關(guān)量輸出功能，可實(shí)現(xiàn)4路無(wú)觸 點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出和路帶觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量輸出；
聲光報(bào)警電路，該部分電路結(jié)合MCU和外置的揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的聲 光報(bào)警功能；
模擬信號(hào)采集模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量信號(hào)的采集；
紅外發(fā)射接收電路由紅外發(fā)射電路和紅外接收電路部分構(gòu)成紅外發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管發(fā)出脈沖波，紅外接收電路接收反射回來(lái)的紅外光；一 體化接收器件接收固定載波頻率的紅外光，其輸出為數(shù)字量信號(hào)，可直接和 MCU接口；硅光電池接收反射回來(lái)的紅外光，輸出表示煙霧濃度的模擬量信 息，經(jīng)后面的運(yùn)算放大器電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后，輸出模擬量信號(hào)，送入模擬 量信號(hào)采集模塊進(jìn)行信號(hào)采樣。一種紅外光束型火災(zāi)煙霧探測(cè)器的使用方法，是一種模糊神網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)探 測(cè)算法，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用2-7-7-1四層結(jié)構(gòu)第一層為輸入層，表示模糊推理系統(tǒng)中的前件參數(shù)，具有x,和^兩個(gè)輸入 節(jié)點(diǎn)；x,為表示當(dāng)前煙霧濃度信息的模糊變量，x2為相鄰兩次煙霧濃度變化率 的模糊變量；第二層表示輸入變量模糊子空間的劃分，具有7個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)；每一個(gè)隱 層節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)模糊子集，共劃分成7個(gè)模糊子集{PB， PM， PS， Z0, NS， 腿，順}分別表示{正大，正中，正小，零，負(fù)小，負(fù)中，負(fù)大};第三層表示火災(zāi)發(fā)生概率U模糊子空間的劃分，具有7個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)；每一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)模糊子集，共劃分成7個(gè)模糊子集{PB， PM， PS， Z0， NS，麗，NB};第四層稱(chēng)為輸出層，具有1個(gè)輸出層節(jié)點(diǎn)；表示模糊推理系統(tǒng)中的后件 參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)一 二層對(duì)應(yīng)模糊控制規(guī)則的前件，二 三層對(duì)應(yīng)模糊邏輯推理， 四層對(duì)應(yīng)的是模糊控制規(guī)則的結(jié)論部分；定義模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)的激活函數(shù)為/(m) = i^，參數(shù)t為激活函數(shù)的斜率，X為輸入變量，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出關(guān)系可表示如下 第~"層 。u = xA ;其中^表示第一層節(jié)點(diǎn)的輸入； 表示第一層節(jié)點(diǎn)的輸出；= 1,2 ;表 示輸入層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。第二層、=t『,A ，=/(/7,/2》；其中/2,表示第二層節(jié)點(diǎn)的輸入；O:表示第二層節(jié)點(diǎn)的輸出；；'=1,2,A,7 表示第二層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；『#表示第一層和第二層之間的權(quán)值矩陣。第三層/3, = ^^02, ， 03,. = /(^,/3,.);./■=i其中4表示第三層節(jié)點(diǎn)的輸入；A表示第三層節(jié)點(diǎn)的輸出；/ = 1,2，八,7 表示第三層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；^表示第二層和第三層之間的權(quán)值矩陣。第四層04,=^~—；其中O,p表示第四層節(jié)點(diǎn)輸出，；7=1表示第四層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；『p,表示第三層和第四層之間的權(quán)值矩陣。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，只有經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)才能對(duì)當(dāng) 前的環(huán)境做出準(zhǔn)確的判斷，網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)實(shí)際上是將領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)和大 量訓(xùn)練樣本的先驗(yàn)知識(shí)融合入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各權(quán)值當(dāng)中，學(xué)習(xí)時(shí)的輸入模 式為^，輸出為 ，要使輸入輸出達(dá)到期望的映射，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)調(diào)整權(quán)值『p^及『p,定義誤差函數(shù)為￡ = I^^-";J其中，《為學(xué)習(xí)樣本數(shù)，z;為期望輸出， 為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出FNNC的學(xué)習(xí)算法如下<formula>formula see original document page 11</formula>其中；7(0為自適應(yīng)學(xué)習(xí)率，/ 為動(dòng)量因子。<formula>formula see original document page 11</formula><formula>formula see original document page 12</formula> 2;復(fù) ￡ 503, 3/3,氣 、&(2;'d 3/2y 犯學(xué)習(xí)時(shí)，激活函數(shù)曲線的斜率取定值1，即々=。=1，自適應(yīng)學(xué)習(xí)率/7(0 =叨(卜1)， c為學(xué)習(xí)因子，取0.7 1.0 。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)和有益效果 本發(fā)明采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法處理火災(zāi)探測(cè)信號(hào)，通過(guò)對(duì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 學(xué)習(xí)訓(xùn)練，提高網(wǎng)絡(luò)的泛法能力，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能對(duì)當(dāng)前的輸 入做出準(zhǔn)確的判斷。在提高探測(cè)器靈敏度的同時(shí)，又可以減少誤報(bào)率，且網(wǎng)絡(luò) 具有并行分析處理的能力，極大地提高了火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的可靠性和快速性。


圖1為煙霧探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖:12圖2為紅外發(fā)射接收電路；圖3為RS232通訊電路；圖4為時(shí)鐘電路；圖5為RS485通訊電路；圖6為MCU核心電路；、圖7為電源電路；圖8為模擬信號(hào)采集模塊；圖9為聲光報(bào)警電路；圖IO為開(kāi)關(guān)量輸入電路；圖11為鍵盤(pán)及顯示器接口；圖12為開(kāi)關(guān)量輸出電路；圖13為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；圖14為煙霧探測(cè)器模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作原理圖；圖15為探測(cè)器煙霧濃度信息處理過(guò)程圖；圖16為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)流程圖；圖17為探測(cè)器主程序工作流程圖。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)Dl，探測(cè)器電路由MCU核心電路10、電源電路21、時(shí)鐘電路22、 鍵盤(pán)及顯示器接口 17、 RS232通訊電路18、 RS485通訊電路19、開(kāi)關(guān)量輸入 電路12、開(kāi)關(guān)量輸出電路16、聲光報(bào)警電路15、模擬信號(hào)采集模塊14、紅 外發(fā)射接收電路13組成。請(qǐng)參閱圖2 圖12為上述圖1所示的煙霧探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖的具體分解電路 圖。圖中電路圖基本由標(biāo)準(zhǔn)電路圖組成，在此不再詳細(xì)敘述。圖13為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
圖14為煙霧探測(cè)器模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作原理圖，從圖中可以看出，30為輸 入學(xué)習(xí)樣本；36為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練階段，31為輸出學(xué)習(xí)樣本；32為輸 入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)38的煙霧濃度，33為輸入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的煙霧濃度變化率， 根據(jù)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)38的信息輸出到?jīng)Q策模塊37，決策模塊37判斷是否有無(wú) 火災(zāi)的信息。
請(qǐng)參閱圖15所示，探測(cè)器煙霧濃度信息處理過(guò)程圖。從圖中可以看出， 煙霧濃度41輸入到數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊42，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊42的信息輸入到模 糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理算法模塊43，最后作出火災(zāi)險(xiǎn)情判斷44。
MCU核心電路包括MCU微控制器單元、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和參 考電源電路。
MCU微控制器單元采用TI公司MSP430系列超低功耗16位單片機(jī) MSP430F149，其內(nèi)部具有60KB+256字節(jié)FLASH, 2KB RAM, 6個(gè)8位并 行GPIO， 8路12位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)串行通訊接口， l個(gè)硬件乘法器，l看 門(mén)狗定時(shí)器，多個(gè)具有捕獲/比較16位定時(shí)器。
系統(tǒng)時(shí)鐘電路為MCU系統(tǒng)的CPU及其外設(shè)提供合適的時(shí)鐘，它包括高 頻時(shí)鐘電路和低頻時(shí)鐘電路，高頻時(shí)鐘電路采用1個(gè)8M晶體振蕩器和2個(gè) 12pF的電容構(gòu)成振蕩電路，晶體振蕩器兩端接至MCU的XT2IN和XT20UT 兩個(gè)引腳；低頻時(shí)鐘電路采用1個(gè)32.768kHz的晶體振蕩器，晶振兩端接至 MCU的XIN和TOUT/TCLK兩個(gè)引腳。
復(fù)位電路采用美信公司MAX809R，其復(fù)位輸出信號(hào)接至MCU的RST/NMI弓I腳。參考電源電路采用TL431高精度參考電壓芯片，結(jié)合調(diào)節(jié)電 阻，其輸出為+2.5V精密參考電壓，接至MCU的外部參考電壓輸入引腳 VeREF+;
電源電路實(shí)現(xiàn)+5V電源到+3.3V電源的轉(zhuǎn)換。探測(cè)器通過(guò)接線端子外接 十5V和+12V兩路電源，+12V電源用于紅外發(fā)射和接收電路。+5￥電源接至 低壓差電壓轉(zhuǎn)換芯片SPX117M3-3.3的輸入引腳3，配合濾波電容，實(shí)現(xiàn)+5V 電源到+3.3V電源的轉(zhuǎn)換，該+3.3V電源作為MCU電路的"數(shù)字電源DVCC"， 其相應(yīng)的"地"作為"數(shù)字地DVss"。"數(shù)字電源DVcc"和"數(shù)字地DVss" 分別接入磁珠，得到"模擬電源AVcc"和"模擬地AVss"，分別接至MCU 相應(yīng)的"電源"引腳和"地"引腳；
請(qǐng)參閱圖4所示，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片采用PCF8563T，供電方式采用系統(tǒng)電源 和電池相結(jié)合的方式。探測(cè)器工作時(shí)，時(shí)鐘芯片PCF8563T由系統(tǒng)電源供電， 探測(cè)器不工作時(shí)，PCF8563T由電池供電，保證時(shí)鐘正常走時(shí)；時(shí)鐘芯片 PCF8563T和MCU之間通過(guò)P2.6/ADC12CLK和P2.7/TA0兩根I2C總線進(jìn)行 連接，通過(guò)I2C通訊進(jìn)行時(shí)間的設(shè)置和讀取。
請(qǐng)參閱圖6所示，MCU的GPIO弓I腳P5.0/STE1 P5.3/UCLK1 ， P4.0/TB0 P4.7/TBCLK， P3.0/STE0 P3. 3/UCLK0， P2. 5/Rosc P2. 7/TA0， Pl. 0/TACLK P1.7/TA2, RST/麗I實(shí)現(xiàn)探測(cè)器鍵盤(pán)、顯示器接口功能。
MCU的異步串行通訊接口 1的P3.6/UTXD1、P3.7/URXD1實(shí)現(xiàn)串行通訊 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，通過(guò)RS232驅(qū)動(dòng)芯片MAX232E和相關(guān)外圍電容器件實(shí) 現(xiàn)RS232電平轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)RS232通訊功能。MCU的異步串行通訊接口 0的P3.4/UTXD0、 P3.4/UTXD0以及控制信號(hào) P2.5/Rosc接至高速光電隔離器件6N137，實(shí)現(xiàn)MCU異步串行通訊口 0的通 訊信號(hào)與控制信號(hào)的光電隔離，經(jīng)過(guò)隔離后的信號(hào)接至RS485驅(qū)動(dòng)器 MAX485，配合外圍電阻實(shí)現(xiàn)RS485的通訊功能。光電隔離電路的隔離電源 選用B0505S，實(shí)現(xiàn)+5V電源到+5V隔離電源的轉(zhuǎn)換。
MCU的GPIO引腳P1.0/TACLK P1. 3/TA2通過(guò)兩片TLP521-2光電隔 離器件，完成開(kāi)關(guān)量輸入功能，實(shí)現(xiàn)4路開(kāi)關(guān)量信號(hào)的檢測(cè)。
請(qǐng)參閱圖12所示，采用了兩片AQW214和兩個(gè)繼電器，通過(guò)MCU的 GPIO引腳P1.4/SMCLK P1. 7/TA2以及P2. 0/ACLK P2. 1/TAINCLK，完成開(kāi) 關(guān)量輸出功能，可實(shí)現(xiàn)4路無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出和2路帶觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量輸出。
請(qǐng)參閱圖9所示，聲光報(bào)警電路選用了4聲音報(bào)警芯片KD9561、功率驅(qū) 動(dòng)芯片TWH8751和 一 片74LVC02 ， 通過(guò)MCU的GPIO引腳 P2.2/CAOUT/TA0 P2. 4/CA1/TA2實(shí)現(xiàn)報(bào)警聲選擇和控制，輸出信號(hào)ALARM+ 和ALARM-接揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。
請(qǐng)參閱圖8所示，模擬信號(hào)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量信號(hào)的采集。本探測(cè) 器所選用的MCU本身具有8路12位A/D轉(zhuǎn)換接口，外部模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)阻 容濾波和限幅保護(hù)后，直接接入到MCU的A/D轉(zhuǎn)換口 P6.0/A0 P6. 7/A7。
請(qǐng)參閱圖2所示，紅外發(fā)射電路采用MC1413作為驅(qū)動(dòng)器，在MCU的 P5.4/MCLK P5.7/TBoutH控制下，驅(qū)動(dòng)8支紅外發(fā)射管發(fā)出脈沖波。紅外接 收電路接收反射回來(lái)的紅外光；紅外接收電路由兩部分構(gòu)成 一體化接收器 件IR接收固定載波頻率的紅外光，其輸出為數(shù)字量信號(hào)，接至MCU的P6.7/A7，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量傳輸；硅光電池P1接收反射回來(lái)的紅外光，輸出表示煙 霧濃度的模擬量信息，經(jīng)后面的運(yùn)算放大器電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后，輸出幅值 在0V 2. 5V的模擬量信號(hào)，該信號(hào)送模擬量信號(hào)采集模塊進(jìn)行信號(hào)采樣。
檢測(cè)方法采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用2-7-7-1四層結(jié) 構(gòu)，如圖14所示。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作過(guò)程分成兩個(gè)階段，第一階段36是學(xué) 習(xí)訓(xùn)練階段，其中，30為輸入學(xué)習(xí)樣本，31為輸出學(xué)習(xí)樣本，該階段利用輸 入輸出學(xué)習(xí)樣本對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，將領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)和大量訓(xùn)練樣本的 先驗(yàn)知識(shí)融合入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各權(quán)值當(dāng)中。第二階段38是工作期，其中， 32為輸入煙度濃度，33為輸入煙霧變化濃度，37為決策系統(tǒng)，該階段神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)各層的權(quán)值保持不變，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的輸入計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的輸出。
學(xué)習(xí)訓(xùn)練階段，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)含有以下步驟
1、 學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本的預(yù)處理；
2、 初始化模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)權(quán)值Wpi，， Wij ， Wjk，激活函 數(shù)曲線的斜率t，自適應(yīng)學(xué)習(xí)率il和學(xué)習(xí)因子c;
3、 計(jì)算模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層的輸入和輸出值
=、/2"S^Xi，4=| 『A, 03,/(")，
i=
4、 計(jì)算模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層各單元的校正誤差5、計(jì)算模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值修正因子
a￡=2>A #=!>a
3『P, r p ， 亍' 5『,g ;
6、 對(duì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層之間的連接權(quán)值進(jìn)行修正『p, (" 1) =(0 —柳* +電W -『p,(卜l))
(" 1) = K (,)—柳* + * W - ， -1))
『;i (" 1)=『a (,) -柳* +來(lái)(0 -『* (, -1))
7、 計(jì)算權(quán)值更新后的網(wǎng)絡(luò)誤差函數(shù)a 2 ，然后學(xué)習(xí)次數(shù)!1=11+1;
8、 誤差E〈某一足夠小的常數(shù)e或?qū)W習(xí)次數(shù)n〉常數(shù)N ，是則訓(xùn)練結(jié)束，否則轉(zhuǎn)3。
模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在工作期對(duì)火災(zāi)發(fā)生概率的判斷包含以下步驟
1、 對(duì)當(dāng)前采樣的煙霧濃度信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；
2、 計(jì)算模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層的輸入和輸出值
A= ，/2,=t『,a， 0"=/(一 )，厶,=￡^<^， 03,=/(,,,4)，3、對(duì)網(wǎng)絡(luò)輸出的火災(zāi)發(fā)生概率進(jìn)行判斷，如概率〉0.5，表示發(fā)生火災(zāi)，否則為誤報(bào)。
最后應(yīng)說(shuō)明的是以上實(shí)施例僅說(shuō)明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說(shuō)明書(shū)參照上述的各個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1、一種紅外光束型火災(zāi)煙霧探測(cè)器，設(shè)有電源電路、聲光報(bào)警電路、模擬信號(hào)采集電路以及紅外發(fā)射接收電路；其特征在于還進(jìn)一步設(shè)有MCU核心電路、時(shí)鐘電路、鍵盤(pán)及顯示器接口、本地通訊電路、遠(yuǎn)程通訊電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、開(kāi)關(guān)量輸出電路；所述的MCU核心電路實(shí)現(xiàn)對(duì)其它電路模塊的綜合協(xié)調(diào)、控制、數(shù)據(jù)通訊和智能信息處理；包括MCU微控制器單元、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和參考電源電路；所述的時(shí)鐘電路為探測(cè)器提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，時(shí)鐘芯片和MCU之間采用雙向通訊，進(jìn)行時(shí)間的設(shè)置和讀取；所述的鍵盤(pán)及顯示器接口實(shí)現(xiàn)探測(cè)器與鍵盤(pán)、顯示器的連接；所述的本地通訊電路實(shí)現(xiàn)和本地計(jì)算機(jī)或其它設(shè)備的連接；所述的遠(yuǎn)程通訊電路實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或其它設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)通訊；所述的開(kāi)關(guān)量輸入電路，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的檢測(cè)；所述的開(kāi)關(guān)量輸出電路，為多路無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)量和/或多路帶觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光束型火災(zāi)煙霧探測(cè)器，其特征在于所 述的MCU電路采用16位微處理器芯片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光束型火災(zāi)煙霧探測(cè)器，其特征在于所 述的時(shí)鐘電路的時(shí)鐘芯片和MCU之間采用I2C總線方式進(jìn)行連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光束型火災(zāi)煙霧探測(cè)器，其特征在于所 述的遠(yuǎn)程通訊電路包括DC-DC隔離電源、光電隔離電路、RS485驅(qū)動(dòng)電路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光束型火災(zāi)煙霧探測(cè)器，其特征在于所 述的開(kāi)關(guān)量輸出電路，為4路無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出和2路帶觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量輸出。
6、 一種紅外光束型火災(zāi)煙霧探測(cè)器的使用方法，其特征在于釆用模糊 神網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)探測(cè)計(jì)算法，該計(jì)算法依附多層結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；所述 的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為學(xué)習(xí)訓(xùn)練階段和工作運(yùn)行階段；其中，學(xué)習(xí)訓(xùn)練階段包括以下步驟 步驟l:學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本的預(yù)處理；步驟2:初始化模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)權(quán)值『^,， ^，巧p激活 函數(shù)曲線的斜率/，自適應(yīng)學(xué)習(xí)率"和學(xué)習(xí)因子C; 步驟3:計(jì)算模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層的輸入和輸出值；<formula>formula see original document page 3</formula>其中^表示第一層節(jié)點(diǎn)的輸入；Ow表示第一層節(jié)點(diǎn)的輸出；it = 1，2 ;表 示輸入層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；、表示第二層節(jié)點(diǎn)的輸入；02,表示第二層節(jié)點(diǎn)的輸出； j:l，2,A ，7表示第二層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；^,表示第一層和第二層之間的權(quán)值矩陣； /3,表示第三層節(jié)點(diǎn)的輸入；03,表示第三層節(jié)點(diǎn)的輸出； 1,2,A，7表示第三層 節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；K表示第二層和第三層之間的權(quán)值矩陣；"p表示第四層節(jié)點(diǎn)輸 出，；^1表示第四層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；^,表示第三層和第四層之間的權(quán)值矩陣；步驟4:計(jì)算模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層各單元的校正誤差<formula>formula see original document page 3</formula>步驟5:計(jì)算模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值修正因子二z7 3/ 盟/ L ," 旭/ L j a步驟6:對(duì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層之間的連接權(quán)值進(jìn)行修正 『 (" 1) = (0 -柳^ +來(lái)(。-K'"-")^ (,+1)=^ (o—*+束")-，-1))『# (" 1)=『* (,) - I +永(o _『聲('- ")步驟7:計(jì)算權(quán)值更新后的網(wǎng)絡(luò)誤差函數(shù)^Z去(7;- )2，然后學(xué)習(xí) 次數(shù)n=n+l;步驟8:誤差E〈某一足夠小的常數(shù)e或?qū)W習(xí)次數(shù)n〉常數(shù)N ，是則 訓(xùn)練結(jié)束，否則轉(zhuǎn)3。其中，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在工作運(yùn)行階段包括以下步驟 步驟l:對(duì)當(dāng)前采樣的煙霧濃度信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理； 步驟2:計(jì)算模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層的輸入和輸出值；A=l 乂=<formula>formula see original document page 5</formula>步驟3:對(duì)網(wǎng)絡(luò)輸出的火災(zāi)發(fā)生概率進(jìn)行判斷，如概率>0.5，表示發(fā)生火 災(zāi)，否則為誤報(bào)。
7、 一種紅外光束型火災(zāi)煙霧探測(cè)器的使用方法，其特征在于所述的多 層結(jié)構(gòu)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；采用2-7-7-1四層結(jié)構(gòu)；其中，依序的2代表第一層，即輸入層，表示模糊推理系統(tǒng)中的前件參 數(shù)，具有^和^兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)；x,為表示當(dāng)前煙霧濃度信息的模糊變量，x,為 相鄰兩次煙霧濃度變化率的模糊變量；7為第二層表示輸入變量模糊子空間的 劃分，具有7個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)；每一個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)模糊子集，共劃分成7 個(gè)模糊子集；7為第三層表示火災(zāi)發(fā)生概率U模糊子空間的劃分，具有7個(gè)隱 層節(jié)點(diǎn)；每一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)模糊子集，共劃分成7個(gè)模糊子集l為第四層 即輸出層，具有l(wèi)個(gè)輸出層節(jié)點(diǎn)；表示模糊推理系統(tǒng)中的后件參數(shù)；所述的一 二層對(duì)應(yīng)模糊控制規(guī)則的前件，二 三層對(duì)應(yīng)模糊邏輯推理， 四層對(duì)應(yīng)的是模糊控制規(guī)則的結(jié)論部分。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種紅外光束型火災(zāi)煙霧探測(cè)器及其檢測(cè)方法，該探測(cè)器含有MCU核心電路、電源電路、時(shí)鐘電路、鍵盤(pán)及顯示器接口、本地通訊電路、遠(yuǎn)程通訊電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、開(kāi)關(guān)量輸出電路、聲光報(bào)警電路、模擬信號(hào)采集模塊、紅外發(fā)射接收電路，檢測(cè)方法是一種模糊神網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)探測(cè)算法，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用四層結(jié)構(gòu)分別代表輸入層、輸入變量模糊子空間的劃分、火災(zāi)發(fā)生概率U模糊子空間的劃分和輸出層；通過(guò)對(duì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，提高網(wǎng)絡(luò)的泛法能力，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能對(duì)當(dāng)前的輸入做出準(zhǔn)確的判斷。在提高探測(cè)器靈敏度的同時(shí)，可以減少誤報(bào)率，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，極大地提高火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號(hào)G08B17/10GK101504790SQ20081022593
公開(kāi)日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2008年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月7日
發(fā)明者張微敬, 錢(qián)稼茹, 陳雙葉 申請(qǐng)人:清華大學(xué)