专利名称：火灾早期特性多信息数据采集装置及方法
技术领域：
本发明属于火灾探测技术领域，特别涉及一种火灾早期特性多信息数据采集装置及方法背景技术传统的火灾探测方法通常以单一物理参量阈值型的方式进行火灾探测，其误、漏、迟报火警现象时有发生，大量事实和结果显示，火灾事故的发生进而引发大范围人身伤亡和大量财产损失均与火灾探测器的探测可靠性有关。长期以来，因无法系统地开展火灾早期过程特性数据的采集与整理，难以获取可靠的多信息智能火灾探测方法设计依据。
本发明提供的火灾早期特性多信息数据采集装置及方法，在国家重点基础研究专项经费资助下得以深入研究并获得重大成果，其项目编号2001CB409608。

发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种火灾早期特性多信息数据采集装置及方法，重点基于火灾产物和过程提供一种多信息智能火灾探测方法，提高火灾探测器的预报火警能力，减少和避免误、漏、迟报火警现象的发生。
本发明装置是主要用于火灾早期燃烧过程中生成的烟气浓度信息数据而特制的数据采集装置，本装置按照数据采集接口可以分为四大模块，分别为模拟信号输入模块-高速数据采集卡采集模块本模块中的高速数据采集卡(1713)输入端分别连接有热电偶组、CO红外分析仪、二氧化碳传感变送器、氧气传感变送器、水分测试仪和差压传感变送器，输出端与计算机相连。本模块所连接设备的共同特点是输出信号为标准模拟信号，计算机通过高速数据采集卡采集这些模拟信号，经过运算，转换为数字信号，存储于计算机文件中，完成火灾早期特性烟气中气体浓度数据采集工作。
数字信号输入模块-光电隔离输入卡采集模块本模块中数据采集卡(6412)输入端分别连接离子烟浓度计和光学密度计，输出端与计算机相连。本模块为固体颗粒参数信息采集和测量模块，离子烟浓度计和光学密度计分别用于测量y值即离子感烟探测器的响应阈值，即用y值表示探测器动作时刻的烟浓度，和减光系数即m值，此模块设备输出信号为数字信号，通过数字信号采集卡即光电隔离输入卡与计算机相连，采集数据。
通讯回路信号输入模块-传感器阵列串口采集模块本模块中RS485串口一端通过通讯回路板连接三种火灾探测器，另一端通过RS232/485转换器与计算机相连，将三种感烟探测器，包括后向散射式光电感烟探测器、离子感烟探测器前向散射式光电感烟探测器的通讯信号采集回来，并将其转换为标准的485信号送到485总线上，完成此模块的数据采集。
通用串行口信号输入模块-电子天平串口采集模块此模块中电子天平通过RS232/485转换器直接与计算机相连，用于采集电子天平输出信号数据，由于电子天平本身输出信号为标准串行接口信息，可以直接通过连接的计算机实时读取电子天平测得的数据信息。
本发明装置的数据处理过程可以分为以下几个阶段原始数据阶段在该阶段，所有采集的数据是直接从计算机I/O端口的缓冲区读取到的采集值。根据不同的采集硬件和协议，所采集的数据形式各不相同，比如1713高速数据采集卡缓冲区中保存各个通道的电压值，6412数据采集卡的缓冲区中则保存BCD码，电子天平串口的缓冲区保存当前燃烧物质质量值，而探测器回路板的串口缓冲区则保存了协议规定的字节码。在该阶段，所有的这些数据都不是最终可以存储和表达的数据，必须根据各自的协议进行转换。
数据转换阶段在该阶段，需要对上一个阶段采集的数据进行转换和整理。根据各自采集硬件的协议格式，经过数学运算、码制转换等一系列的转换过程，将原始数据转换成为可以表达传感器、仪器设备的实际采样值的形式。
数据存储阶段该阶段将上一个阶段转换完毕的数据进行存储。存储包括两个方面一是将转换后的数据缓存到内存中，以便系统其他模块访问数据，提高访问速度；二是将转换后的数据保存到数据库中，以便以后对数据进行脱机访问。
数据表达阶段该阶段将保存后的数据以数字量和可视化图形等形式映射到图形显示设备，如显示器上，可以使用户直观的了解到当前各个参数的变化情况。
根据以上数据处理的四个阶段，本发明方法可以分为四个步骤。
第一步数据采集所有的传感器、仪器设备等的采样值通过采集层进入计算机，在采集层里利用了Windows下的多线程编程技术以及消息机制。由于各个传感器以及仪器设备的采样周期不同，如果在一个线程里顺序的采集各个参数，那么需要一个很长的采集周期5～10秒才能采集一组数据。如果采用多线程技术，将不同性质的传感器和仪器设备分为四组，每组形成一个采样线程，这样四个采样线程可以同时进行数据采样，大大缩短了采样周期，达到实时采集的目的。
第二步数据转换将采样后的数据转换为数据库可以存储的格式。
第三步数据存储将转换后的数据存储到数据库中。
第四步数据显示将转换后的采样数据实时的显示到用户界面上，形成可视的采样图形。
本发明方法包括以上四个步骤。如果利用一般的数据采集方式来实现系统采集，那么在一个时间段内只能执行四个步骤中的某一个步骤，其他步骤则被停止。这种方式就是单线程方式，所有的步骤运行于串行模式下，仅仅一个数据采样的过程所占用的时间就超过一秒钟。如果将采样周期设置为一秒采样一组数据的话，即使数据采样过程能够在一秒钟内完成，但是其他过程处理还需要时间，这样就不能保证每个一秒钟都能完成一次数据采样，因此该模式不能满足实时采集数据的要求。本发明方法采用了另外一种模式抓多线程模式，即该装置启动以后，计算机可以同时处理各个模块的规定任务，多个模块之间可以共享某些数据；更重要的是，如果多个模块运行过程中所占用的资源不发生冲突，那么它们可以并行的执行，相互不产生影响。这种模式运用到数据采集的过程中，在第一个数据采样周期内，数据转换、数据存储、数据显示三个线程处于停止状态，因为这个时候没有新数据可以处理；而数据采样模块正从系统或者采集卡的缓冲区里取得数据，如果取得了需要的采样数据以后，就进入数据转换步骤，这时候数据转换开始工作，将数据采样步骤准备好的数据进行转换，转换成为能够表达实验信息的数据，然后数据存储、数据显示步骤开始工作，运用这些数据进行相应操作，分别将转换后的数据存入数据库和显示成为直观的曲线。仅仅这样一个周期不能体现出多线程的优点，就在转换步骤进行数据转换时，采样步骤并没有停止工作，而是继续进行下一个周期的采样，如果计算机的运行速度允许，那么此时的转换步骤也可以同时运行，存储和显示进程也可以在工作。由此可见，只要建立起这样一个运行机制以后，各个模块之间可以并行运行起来，从而执行效率大大提高，只要数据采样周期能够在规定的周期长度内完成，那么整个采集过程就可以在这个规定的周期长度内完成。因为该装置中采用的计算机为奔腾VI 2GHz的处理器，数据转换、数据存储、数据显示过程可以在毫秒级甚至微妙级的时间段内就可以处理完成，而数据采样过程则涉及到外围仪器以及传感器等的数据处理速度，他们的数据处理速度远远低于计算机处理数据的速度，所以瓶颈在于数据采样过程。
在本装置中，共有12个数据采样传感器及仪器，它们与计算机通信的接口不尽相同，所以数据传回的速率也不相同。其中热电偶、一氧化碳分析仪、二氧化碳传感器、压差传感器、水分分析仪、氧气传感器等输出的是标准的4～20mA电流信号，所以采用PCI 1713高速数据采集卡将模拟信号转换为数字信号后保存到计算机的缓冲区中；而电子天平采用485串口进行通讯，它独自占用一个串口；三个探测器通过回路板传回信号，采用的也是485信号，所以也占用一个串口进行通信；y值与m值则通过排缆传回信号，需要用6412数据采集卡进行采集。在所有的这些仪器设备与传感器当中，三个探测器的回路板传回数据的周期最长，大约需要一秒钟时间。如果将数据采样只放到一个线程中实现，那么其他设备的采样时间就不能保证。所以在实现过程中，将每种板卡或者端口都放置到一个单独的线程当中，如PCI1713采集卡单独占用一个线程，采样周期可以达到200ms，电子天平串口访问占用一个线程，采样周期可以达到100ms，回路板串口访问占用一个线程，采样周期1s，6412采集卡也占用一个线程，采样周期100ms。这样各个采样线程并行运行，某个采样值到达以后，将获得的采样值放置到相应的缓冲区中供转换步骤中使用，在一个采样周期(1s)内，就可以将所有的采样数据采集并进行相应处理。这就是本系统中采用多线程采集技术的实现方法。


图1为本发明装置的结构框图；图2为本发明装置中通讯回路板的采样部分电路原理图；图3为本发明装置中通讯回路板的模数信号转换部分电路原理图；图4为本发明方法的数据采样层次示意图；图5为本发明方法高速数据采集卡采集模块采样过程框图；图6为本发明方法光电隔离输入卡采集模块采样过程框图；图7为本发明方法传感器阵列串口采集模块采样过程框图；图8为本发明方法电子天平串口采集模块采样过程框图；图9为应用本发明装置及方法对木材明火早期烟气浓度数据采集的曲线图。
具体实施例方式
本发明装置所包含的采集设备如下表所示

本发明装置的结构如图1所示，其连接关系为采集设备热电偶组、CO红外分析仪、二氧化碳传感器、氧气传感器、水分测试仪、差压传感器等通过高速数据采集卡即1713数据采集卡与计算机相连，离子烟浓度计和光学密度计通过光电隔离输入卡即6412数据采集卡与计算机相连，后向散射式光电感烟探测器、离子感烟探测器、前向散射式光电感烟探测器三种火灾探测器通过通讯回路板和RS232/485转换器与计算机相连，电子天平通过RS232/485转换器直接与计算机相连。
在本装置的高速数据采集卡采集模块中，热电偶组和高温热电偶用于测量温度变化规律；气体传感变送器用于测量火灾燃烧过程中所产生气体的浓度；利用差压传感变送器测量火灾现场与外部环境空间压力差变化信息的。上述设备工作时，将传感器采集到的数据信息转换为标准模拟信号，计算机通过高速数据采集卡采集这些模拟信号，经过运算，转换为数字信号，存储于计算机文件中，完成火灾早期特性烟气气体浓度数据采集工作。
本装置的光电隔离输入卡采集模块为固体颗粒参数信息中的计量设备模块，包含的设备为离子烟浓度计和光学密度计，分别用于测量y值和m值，其通过数据采集卡—光电隔离输入卡与计算机现连，采集数据。
本装置的传感器阵列串口采集模块和电子天平串口采集模块为通过RS485串口连接的设备，此部分设备包含电子天平和三种火灾探测器。其中电子天平本身输出485信号；通过通讯回路板，如图2所示，将三种感烟探测器后向散射式光电感烟探测器、离子感烟探测器、前向散射式光电感烟探测器的通讯信号采集回来并放大，同时通讯回路板的模数转换部分，如图3所示，将放大后的信号转换后送到485总线上，与电子天平信号一同被采集回来，完成此部分数据的采集。
本发明方法包括数据采集、数据转换、数据存储、数据显示四个步骤，如图4所示，装置中每一个模块进行数据采集的步骤如下如图5所示，模拟信号输入模块-高速数据采集卡采集模块采集过程如下1713高速数据采集卡是通过直接读取板载缓存中的数据来实现数据采样的。通过专门的I/O函数，就可以取得缓冲区中的数据。
线程开始需要对1713采集卡进行初始化，设置采集卡的采样参数，如采样速率、采样模式、采样通道等等，设置成功以后进入采样循环。例行检查线程结束标志，如果结束标志为假，则调用函数读取各个通道的采样值。在实际的应用中，将1713采集卡的采样通道设置为16通道的差分模式，这样每次读取的采样值被保存到一个包含16个元素的数组中。
保存到数组中的这些采样值是模拟的电压值，并不是传感器实际的采样值。所以还需要进行数据转换，转换公式为实际采样值＝(采样电压/满量程电压)*传感器满量程值举例来说，例如当前第2通道接驳的是铠装热电偶，某一时刻采样电压为4V，满量程电压为5V，热电偶的满量程值为200℃，那么实际热电偶的采样值为Value＝(4V/5V)*200℃＝160℃需要说明的是，这里的满量程电压可以人工调节。如果传感器输出的是4～20mA电流信号，那么需要在1713数据卡的连接端子与传感器输出信号线之间并联一个250欧姆的电阻，这样就将电流信号转换为1～5V的电压信号。
由于每个通道所接驳传感器的输出信号不同，需要根据输出的信号类型进行转换，转换为0～10V之间的电压信号即可。
采样线程将读取到的所有16个通道的数据根据各自的量程进行转换以后，形成实际的采样数据，放置到公用数据队列中。然后采样线程发送数据已经准备好的消息到主窗口，通知主窗口进行数据处理。
如图6所示，数字信号输入模块-光电隔离输入卡采集模块采集过程如下6412数据采集卡负责采集m值和y值。它和1713数据采集卡类似，可以通过API函数进行I/O操作。与1713数据采集卡不同的是，6412数据采集卡读取到的数据为BCD码格式，它有两个通道，分别负责m值和y值的读取。读取的数据根据协议从BCD码格式转换为实际的采样值。
该模块启动以后，首先需要初始化6412采集卡，配置采集参数，然后进入采样循环检查该模块结束标志，当它为假的时候进入采样过程；首先读取m值，然后读取y值，根据协议将采样值转换为各自的实际值，放入公用数据队列，最后发送消息通知主窗口数据准备好。
如图7所示，通讯回路信号输入模块—传感器阵列串口采集模块采集过程如下该模块启动，首先打开读取回路板的串口，然后进入采样循环，在每次循环的开始都要判断该模块的结束标志是否为真，如果为真，则关闭串口，采集结束。该模块的结束标志由主窗口负责设置。主窗口监视用户操作，如果用户结束本次采集，主窗口就会将结束标志置为真，退出循环并结束采集。在其他的三个采集模块中，结束标志与本模块中所描述的结束标志是相同的，但是它们不是同一个对象，而是四个不同的对象，由主窗口分别设置，所以主窗口可以灵活的根据需要结束其中的某一个或者几个采集模块。
在循环体中，如果采集结束标志为假，则继续采样过程顺序的发送采样命令，适当延时之后，读取相应的采样回传值。三种采样值全部读取后，将采样值形成一定的数据格式放置到公共的数据队列中。这里的公共数据队列是指各采集模块与主窗口所公用的数据队列。采集模块将采样值放置到数据队列中以后，会向主窗口发送一条数据已经准备好的消息。主窗口收到消息之后，会根据消息序号从相应的数据队列中读取数据并进行相应的处理。这里采用Windows的消息机制，可以让主窗口和线程有秩序的访问公用数据队列，从而避免了各采集模块与主窗口不同步的情况发生。
一次循环结束以后，采集模块会返回到循环开始的地方，再次判断线程结束标志，然后重复上述过程。
如图8所示，通用串行口信号输入模块—电子天平串口采集模块采集过程如下
电子天平采样与上面的探测器回路板采样不同。电子天平传回数据是主动模式，也就是说电子天平定时的把当前的采样数据主动的放置到串行口的数据缓冲区里，而不需要应用程序发送命令去驱动它这样做。而探测器回路板则是采用了被动模式，应用程序必须通过串行口发送采样命令到探测器回路板，它才会将当前的采样值放置到串行口的数据缓冲区里。
与探测器回路板采样相同的是，该采集模块在循环起始位置时也需要判断结束标志。判断结束标志为假，电子天平便进入采样过程。由于电子天平采用了主动模式，所以采样时不需要发送采样命令。它直接从串行口的缓冲区中读取数据。电子天平主动采样的速率约每秒钟三次，即每秒钟会有三组采样值放置到串行口的缓冲区。所以必须有一个较高的采样频率来读取缓冲区中的数据，如果采样频率较低，那么读取的采样数据会有延迟，不能实时反映电子天平值的变化。
电子天平采样值以固定的格式放置到缓冲区，如当前采样值为20.1g，那么从串口缓冲区中读出的数据将会是wt+00020.1g。然而采样读取缓冲区的时候，不会以这个数据的长度去读取数据。因为有可能缓冲区开始的数据格式是0.1g。这种情况出现的原因是串行口缓冲区的长度是固定的，电子天平放置数据到缓冲区末尾的时候，缓冲区已经填满，这时候下一组数据将会放置到缓冲区的开始位置。加入当前电子天平采样值为wt+00020.1g，当它写数据到缓冲区时，wt+0002输入刚好将缓冲区填满，那么剩余的数据0.1g就只能写到缓冲区的起始位置了。所以不能以协议数据长度读取缓冲区数据，因为这样读出来的不一定刚好就是一个完整的采样值，有可能会是0020.1gwt+0这样的形式。
电子天平采样过程中设置一个字符串变量strFrag。它用来保存每次分析数据后剩余的数据片断。起始时strFrag为空字符串。每次读取一段数据以后，计算机会将strFrag与读取的数据连接起来，然后扫描整个连接的字符串，从中分离出格式为wt+XXXXX.Xg的数据，其中X可以表示0～9的任何数。分离出来的完整的协议数据就是应用程序需要的，该数据被放置到公用数据队列中，并通知主窗口采样数据已经准备好。同上，每次连接的字符串被扫描完毕以后，会有类似于wt+XX这样的碎片被分离出来，这样的数据正常情况下会出现在连接字符串的末尾，所以将这个碎片保存到strFrag中，等到下次读取到数据以后，与读取到的数据再次连接，就会形成完整的协议数据，被分离出来后放置到公用数据队列中。
这样一次循环结束，上述过程被重复执行，直到结束标志为真时结束。
应用本发明装置和方法实际测量火灾烟气浓度抓木材明火早期烟气浓度数据采集的曲线如图9所示。
权利要求
1.文件来源电子申请2.收文日期2004-9-23.申请号4.权利要求项权利要求1一种火灾早期特性多信息数据采集装置，其特征在于该装置按照数据采集接口分为四大模块，其结构和连接关系为高速数据采集卡采集模块，输入端分别连接有热电偶组、CO红外分析仪、二氧化碳传感变送器、氧气传感变送器、水分测试仪和差压传感变送器，输出端与计算机相连；光电隔离输入卡采集模块，输入端分别连接离子烟浓度计和光学密度计，输出端与计算机相连；传感器阵列串口采集模块，本模块中RS485串口一端通过通讯回路板连接三种感烟探测器，包括后向散射式光电感烟探测器、离子感烟探测器、前向散射式光电感烟探测器，另一端通过RS232/485转换器与计算机相连；电子天平串口采集模块，该模块中电子天平通过RS232/485转换器直接与计算机相连。
权利要求2一种火灾早期特性多信息数据采集方法，其特征在于该发明方法由以下四个步骤组成第一步数据采集，按性质的不同把传感器和仪器设备分组，同时进行数据采样；第二步数据转换，将采样后的数据转换为数据库可以存储的格式；第三步数据存储，将转换后的数据存储到数据库中；第四步数据显示，将转换后的采样数据实时的显示到用户界面上，形成可视的采样图形。
权利要求3根据权利要求2所述的一种火灾早期特性多信息数据采集方法，其特征在于该方法在数据采集过程中采用了多线程采集技术。
全文摘要
本发明属于火灾探测技术领域，特别提供一种火灾早期特性多信息数据采集装置及方法，针对传统火灾探测方法通常以单一物理参量阈值型的方式进行火灾探测的不足，重点基于火灾产物和过程提供一种多信息智能火灾探测装置和方法，该装置按照数据采集接口可以分为高速数据采集卡采集模块、光电隔离输入卡采集模块、传感器阵列串口采集模块、电子天平串口采集模块四大模块，对多种数据采集设备实现了多信息数据采集设备的综合集成及数据通讯协调，同时在数据采集、数据转换、数据存储和数据显示处理过程中采用多线程处理模式，提高火灾探测器的预报火警能力，减少和避免误、漏、迟报火警现象的发生，同时及早探测和预防火灾的发生。
文档编号G01N27/407GK1616970SQ200410155269
公开日2005年5月18日 申请日期2004年9月2日 优先权日2004年9月2日
发明者宋立巍, 梅志斌, 王卓甫 申请人:公安部沈阳消防研究所