Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт компьютерных технологий и информационной безопасности

Кафедра информационной безопасности телекоммуникационных систем

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ

на тему:

Пожарный извещатель системы охранно-пожарной сигнализации с использованием защищённого канала связи.

Руководитель дипломного проекта

ассистент Петров Д.А.

Дипломник Громоздин Андрей Николаевич, группа ИРС-31

Таганрог 2014г.

Аннотация

В данном дипломном проекте рассмотрена система охранно-пожарной сигнализации объекта устойчивая к обходу системы злоумышленником разработан пожарный извещатель для данной системы. В ходе работы над дипломным проектом произведен выбор и обоснование структурной и функциональной схемы системы. Определён протокол обмена данными между ПКП ОПС и извещателем, также рассмотрены вопросы защиты информации при осуществлении информационного обмена. Произведена разработка и расчет номинальных значений элементов, входящих в состав структурной и функциональной схем. Проведено моделирование отдельных функциональных узлов извещателя. Разработана конструкция защищённого от попыток обхода пожарного извещателя.

Проведено экономическое обоснование проекта и рассмотрены вопросы экологичности и безопасности жизнедеятельности проекта.

Оглавление

• Аннотация
• Введение
• 1. Обзор существующих извещателей ОПС
• 1.1 Извещатели систем ОПС
• 2. Анализ технического задания. Требования ТЗ к разрабатываемому извещателю
• 2.1 Идентификация извещателей
• Максимальное число адресуемых извещателей: до 128
• Дальность линии связи ПКП-Извещатель 200м., напряжение питания системы: +В
• Режим работы извещателя: непрерывный
• Извещатель пожарной сигнализации: однопозиционный
• 3. Разработка структурной схемы
• 4. Разработка функциональной схемы
• 4.1 Термометр
• 4.2 ИК сенсоры освещённости
• Оценка величины напряжения на выходе фотодиода
• 4.3 Преобразование сигналов от ИК-фотодиодов для обработки в вычислительном устройстве
• 4.4 Вычислитель
• 4.5 Шина информационного обмена между извещателем и ПКП
• 4.6 Описание шины 1-wire
• 4.7 Основные принципы
• 4.8 Организация ведущих
• 4.9 Ведомые 1_Wire_компоненты
• 4.10. Магистраль и топология 1_Wire_сети
• 4.11 Описание микроконтроллера STM32F100С8
• 5. Разработка принципиальной схемы
• 5.1 Описание принципиальной схемы
• 5.2 Расчёт узлов пожарного извещателя
• 5.3 Синтез алгоритма обработки данных измерительных сенсоров
• Мостовой измеритель температуры
• 5.4 Синтез алгоритма
• Описание алгоритма
• 6. Моделирование
• 6.1 Моделирование узлов извещателя пожарной сигнализации в пакете Micro Cap
• Моделирование усилителя 1
• Моделирование усилителя 2
• Моделирование стабилизатора напряжения
• 7. Разработка конструкции извещателя
• 8. Безопасность и экологичность проекта
• 8.1 Системный анализ работоспособности и безопасности системы пожарной сигнализации
• 8.2 Мероприятия по повышению надежности и работоспособности устройства
• 8.3 Защита окружающей среды
• 9. Технико-экономическое обоснование проекта
• 9.1 Обоснование необходимости и актуальности разработки
• 9.2 Технические характеристики разрабатываемого устройства
• 9.3 Обоснование выбора аналога для сравнения
• 9.4 Обоснование выбора критериев сравнения разрабатываемого устройства с аналогом
• 9.5 Стоимостная оценка разработки
• 9.6 Расчет технико-экономических показателей разработки
• 9.7 Продвижение разработки
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

В ходе дипломного проектирования необходимо разработать пожарный извещатель системы охранно-пожарной сигнализации, обладающий, адаптацией к изменению внешних условий за счёт использования адаптивных алгоритмов анализа входных данных, для улучшения сервисных характеристик устройства за счёт адаптации без необходимости изменения схемы извещателя. Одним из направлений развития систем пожарной сигнализации могут служить распределённые системы с постоянным накоплением, параллельной обработкой данных, за счёт использования распределённых вычислительных систем. Наличие объективной тенденции к переходу от систем с детерминированной логикой к системам с гибкой программно реализуемой логикой вызванной удешевлением микропроцессорной техники, которые преимущественно реализуются на микропроцессорах, современные микропроцессоры для встраиваемых применений обладают низкой стоимостью и имеют в своём составе широкий спектр периферийных интерфейсов различного назначения позволяющих решать широкий спектр задач. Наличие вычислительного ядра совместно с ядрами сигнальных процессоров в некоторых моделях микроконтроллеров позволяет производить не только первичную обработку данных в извещателях но и решать более сложные задачи.

Простота алгоритмов первичной обработки данных в таких системах не приводит к наличию неэффективно используемых вычислительных ресурсов за счёт наличия развитых режимов энергосбережения, при отсутствии ограничений по уровню потребляемой мощности, вычислительные ресурсы могут быть использованы для проведения параллельной обработки данных в системе ОПС, с последующей их консолидацией на ПКП ОПС.

система извещатель пожарная безопасность

1. Обзор существующих извещателей ОПС

1.1 Извещатели систем ОПС

Технические средства (ТС) охранной и охранно-пожарной сигнализации, предназначенные для получения информации о состоянии контролируемых параметров на охраняемом объекте, приема, преобразования, передачи, хранения, отображения этой информации в виде звуковой и световой сигнализации, в соответствии с ОСТ 25 829 - 78 классифицируются по области применения и функциональному назначению.

По области применения ТС делятся на охранные, пожарные и охранно-пожарные; по функциональному назначению - на технические средства обнаружения (извещатели), предназначенные для получения информации о состоянии контролируемых параметров, и ТС оповещения, предназначенные для приема, преобразования, передачи, хранения, обработки и отображения информации (СПИ, ППК и оповещатели).

Классификация пожарных извещателей

По принципу действия пожарные извещатели делят на извещатели ручного и автоматического действия.

Автоматические пожарные извещатели могут быть тепловыми, реагирующими на повышение температуры; дымовыми, реагирующими на появление дыма; имеются также извещатели пламени, реагирующие на оптическое излучение открытого пламени.

Классификация приемно-контрольных приборов

По информативной емкости (количеству контролируемых шлейфов сигнализации - ШС) ППК подразделяются на приборы малой (до 5 ШС), средней (от 6 до 50 ШС) и большой информационной емкости (свыше 50 ШС).

По информативности ППК могут быть малой (до 2 видов извещений) и средней информативности (от 3 до 5 видов извещений).

Классификация оповещателей

По характеру выдаваемых сигналов оповещатели подразделяются на световые и звуковые, а по исполнению - на оповещатели для использования в помещениях и на открытом воздухе.

Классификация систем передачи извещений

По информационной емкости (количеству охраняемых объектов) СПИ подразделяют на системы с постоянной информационной емкостью и возможностью наращивания информационной емкости.

По информативности СПИ подразделяются на системы малой (до 2 видов извещений), средней (от 3 до 5 видов извещений) и большой информативности (свыше 5 видов извещений).

По типу используемых линий (каналов) связи СПИ подразделяются на системы, использующие линии телефонной сети (в том числе переключаемые), специальные линии связи, радиоканалы, комбинированные линии связи и др.

По количеству направлений передачи информации СПИ подразделяются на системы с одно - и двунаправленной передачей информации (с наличием обратного канала).

Имеются СПИ с постоянным и переменным форматами сообщения.

По алгоритму обслуживания объектов СПИ подразделяются на неавтоматизированные системы с ручным "взятием" объектов под охрану и "снятием" с охраны после ведения телефонных переговоров дежурного пульта управления с хозорганом и автоматизированные с автоматическим "взятием" и "снятием" (без ведения телефонных переговоров).

По способу отображения поступающей на ПЦН информации СПИ подразделяются на системы с индивидуальным или групповым отображением информации в виде световых и звуковых сигналов, с отображением информации на дисплеях с применением устройств обработки и накопления банка данных.

В соответствии с ГОСТ 26342 - 84 охранно-пожарные извещатели классифицируются по следующим параметрам:

­ по назначению - для закрытых помещений, открытых площадок, периметров объектов;

­ по виду зоны, контролируемой извещателем, - точечные, линейные, поверхностные и объемные;

­ по принципу действия охранные извещатели подразделяются на омические, магнитоконтактные, ударно-контактные, пьезоэлектрические, емкостные, ультразвуковые, оптико-электронные, радиоволновые, комбинированные и др.;

­ по количеству зон обнаружения - одно - и многозонные; по дальности действия ультразвуковые, оптико-электронные и радиоволновые охранные извещатели для закрытых помещений подразделяются на извещатели малой (до 12 м), средней (от 12 до 30 м) и большой дальности (свыше 30 м);

­ по дальности действия оптико-электронные и радиоволновые охранные извещатели для открытых площадок и периметров объектов подразделяются на извещатели малой (до 50 м), средней (от 50 до 200 м) и большой дальности (свыше 200 м);

­ по конструктивному исполнению ультразвуковые, оптико-электронные и радиоволновые охранные извещатели подразделяются на однопозиционные, в которых передатчик (излучатель) и приемник совмещены в одном блоке (может быть несколько передатчиков и приемников в одном блоке); двухпозиционные, в которых передатчик (излучатель) и приемник выполнены в виде отдельных блоков; многопозиционные, в которых имеется более двух блоков в любой комбинации;

­ по способу электропитания - токонепотребляющие (используется "сухой" контакт), питающиеся от ШС (шлейфа сигнализации), внутреннего автономного источника питания, внешнего источника постоянного тока напряжением 12.24 В, сети переменного тока напряжением 220 В.

Охранно-пожарные извещатели по принципу действия подразделяются на магнитоконтактные, ультразвуковые и оптико-электронные.

По количеству зон обнаружения, дальности действия и конструктивному исполнению охранно-пожарные извещатели классифицируются аналогично охранным извещателям.

По типу обнаруживаемых тревожных событий извещатели, применяемые в системах охранно-пожарной сигнализации разделяются:

­ появление открытого пламени;

­ появление задымления;

­ повышение температуры;

­ движение злоумышленника (ИК активные и пассивные, радиоволновые линейные и объемные, ультразвуковые);

­ открытие контролируемой зоны (магнитоконтактные);

­ нарушения целостности стекла (акустические, ударно-контактные);

­ изменение ёмкости (емкостные);

­ колебание охраняемой поверхности (вибрационные);

­ преступное нападение (тревожные кнопки и педали, "кукла");

­ любые комбинации из вышеперечисленных.

ПКП по способу обмена данными с извещателями можно разделить на проводные или беспроводные (радиоканальные) В проводных системах используются 2-х проводные (электропитание осуществляется по шлейфу сигнализации, например Фотон-8) или 4-х проводные извещатели (для монтажа извещателя необходимо подвести к месту установки извещателя линию питающего напряжения от блока питания и линию сигнализации, например Фотон-СК), В некоторых извещателях устанавливается "тампер" контакт контроля вскрытия, который сигнализирует о попытке злоумышленника нарушить целостность корпуса извещателя.

Дымовые пожарные извещатели.

Принцип работы большинства дымовых извещателей основан на обнаружении поглощающих твердых частиц, которые образуются в помещениях при неполном сгорании большинства материалов, такие извещатели являются измерителями прозрачности воздуха в контролируемой зоне.

Дымовые пожарные извещатели, исходя из принципа их работы и конструкции, а также конфигурации контролируемой зоны можно разделить на следующие виды:

Точечные дымовые оптические пожарные извещатели.

Рисунок 1.1 - Внешний вид точечных оптических пожарных извещателей.

Извещатели реагируют на возникновение дыма вокруг точки в которой они установлены. Радиус зоны действия зависит от технических характеристик извещателя, высоты их установки, строительных особенностей помещения и регламентируется строительными нормами (СНБ).

Такие извещатели, состоят из закрытой от света но позволяющей свободно проходить воздуху дымовой камеры и электронной схемы анализирующей состояние воздуха в этой камере и передающей эту информацию на приемно-контрольный прибор ОПС.

В дымовой камере размещается светодиод и фотодиод оптически несоосные друг другу (при отсутствии задымления). Если же в дымовую камеру попадают твердые частицы, отражающие инфракрасное излучение (дым, пар, пыль, насекомое.), образуется поступление отраженного ИК-излучения на фотодиод, напряжение пропорциональное интенсивности излучения падающего на фотодиод поступает на вход схемы пожарного извещателя для последующей обработки.

В современных дымовых пожарных извещателях используется обработка на основе микропроцессора, позволяющая на уровне самого извещателя, программно обрабатывать сигнал полученный от фотодиода с целью максимального исключения ложных срабатываний.

Недостатком такой схемы является изменение уровня сигнала на фотодиоде при загрязнении дымовой камеры свободными от этого недостатка являются извещатели, функционирующие на сравнении интенсивностей двух лучей от одного светодиода, один из которых направлен соосно со светодиодом, а второй - перпендикулярно оптической оси светодиода. В нормальном состоянии один луча имеет максимальную интенсивность, а другой минимальную интенсивность, а при наличии частиц дыма имеется отношение интенсивности двух потоков изменяется.

Основное преимущество точечных дымовых извещателей в относительно небольшой стоимости, простоте установки. Оптические дымовые пожарные извещатели не пригодны для обнаружения факта возгорания веществ не выделяющих дыма.

Линейные дымовые пожарные извещатели.

Рисунок 1.2 - Внешний вид линейных оптических пожарных извещателей.

Линейными извещатели считаются потому, что обнаруживают наличие задымления на протяжении линейной зоны обнаружения. Конфигурация зоны обнаружения определяется техническими характеристиками извещателя и может достигать 100 м. Линейные пожарные извещатели состоят из сонаправленных источника и приемника инфракрасного излучения. Источник и приемник может выполнятся как в виде отдельных модулей, так и в виде одного модуля с применением отражателя (однопозиционные). Наличие возгорания определяется по уровню сигнала на приёмнике оптического излучения, при возникновении задымления в контролируемой зоне, уровень сигнала на приемнике значительно падает.

Рисунок 1.3 - Зона обнаружения линейных оптических пожарных извещателей.

Линейными пожарными извещателями как правило оборудуются протяженные помещения с высоко расположенными перекрытиями (спортзалы, выставочные павильоны, склады.). Одним из условий установки таких извещателей, является отсутствие преград в контролируемой зоне. Линейные пожарные извещатели не как и точечные не пригодны для обнаружения возгорания веществ не выделяющих дыма.

Ионизационные дымовые пожарные извещатели.

Рисунок 1.4 - Внешний вид ионизационных пожарных извещателей.

Эти извещатели реагируют на частицы дыма, которые влияют на изменение ионизационного тока внутри рабочей камеры. Извещатели делятся на радиоизотопные и электроиндукционные. Ионизационные дымовые извещатели не рекомендуется применять в помещениях с постоянным пребыванием людей. Измерительная камера извещателей располагается между двумя металлическими пластинами, на которые подается напряжение. Между пластинами устанавливается источник (), который ионизирует воздух в камере. В результате этого в ней протекает ионный ток. Частицы дыма, попадающие в камеру, препятствуют движению заряженных б-частиц, в результате чего скорость движения последних уменьшается и снижается ионный ток. При падении тока ниже определенного порога выдается сигнал тревоги.

Аспирационные дымовые пожарные извещатели.

Рисунок 1.5 - Внешний вид аспирационных пожарных извещателей.

Аспирационные пожарные извещатели используются в больших помещениях, где хранится большое количество материальных ценностей, а также на других особо важных объектах. Такой извещатель состоит из точечного лазерного извещателя, заключенного в герметичный корпус и системы воздуховодов, через которые производится отбор воздуха из разных частей контролируемого помещения, и принудительная протяжка через сенсорный блок. Монтаж такой системы достаточно сложен, из-за необходимости установки воздуховодов. Отверстие забора воздуха может иметь небольшие размеры, его проще скрыть чем пожарный извещатель, система воздуховодов может быть смонтирована скрыто или замаскирована элементами интерьера. В одном корпусе извещателя может объединяться несколько контролируемых зон контуров воздуховодов. Система воздуховодов может выполнятся из труб диаметром около 20 мм, при этом воздухозаборные отверстия могут составлять диаметр 3 мм, а конец воздухозаборной трубы, для обеспечения равномерности захвата воздуха, обычно закрывают заглушками с отверстием в два раза большим воздухозаборных. В систему воздухозаборных трубок могут включаться различные фильтры для очистки от пыли, устройства отбора конденсата и т.д.

Тепловые точечные пожарные извещатели.

Рисунок 1.6 - Внешний вид тепловых пожарных извещателей.

Принцип работы тепловых точечных пожарных извещателей в большинстве случаев основан на двух принципах. В самых примитивных тепловых извещателях при превышении температуры окружающей среды выше максимального значения выдача сигнала, в виде размыкания или замыкания контактов, формируется за счет физических свойств термочувствительного элемента. Такие извещатели не потребляют тока для своей работы и называются пассивными извещателями максимального типа. В качестве термочувствительного элемента использовался сплав "Вуда". Такие извещатели после срабатывания не подлежали восстановлению и заменялись новыми.

Рисунок 1.7 - Внешний вид тепловых пожарных извещателей.

В настоящее время используются многоразовые тепловые извещатели "максимального" типа. В них используется термочувствительный элемент на основе биметаллических или магнитных материалов. Под воздействием температуры биметаллические материалы меняют свою форму и механически воздействуют на контакт. А при воздействии температуры на постоянный магнит, свойства магнита изменяются и соответственно меняется воздействие магнита на магнитно управляемый контакт (геркон). "Максимальные" тепловые пожарные извещатели подбирают таким образом, чтобы температура их срабатывания превышала предельно допустимое максимальное значение температуры в охраняемом помещении на 10.30°С и более. Чем больше эта разница, тем меньше вероятность ложных срабатываний, но в то же время снижается вероятность обнаружения возгорания на самых ранних стадиях. Наиболее часто применяются "максимальные" тепловые пожарные извещатели рассчитанные на срабатывание при температуре превышающей 60 - 70°C.

Более дорогие и как правило современные адресные пожарные извещатели имеют в своем составе полупроводниковый термочувствительный элемент, состояние которого обрабатывается электронной схемой, затем сигнал передается приемоконтрольному прибору. Такие извещатели более гибки в настройке, позволяют установить оптимальную температуру для каждого отдельного контролируемого помещения. Применение тепловых пожарных извещателей наиболее целесообразно в тех случаях, когда в охраняемом помещении в основном находятся такие материалы, при горении которых выделяется мало или совсем не выделяется дым, и основным фактором возгорания является температура. Еще такие извещатели применяют в помещениях, где по технологическому процессу в воздухе присутствует большое количество пыли, препятствующее применению дымовых пожарных извещателей.

Тепловые линейные пожарные извещатели.

Рисунок 1.8 - Внешний вид линейных тепловых пожарных извещателей.

Тепловые линейные пожарные извещатели внешне представляют из себя обычный кабель небольшого сечения. Применение этих извещателей целесообразно в случае большой протяженности помещения, взрывоопасностью и пожароопасностью помещения, присутствием влаги пыли, повышенной загрязненностью, агрессивностью среды. К таким помещениям можно отнести предприятия нефтегазового комплекса, металлургическое и химическое производство, кабельные коллекторы и каналы, транспортные и технологические тоннели.

Промышленностью выпускается несколько видов линейных тепловых извещателей:

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ линейный тепловой пожарный извещатель, в качестве сенсора температуры используется покрытие проводов веществом, имеющим отрицательный температурный коэффициент. Данный вид термокабеля работает только в комплекте с электронным управляющим блоком. При воздействии температуры на любой участок термокабеля изменяется сопротивление в точке воздействия. С помощью управляющего блока можно задать разные пороги температурного срабатывания. Кабель после кратковременного воздействия температуры восстанавливает свою работоспособность. Конструкция термокабеля функционально не имеет возможности измерения расстояния до точки срабатывания.

МЕХАНИЧЕСКИЙ В качестве сенсора температуры данного извещателя используется герметичная металлическая трубка, заполненная газом, а также датчик давления, подключенный к электронному блоку управления. При воздействии температуры на любой участок сенсорной трубки изменяется внутреннее давление газа, значение которого регистрируется электронным блоком. Данный тип линейного теплового пожарного извещателя многоразового действия. Длина рабочей части металлической трубки сенсора имеет ограничение по длине до 300 метров.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ Это линейный тепловой пожарный извещатель, у которого в качестве датчика температуры используется термочувствительный материал, нанесенный на два механически напряженных провода (свитых друг вокруг друга). Под воздействием температуры термочувствительный слой размягчается, и два проводника накоротко замыкаются. Электромеханическому типу извещателя не требуются специальные электронные блоки управления. Это обычный (не точечный) тепловой датчик одноразового действия с нормально разомкнутым контактом. Благодаря достаточно большому сопротивлению проводников (1 Ом на 1.5 метра) возможно измерение расстояния до точки срабатывания. Длина электромеханического термокабеля, используемого в качестве линейного пожарного извещателя в системах пожарной сигнализации, ограничивается только сопротивлением проводников и может достигать 2 Км. Термокабель электромеханического типа подразделяется на виды (по температуре срабатывания).

ОПТОВОЛОКОННЫЕ Этот тип линейного теплового извещателя способен не только быстро и надёжно установить различные виды пожара, но и точно определить расстояние до него с точностью нескольких метров.

Рисунок 1.10 - Принцип действия линейных оптоволоконных пожарных извещателей.

При этом воздушные потоки практически не влияют на работу системы, так как анализируется не только температура окружающей среды, но и лучистая энергия. Кроме того, возможно на протяжении длительного времени контролировать размер пожара и направление его распространения, так как кабель выдерживает температуру до 750°C, не теряя работоспособности. Благодаря этому можно эффективно контролировать эффективность предпринимаемых противопожарных мер.

Пожарные извещатели пламени

Рисунок 1.11 - Внешний вид пожарных извещателей пламени.

Пожарные извещатели пламени. Извещатели пламени могут реагировать на инфракрасную или ультрафиолетовую составляющую спектра излучения, создаваемого при горении различных материалов. Пожарные извещатели пламени реагируют наиболее быстро из вышерассмотренных извещателей на появление даже очень небольшого открытого пламени в зоне их действия. Такие извещатели целесообразно применять в случаях, когда горение пламени возникает на начальных стадиях возгорания (например при горении жидкостей или газов), но они малоэффективны, если пожар начинается с процесса тления. Основными характеристиками извещателей пламени являются дальность действия и угол обзора.

Современные извещатели пламени с инфракрасным сенсором реагируют на наиболее характерную часть спектра пламени. Одновременно с обнаружением необходимого спектра излучения, современные извещатели пламени могут производить анализ частоты его изменения, чтобы исключить ложные срабатывания в результате воздействия инфракрасного излучения, испускаемого иными источниками (солнце, бытовые приборы, технологическое оборудование, лампы накаливания и т.д.). Обнаружив совпадение длины волны и частоты мерцания с заданными значениями, извещатель выдает сигнал тревоги. Инфракрасные извещатели пламени, во избежание ложных срабатываний, не рекомендуется использовать в помещениях, где имеются открытые нагревательные приборы накаливания.

Комбинированные пожарные извещатели пламени с инфракрасным сенсором годятся для обнаружения возгорания как при наличии дымообразования, так и в случае бездымного горения, а датчики с ультрафиолетовым сенсором более чувствительны и помехоустойчивы при обнаружении бездымного горения но горения с большим выделением дыма сильно ослабляет их чувствительность. Ложные срабатывания ультрафиолетовых извещателей пламени могут быть вызваны различными бытовыми и промышленными источниками ультрафиолетового излучения (сварочные аппараты, фотовспышки, мощные газоразрядные лампы и пр.), даже если они расположены вне зоны их действия. Поэтому используются комбинированные извещатели пламени, реагирующие и анализирующие сразу несколько участков спектра, такие комбинированные извещатели проявляют повышенную надежность и устойчивость к ложным срабатываниям, их чувствительность практически одинакова во всей зоне их действия.

Ручные пожарные извещатели

Рисунок 1.12 - Внешний вид ручных пожарных извещателей.

Ручные пожарные извещатели представляют собой переключатель - обычная кнопка или рычаг, с надписью "Нажать при пожаре". Кроме самого переключателя его состав входит индикатор состояния и электронная схема. В функцию схемы входит преобразование события нажатия кнопки в форму, понятную приемоконтрольному прибору.

Комбинированные пожарные извещатели

В комбинированных извещателях объединены в одном корпусе два или более типов извещателей. Чаще всего это дымовой и тепловой. Внешне они чаще всего похожи на дымовой извещатель.

Кроме рассмотренных также существуют извещатели, реагирующие на наличие угарного газа, горючих газов или паров в воздухе контролируемого помещения.

Все типы пожарных извещателей, в зависимости от используемого в шлейфе ОПС сигнала, выпускаются адресного и аналогового типа.

Аналоговые извещатели при срабатывании изменяют ток в шлейфе, по значению тока (сопротивления) приемоконтрольный прибор может определить одно из состояний шлейфа (обрыв, короткое замыкание, норма, сработал один извещатель в шлейфе, сработали два извещателя в шлейфе). Такие извещатели достаточно универсальны в применении, один и тот же извещатель можно использовать с разными модификациями приборов. Но при включении нескольких извещателей в один шлейф нельзя сказать какой из извещателей сработал, не проверив контролируемую шлейфом зону.

Адресные пожарные извещатели передают приёмно-контрольному прибору кодированную информацию, включающую в себя свой идентификатор в шлейфе и контролируемые параметры. При этом обмен двунаправленный и такой извещатель может еще и принимать информацию от прибора (например команду на отключение). Такие извещатели часто не имеют совместимости между производителями и выпускаются каждым производителем конкретно для своего ПКП. Такие извещатели способны не просто передавать одно из состояний извещателя, а информационные параметры контролируемой зоны, например уровень задымленности в условных единицах или температуру в помещении. Адресный приемно-контрольный прибор приняв эти данные анализирует и в зависимости от программы выдает оператору необходимый сигнал и включает или отключает необходимое оборудование. Кроме этого преимущество таких извещателей в том, что в один шлейф можно включать большое их количество (127 и более, в зависимости от типа интерфейса), и при этом, благодаря уникальности номера каждого извещателя можно определить с поста дежурного какой конкретно из всех извещателей шлейфа сработал и в каком конкретном помещении. Адресные пожарные извещатели могут быть с питанием по отдельной паре проводов (например в АСПС "Эстафета"), а могут питаться по той же витой паре, по которой идет обмен информацией с прибором (например в АСПС "Бирюза", "Esser", "Bolid" и многих других.)

2. Анализ технического задания. Требования ТЗ к разрабатываемому извещателю

2.1 Идентификация извещателей

Наличие идентификатора у извещателей в системе ОПС, приводит к тому, что при работе система должна обеспечивать ввод в эксплуатацию извещателей, в случае необходимости их замену, или демонтаж при изменении конфигурации контролируемой зоны объекта.

Максимальное число адресуемых извещателей: до 128

Рассчитаем количество элементов поля адреса минимально необходимое для передачи идентификатора извещателя при обмене между ПКП, и охранными извещателями

бит.

Получаем, что необходимая длина идентификатора составляет 7бит.

Дальность линии связи ПКП-Извещатель 200м., напряжение питания системы: +В

Рассчитаем необходимое сечение питающего провода, для питания извещателей от ПКП ОПС. Примем максимальный уровень напряжение в шлейфе питания извещателей равным 25В, минимальное напряжение достаточное для работы источника вторичного питания возьмём равным 12В. Выберем максимальное падение напряжения в шлейфе питания , при этом каждый извещатель потребляет средний ток 20мА.

Ток потребляемый всеми извещателями в системе с полным числом извещателей будет равен

Сопротивление одной жилы шлейфа питания получаем равным 2,34 Ом.

Сечение проводника определяется выражением

Учитывая, что извещатели имеют режим энергосбережения и поочерёдную передачу информации от извещателей к ПКП возможно для монтажа системы в качестве питающего кабеля использовать кабель, с сечением жил не менее .

Режим работы извещателя: непрерывный

Для работы в непрерывном режиме система должна обладать большим временем наработки на отказ, и иметь малое время приведения в рабочее состояние, для удовлетворения этого требования ТЗ, используем состояние извещателя "неисправность" сигнализирующее о неисправности или умышленном повреждении конкретного извещателя, для обеспечения обнаружения неисправности будем использовать процедуру диагностирования состояния извещателя.

Шлейф: 3-проводный (2-питание +1-данные).

Род работы шины: асинхронный, полудуплексный;

Применение однопроводной шины данных, и асинхронная работа системы передачи, позволяет исключить один провод для передачи синхросигнала от контроллера пожарной сигнализации, одна линия будет использоваться для обмена информацией между извещателем и ПКП в режиме временного разделения.

Извещатель пожарной сигнализации: однопозиционный

Для построения однопозиционного пожарного извещателя необходимо, чтобы приёмник и передатчик конструктивно были объединены в одном корпусе.

3. Разработка структурной схемы

Представим обобщённую структурную схему системы охранно-пожарной сигнализации в соответствии с проведённым выше анализом требований технического задания

Рисунок 3.1 - Структурная схема системы охранно-пожарной сигнализации

В данной структурной схеме имеется один приёмно-контрольный прибор охранно-пожарной сигнализации, и N охранно-пожарных извещателей размещённых в пределах контролируемой зоны. Система ОПС рассчитана на работу по общей трёхпроводной шине.

ПКП последовательно обменивается информацией с извещателями, циклически опрашивая все извещатели. В режиме установленного соединения извещатель с соответствующим идентификатором принимает запрос от ПКП, и формирует ответную посылку для ПКП, в случае если по истечении заданного интервала времени, извещатель не передал ответный пакет на ПКП, ПКП информирует оператора системы ОПС посредством вывода на индикатор данных о неисправности извещателя.

В зависимости от текущих настроек ПКП, действия ПКП при неисправности извещателя ОПС можгут быть различными: от вывода информации на индикатор, до включения звуковой и световой индикации в зависимости от роли неисправного извещателя в системе ОПС.

В случае корректного функционирования извещателя он передаёт пакет с идентификатором контроллера шины ПКП, статусом извещателя, и дополнительными данными о параметрах зоны (температура, влажность и. т.п.). В случае передачи тревожного извещения, если статус извещателя отличен от состояния "ГОТОВ", происходит тревожная световая и звуковая индикация, далее наступившее событие может регистрироваться в базе событий.

4. Разработка функциональной схемы

В соответствии с разделами 2 и 3 изобразим функциональную схему пожарного извещателя ОПС.

Выберем узлы входящие в состав пожарного извещателя.

В минимальной конфигурации извещатель должен содержать следующие узлы:

1. Термометр

2. ИК-светодиод

3. ИК-фотодиоды.

4. АЦП

5. ЦАП.

6. Микрокопроцессор/сигнальный процессор (MPU).

7. Операционный усилитель

8. Блок формирования питающих напряжений (STU).

Рисунок 4.1 - Функциональная схема извещателя пожарной сигнализации.

Рассмотрим узлы, которые необходимы для построения извещателя пожарной сигнализации.

Извещатель реализуется по комбинированной схеме, используя термометр для контроля параметров окружающей среды, ИК светодиод и 2 фотодиода для контроля дымовой камеры.

4.1 Термометр

Измерение параметров окружающей среды можно проводить либо с помощью специализированных ИМС с цифровым выходом, либо проводить анализ отдельных параметров окружающей среды отдельными модулями реализованными на дискретных элементах, а затем оцифровать сигнал с помощью АЦП.

Выберем основой для построения термометра измерительный мост с диодом в качестве чувствительного элемента.

4.2 ИК сенсоры освещённости

Для измерения освещённости нередко применяют элементы, изменяющие некоторый параметр, например сопротивление при изменении освещённости.

Примером таких приборов могут быть такие приборы, как фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы.

Наиболее оправданным, с технической и экономической точки зрения, является применение фотодиодов, по причине их низкой стоимости и простоты замены.

Далее необходимо произвести усиление сигналов измерительных элементов измерения освещённости.

Оценка величины напряжения на выходе фотодиода

Оценим расходимость светового пучка для ик-светодиода

,

где -мощность светового потока принятая фотодиодом, -внутреннее сопротивление фотодиода.

Площадь покрываемая световым пучком на расстоянии и углом расхождения равна:

где -радиус расхождения луча.

Рассчитаем мощность излучения принятого фотодиодом, она равна:

,

где -площадь фоточувствительного элемента, -мощность излучения светодиода. -первоначальная площадь сечения светового потока от светодиода.

Для большинства современных ФД

=0.0005*0.5

4.3 Преобразование сигналов от ИК-фотодиодов для обработки в вычислительном устройстве

Сигналы от ИК-фотодиодов после усиления на ОУ имеют максимальную амплитуду равную десяткам милливольт. Для обработки в вычислительном устройстве информации о прохождении ИК-излучения в дымовой камере, которая содержится в аналоговом сигнале, необходимо осуществить его импульсно-кодовую модуляцию, т.е. преобразовать его в двоичный код. Преобразование аналогового сигнала в цифровой код производится с помощью специальных устройств - аналогово-цифровых преобразователей (АЦП). АЦП характеризуются такими параметрами, как разрядность и максимальная частота преобразования.

Ошибка квантования АЦП вычисляется по формуле , где N - число разрядов АЦП.

Для обеспечения приемлемой точности, зададимся максимальной погрешностью квантования

Рассчитаем наименьшее N обеспечивающее заданную точность

Выберем требуемую разрядность АЦП равной 8 разрядов.

4.4 Вычислитель

Вычислитель (решающее устройство) производит обработку входных данных и производит выдачу решения на соответствующие выходы в соответствии с алгоритмом работы устройства.

Вычислительное устройство может быть построено как на дискретных логических элементах, с жёстко определённым алгоритмом работы устройства, так и на программно-аппаратной основе.

Применение специализированных микросхем обладающих универсальной структурой, внутренней перезаписываемой памятью и ОЗУ является распространённым подходом к построению вычислительного устройств.

Применение специализированной ИМС позволяет реализовывать произвольные алгоритмы, позволяющие извещателю корректнее реагировать на изменяющиеся внешние условия.

С точки зрения технической реализации к таким специализированным ИМС относятся микропроцессоры и микроконтроллеры.

Наиболее простыми в освоении, и дешевыми являются микроконтроллеры. Исходя из того, что пожарный извещатель не требует использования сложных алгоритмов, анализ обстановки в контролируемой зоне может происходить один раз в несколько секунд имеет смысл реализовать устройство управления и обработки пожарного извещателя на микроконтроллере. Такое решение обеспечивает возможность произвольной модификации алгоритма обработки информации сенсоров в процессе эксплуатации извещателя.

В нашем устройстве имеется 3 канала аналоговых сенсоров, для преобразования сигналов от сенсоров в цифровую форму система должна иметь в своём составе как минимум 3-х канальный АЦП, для подключения фоточувствительных сенсоров и термометра.

Общие требованиями пунктов 3 и 4 можно считать следующее:

Вычислительное устройство - микроконтроллер. 3 канала АЦП с точностью не менее 8 бит. Для минимизации размера извещателя целесообразно использование микроконтроллера с встроенными АЦП и ЦАП.

4.5 Шина информационного обмена между извещателем и ПКП

Однопроводные интерфейсы являются неотъемлемой частью периферийных интерфейсов современных микроконтроллеров.

Фактическим стандартом среди двухпроводных интерфейсов является интерфейс 1-wire фирмы Dallas Semiconductors, и его аналоги.

Интерфейс 1-wire характеризуется единой разделяемой шиной данных.

Шина 1-wire поддерживает объединение на общей шине до 250 устройств, что соответствует требованиям ТЗ.

Недостатком 1-wire является сравнительно низкая скорость передачи, достоинством - отсутствие линии синхронизации, и относительно простая топология шины 1-wire.

Исходя из этих предпосылок, выберем основой для построения датчика микроконтроллер STM32F100C8;

4.6 Описание шины 1-wire

Интерфейс 1_Wire™, разработанный в конце 90_х годов фирмой Dallas Semiconductor,, рекомендован разработчиками для применения в четырех основных приложениях:

· приборы в специальных корпусах MicroCAN для решения проблем идентификации, переноса или преобразования информации (технология iButton),

· программирование встроенной памяти интегральных компонентов,

· идентификация элементов оборудования и защита доступа к ресурсам электронной аппаратуры,

· элементы и системы автоматизации (технология 1_Wire_сетей).

Первое из этих направлений широко известно на мировом рынке и уже давно пользуется заслуженной популярностью. Второе с успехом обеспечивает возможность легкой перестройки функций полупроводниковых компонентов, производимых компанией Maxim Integrated и имеющих малое количество внешних выводов. Третье позволяет обеспечить недорогую, но достаточно эффективную идентификацию и надежную защиту самого разнообразного оборудования. Что касается четвертого применения, то реализация локальных распределенных систем на базе 1-Wire-сетей является на сегодня де-факто наиболее оптимальным решением для большинства практических задач автоматизации. Компания Maxim Integrated поставляет достаточно широкий перечень электронных компонентов имеющих в своём составе узел 1-Wire-интерфейса различного функционального назначения для реализации самых разнообразных сетевых приложений.

В чем же особенность этого сетевого стандарта? В качестве среды для передачи информации по 1-Wire-магистрали чаще всего возможно использование обычного телефонного кабеля и, следовательно, скорость обмена в этом случае невелика. Однако если внимательно рассмотреть большинство реальных объектов, требующих автоматизации, то для более чем 60% из них предельная скорость передачи в 16,3 Кбит/с будет более достаточна. Другие преимущества 1-Wire-технологии, такие как:

· простое и оригинальное решение адресуемости абонентов,

· несложный протокол,

· простая структура магистрали,

· малое потребление компонентов,

· легкое изменение конфигурации сети,

· значительная протяженность магистрали,

· исключительная дешевизна всей технологии в целом, отражают очевидную рациональность выбора этого интерфейса при решении задач комплексной автоматизации в самых различных областях деятельности.

4.7 Основные принципы

1-Wire-net представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи 1-Wire-магистраль, состоящую из шины данных (DATA) и возвратной шины (RET). Таким образом, для реализации среды обмена этой сети могут быть применены доступные кабели, содержащие неэкранированную витую пару той или иной категории, и даже обычный телефонный шнур. Такие кабели при их прокладке не требуют наличия какого-либо специального оборудования, а ограничение максимальной протяжённость кабеля 1-Wire-магистрали регламентировано разработчиками на уровне 300 м.

Основой архитектуры 1-Wire-сетей является топология общей шины, когда каждый из абонентов подключён непосредственно к единой магистрали, без каких-либо каскадных соединений или ветвлений. При этом в качестве базовой используется структура сети с одним ведущим или мастером и многочисленными ведомыми абонентами. Хотя существует ряд специфических приёмов организации работы 1-Wire-систем в режиме мультимастера.

Конфигурация любой 1-Wire-сети может произвольно меняться в процессе её работы, не создавая помех дальнейшей эксплуатации и работоспособности всей системы в целом, если при этих изменениях соблюдаются принципы организации 1-Wire-интерфейса. Эта возможность достигается благодаря присутствию в протоколе 1-Wire-интерфейса специальной команды поиска ведомых устройств (Поиск ПЗУ), которая позволяет быстро определить новых участников информационного обмена. Стандартная скорость отработки такой команды составляет ~75 узлов сети в секунду.

Благодаря наличию в составе любого устройства, снабженного 1-Wire-интерфейсом, индивидуального адреса, столь же уникального, как и номер денежной купюры (отсутствие совпадения адресов для компонентов, когда-либо выпускаемых Maxim Integrated, гарантируется самой фирмой-производителем), такая сеть имеет практически неограниченное адресное пространство. При этом каждый из 1-Wire-компонентов сразу готов к использованию в составе 1-Wire-сети, без каких-либо дополнительных аппаратно-программных модификаций.

1-Wire-компоненты являются самотактируемыми полупроводниковыми устройствами, в основе обмена информацией между которыми лежит управление длительностью импульсных сигналов, предаваемых по 1-Wire-магистрали, и их измерение. Передача сигналов для 1-Wire-интерфейса - асинхронная и полудуплексная, а вся информация, циркулирующая в сети, воспринимается абонентами либо как команды, либо как данные. Команды сети генерируются мастером и обеспечивают различные варианты поиска и адресации ведомых устройств, определяют активность на 1-Wire-магистрали даже без непосредственной адресации отдельных абонентов, управляют обменом данными в сети и т.д.

Рисунок 4.2 - Подключение к шине 1-wire.

Стандартная скорость работы 1-Wire-сети, изначально нормированная на уровне 16,3 Кбит/с, была выбрана, во-первых, исходя из обеспечения максимальной надёжности передачи данных на большие расстояния, и, во-вторых, с учётом быстродействия наиболее широко распространённых типов универсальных микроконтроллеров, которые в основном должны использоваться при реализации ведущих устройств 1-Wire-сети. Эта скорость обмена может быть снижена до любой возможной, благодаря введению принудительной задержки при передаче по магистрали отдельных битов данных (т.е. растягиванию временных слотов протокола). Однако увеличение скорости обмена в 1-Wire-сети с длиной кабеля магистрали более 1 м выше значения 16,3 Кбит/с приводит к сбоям и ошибкам. Если же протяженность 1-Wire-магистрали не превышает 0,5 м, то скорость обмена может быть значительно увеличена за счёт перехода на специальный режим ускоренной передачи (Overdrive - до 125 Кбит/с), который допускается для отдельных типов 1-Wire-компонентов. Как правило, такой режим обмена аппаратно реализован для 1-Wire-компонентов, имеющих большой объём встроенной памяти, предназначенных для эксплуатации в составе небольшой, но качественной и не перегруженной другими устройствами 1-Wire-сети. Типичным примером таких компонентов являются микросхемы семейства iButton.

Рисунок 4.3 - Организация порта 1-wire.

При реализации 1-Wire-интерфейса используются стандартные КМОП/ТТЛ логические уровни сигналов, а питание большинства 1-Wire-компонентов может осуществляться от внешнего источника с рабочим напряжением в диапазоне от 2,8 В до 6,0 В. Причём такой источник может быть расположен либо непосредственно возле компонента (например, батарея в составе микросхем iButton), либо энергия от него может поступать по отдельной особой шине 1-Wire-магистрали. Альтернативой применению внешнего питания служит так называемый механизм паразитного питания, действие которого заключается в использовании каждым из ведомых абонентов 1-Wire-сети электрической энергии импульсов, передаваемых по шине данных, аккумулируемой затем специальной ёмкостью, встроенной в состав интерфейсного узла некоторых 1-Wire-компонентов. Кроме того, отдельные 1-Wire-компоненты могут использовать особый режим питания по шине данных, когда энергия к приёмнику поступает непосредственно от мастера по шине DATA магистрали, при этом обмен информацией в 1-Wire-сети принудительно прекращается.

Пожалуй, особенно привлекательным качеством 1-Wire-технологии является исключительная простота настройки, отладки и обслуживания сети практически любой конфигурации, построенной по этому стандарту. Для начала работы достаточно любого персонального компьютера, недорогого адаптера 1-Wire-интерфейса, а также свободно распространяемого компанией Maxim Integrated тестового программного пакета разработчика OneWireViewer. При наличии этого небольшого числа составляющих организация функционирования 1-Wire-сети практически любой сложности, построенной на базе стандартных 1-Wire-компонентов, реализуется буквально в течении нескольких минут. Возможности, предоставляемые программным пакетом OneWireViewer, позволяют идентифицировать любой 1-Wire-компонент, подключённый к 1-Wire-магистрали, ведомой компьютером через адаптер, и проверить в полном объёме правильность его функционирования в составе конфигурируемой 1-Wire-сети.

4.8 Организация ведущих

Компания Maxim Integrated выпускает несколько видов адаптеров, которые позволяют наделить любой персональный компьютер функциями мастера 1-Wire-сети. К ним относятся адаптеры семейства DS9097U для COM-порта и адаптеры семейства DS9490R для USB_порта. А адаптер типа DS9481R обеспечивает возможность реализации на базе компьютера мастера 1-Wire-сети по спецификации USB 2.0. Эти устройства имеют различные функциональные возможности и конструктивные особенности, что обеспечивает разработчику максимальную свободу выбора при конструировании.

Часто в качестве ведущего 1-Wire-сети выступает не компьютер, а простейший универсальный микроконтроллер. Для организации его сопряжения с 1-Wire-магистралью используются различные программно-аппаратные методы. От простейшего, когда управляющая программа контроллера полностью реализует протокол 1-Wire-интерфейса на одном из своих функциональных двунаправленных выводов, связанных с шиной данных 1-Wire-магистрали, до вариантов, позволяющих высвободить значительные ресурсы контроллера, благодаря использованию специализированных микросхем поддержки взаимодействия с 1-Wire-сетью. Такие микросхемы подключаются к процессору, играющему роль ведущего 1-Wire-сети, через периферийные узлы ввода/вывода, входящие в состав любого универсального микроконтроллера. Например, драйвера семейства DS2482 позволяют управлять 1-Wire-сетью, используя популярный микроконтроллерный интерфейс I2C. Если же требуется реализовать мастера 1-Wire-сети для низкопотребляющей портативной системы, реализуемой на базе микроконтроллера с 3х-вольтовым питанием, применяют более совершенный драйвер DS2483. Эта микросхема, управляемая по более быстродействующей версии интерфейса I2C, исполняет согласование 3х-вольтовых уровней микроконтроллера с уровнями сигналов стандартной 1-Wire-магистрали. Кроме того, DS2483 включает механизмы снижающие, как загруженность микроконтроллера при обслуживании 1-Wire-магистрали, так и общее потребление узла сопряжения с 1-Wire-магистралью. Если же мастер 1-Wire-сети должен быть организован на базе типового узла последовательного интерфейса UART микроконтроллера, используется микросхема DS2480В. Эта микросхема, также как микросхемы DS2482 и DS2483, реализует так называемый программируемый механизм активной подтяжки шины данных 1-Wire-магистрали. Использование активной подтяжки гарантирует качественную передачу сигналов в проблемных 1-Wire-сетях с протяжённой магистралью. Также применение активной подтяжки обеспечивает увеличение нагрузочной способности ведущего по количеству обслуживаемых им ведомых абонентов сети. Кстати, адаптеры семейства DS9097U для COM-порта персонального компьютера, также построены именно на базе микросхемы DS2480В. Более того, учитывая особенности современных операционных сред Windows, именно использование микросхемы-драйвера DS2480В, которая по своей сути является управляемым по последовательному интерфейсу цифровым автоматом, способным взять на себя значительную часть функций по реализации сетевого протокола, и обеспечивает полномасштабное обслуживание 1-Wire-сети в реальном масштабе времени.