4.1.
Các hệ thống an ninh và an toàn trong cuộc sống.
Marc Thuillard,Siemen,Cerberus,Mannedorf,Switzerland.
4.1.1
Giới thiệu chung.

Chơng này miêu tả các cảm biến thông minh đợc sử dụng trong lĩnh vực an
ninh và an toàn trong cuộc sống."An toàn trong cuộc sống" bao gồm báo
cháy,báo hiệu khí ga,các hệ thống tắt và sơ tán."An ninh" liên quan đến báo
hiệu trộm,kiểm soát ra vào và hệ thống CCTV.
Ngay từ ban đầu các cơ thể sống đã cần đợc cảm thấy thoải mái và an
toàn.Trong khi các mối nguy hiểm sinh ra từ bốn nhân tố cơ bản của khoa học
Hy Lạp cổ đại là đất,nớc,không khí và lửa,thì chính con ngời lại càng làm cho
các mối đe doạ đó tăng lên.Ví dụ nh chiến tranh,thù hận sắc tộc,chia rẽ đảng
phái,cớp bóc,xâm lợc,khủng bố.Ngoài ra còn có rất nhiều mối đe doạ khác
nữa.
Ngời ta cũng nhận ra rằng sự huy động lực lợng phòng bị một cách kịp thời
dựa vào hệ thống báo hiệu sớm có thể giảm nhẹ hoặc thậm chí loại bỏ đợc các
thiệt hại.Vào thời kỳ cổ đại,lính canh là ngời giữ vai trò chủ đạo trong phơng
thức này.Theo thời gian con ngời ngày càng chú trọng vào các công nghệ để
hỗ trợ hoặc thậm chí thay thế ngời lính gác trong nhiệm vụ báo hiệu sớm.Phát
minh nổi bật nhất trong thời kỳ cổ đại là chiếc chìa khoá,với chức năng ngăn
chặn những cuộc thâm nhập không mong muốn.Cho đến ngày nay nó vẫn đợc
phát triển trong các hệ thống kiểm soát vào ra hiện đại.
Cùng với sự ra đời của điện,hệ thống báo hiệu sớm đầu tiên cũng đã xuất
hiện.Tất cả các hệ thống đều muốn phát hiện ra mối nguy hiểm càng sớm càng
tốt.Hầu hết các công nghệ đều sử dụng sự tiếp xúc để kích thích đóng mở
đồng hồ báo hiệu,ví dụ nh khi một tên trộm dẫm lên hay bớc qua một sợi dây
căng xung quanh một dinh thự đang đợc bảo vệ.
Sự phát triển của các "cảm biến" có một tiêu chuẩn chặt chẽ trong thế giới
động vật.Chính những loài vật đã có những hệ thống cảm nhận để phát hiện

phát hiện ra các tình huống nguy hiểm đúng lúc và loại bỏ các hiện tợng
giả.Điều này cần phải đạt đợc với yêu cầu kinh tế(giá thấp) trong một điều
kiện môi trờng khó khăn.Việc thiết kế máy dò tìm cần phải tuân theo các quy
tắc cơ học,điện tử và phần mềm.
Mặc dù chủ đề chính của cuốn sách này là cảm biến thông minh,chúng tôi
thấy cần phải mở rộng vấn đề,trong đó bao gồm việc giới thiệu các khía cạnh
của hệ thống cảnh báo và của hệ thống điều khiển khẩn cấp đợc kích hoạt bởi
những sensor trên.Vì cậy chúng tôi sẽ dành vài đoạn để nói về hệ thống tắt và
trung tâm tiếp nhận cảnh báo.Đây là toàn bộ quá trình từ khi nguy hiểm đợc
phát hiện đến khi nó đợc loại bỏ.
Nội dung của phần này dựa rất nhiều vào những kiến thức đợc xây dựng ở
công ty chúng tôi trong nhiều năm qua,nó đã đợc ứng dụng để phát triển các
hệ thống an toàn và an ninh.Trong thực tế,chính sự phát minh ra máy dò tìm
ion hoá đã mở đầu cho nền công nghiệp này.Chúng tôi muốn cám ơn các đồng
nghiệp trong công ty,đã có những đóng góp và lời khuyên có giá trị,đặc biệt là
R.Beckers(trung tâm tiếp nhận cảnh báo), U.Krienen, M.Schumacher (cảm
biến nhận dạng),M.Muller(hệ thống tắt) và H.Kupfer.
4.1.2
2
Cảm biến về lửa.
4.1.2.1
Đặc tính vật lý của lửa,bụi khói,khí và ánh sáng.
Đặc điểm của những ngọn lửa cháy âm ỉ là khói và khí,cùng với sự phát xạ
và gia tăng nhiệt độ khi ngọn lửa bùng cháy.Các máy phát hiện lửa sử dụng
một trong những hiệu ứng vật lý này để phát hiện ra hoả hoạn sớm nhất để
giảm thiểu tối đa sự phá huỷ.Cùng với sự phát triển của xu hớng công nghệ,
cảm biến lửa cũng đã trải qua những thay đổi và nâng cấp quan trọng.
Trong vòng hơn 50 năm,các máy phát hiện khói đều thuộc loại ion hoá.
Khói đợc phát hiện bằng cách đo sự thay đổi của độ dẫn trong một buồng ion
hoá có các phần tử khói.Từ 10 năm trở lại đây,các máy phát hiện khói quang

ra một máy dò chung cho tất cả các loại lửa.
4

Hình 4.1-2.Đáp ứng của các máy dò khói.
Thời gian gần đây đã xuất hiện các máy dò khói cảm nhận khí bị oxy hoá từ
các vật liệu đang cháy.Tuy nhiên, hiện nay, cha có một máy dò nào đạt đợc
các tiêu chuẩn về hoạt động và độ tin cậy.Máy dò khói đợc bảo đảm hoạt động
tốt từ -30 đến 75 độ C và có tuổi thọ khoảng hơn 10 năm.Cả hai chỉ số trên
đều không đạt đợc các yêu cầu hiện nay đối với cảm biến khí. Tuy nhiên, đã
có những nghiên cứu quan trọng và những nỗ lực phát triển công nghệ mới cho
việc dò tìm khí, và chúng ta có thể hy vọng vào những tiến bộ của các thiết bị
trong một tơng lai gần.
Trong những đám cháy không mong muốn,khói có thể sinh ra theo những
cơ chế khác nhau, ví dụ nh do đám cháy bùng hay cháy âm ỉ.Hiện tợng nhiệt
phân sinh ra khi có sự truyền nhiệt của một nguồn nhiệt bên ngoài. Sự khác
nhau giữa nhiệt phân và cháy âm ỉ là:trong cháy âm ỉ, quá trình oxy hoá tự nó
diễn ra.Trong khi tất cả các vật liệu đều có thể bị nhiệt phân thì chỉ có ít trong
chúng có thể cháy âm ỉ, trong đó có những thứ rất quen thuộc nh giấy, xốp và
gỗ.
Trong một phạm vi nào đó, các đặc tính vật lý của khói và sự gia tăng nhiệt
độ có thể liên quan đến dạng của ngọn lửa.Nhiệt phân và cháy âm ỉ thờng sinh
ra những đám khói với một lợng lớn muội khói không nhìn thấy đợc và cả
những muội khói nhìn thấy đợc mầu đen.Nhiệt độ của quá trình nhiệt phân và
cháy âm ỉ thờng nhỏ hơn rất nhiều nhiệt độ của ngọn lửa cháy bùng.
Sự tán xạ ánh sáng phụ thuộc vào kích thớc, số lợng, và chiết suất của các
phân tử.Tính toán sự tán xạ của ánh sáng và sự hấp thụ của những hình cầu
nhỏ với kích thớc và sự phân bố cho trớc là một vấn đề kinh điển trong quang
học.Việc áp dụng giả thuyết Mie và Rayleigh tỏ ra rất hiệu quả trong việc dự
đoán sự tán xạ ánh sáng trong các chơng trình mô phỏng của máy tính.Ngợc
5

máy dò.Chẳng hạn nh là một cái máy dò tìm sử dụng góc tán xạ lớn (tán xạ
ngợc) sẽ nhậy hơn đối với các phân tử nhỏ. Hình 4.1-4
7
Sự tán xạ của ánh sáng do các phân tử đợc miêu tả trong phơng trình Mie và
Rayleigh.Trong khi sự tán xạ do phân tử nhỏ có thể đợc mô tả bằng giả thuyết
Rayleigh thì tán xạ do phân tử lớn lại thờng nằm trong miền giá trị của giả
thuyết Mie.Đờng kính trung bình của phân tử khói thờng nằm trong vùng
chuyển tiếp giữa miền Rayleigh và miền Mie.Sự phân bố kích thớc phân tử của
hạt khói phụ thuộc vào loại lửa và vật liệu cháy âm ỉ hay cháy bùng.Với ngọn
lửa cháy bùng, phần lớn các phân tử có kích thớc dới 0.3
à
m, trong khi đó
kích thớc phân tử khói của ngọn lửa cháy âm ỉ thờng lớn hơn.Hình .1-5 mô tả
sự phân bố kích thớc phân tử thờng gặp.
4.1.2.1.1.Tán xạ Rayleigh.
Giả thuyết rayleigh miêu tả sự tán xạ của ánh sáng của các phân tử nhỏ, với
bán kính r nhỏ hơn rất nhiều so với bớc sóng

(2

r/

<1).Hình 4.1-5 mô
tả tóm tắt các kết quả chính của giả thuyết Rayleigh.

Hình 4.1-5
8


H×nh 4.1-8
10

Hình 4.1-9
4.1.2.2
Nguyên lý cảm nhận khói.
4.1.2.2.1.Ion hoá.
Nguyên lý cơ bản của máy dò ion hoá đợc giải thích trên hình 4.1-10.Một
buồng đo lờng đợc giới hạn bởi hai điện cực và những phần cách điện.Một
nguồn bức xạ vô tuyến,thờng là Am,phát ra những hạt

.Không khí trong
buồng đo lờng bị ion hoá chủ yếu tạo ra các ion nhỏ đợc tích điện đơn lẻ ở cả
hai cực tính.Một điện áp nhỏ (khoảng 5V) đợc đặt vào giữa các điện cực. Khi
cha có khói,chỉ có một dòng điện nhỏ khoảng 20pA.Khi cho khói vào trong
buồng,một phần đáng kể các ion sẽ liên kết với các phân tử lớn.Lúc này các
phân tủ lớn đóng vai trò nh một điểm tái hợp của các ion nhỏ.Tốc độ trôi của
các phân tử khói lớn nhỏ hơn các phân tử khói nhỏ.Kết quả cuối cùng là sự suy
giảm của dòng ion.

11

Hình 4.1-10
Ap suất và nhiệt độ trong buồng ion hoá phụ thuộc lẫn nhau.Ta có thể giảm
nhỏ sự phụ thuộc này bằng cách thiết kế buồng ion hóa một cách cẩn
thận.Tham số tối u chính là năng lợng của nguồn bức xạ điện từ,nó sẽ xác định
kích thớc của phân tử

,kích thớc hình học của buồng và điện áp giữa hai

và điện tích trung
bình trên các ion lớn là nhỏ.Thông số n có thể đợc tính nh sau:
I=an
ì
n+3

Er
ì
rnN
à
(4.1-1)
trong đó I là số ion đợc sinh ra trên một đơn vị thể tích trong một đơn vị thời
gian,N là số phân tử khói có bán kính r trong một đơn vị thể tích và E là cờng
độ điện trờng.
Ta có thể thấy là sự liên kết của các ion nhỏ trên một phân tử lớn không
tích điện tỷ lệ với bình phơng của bán kính phân tử.
Phơng trình 4.1-1 giúp chúng ta hiểu đợc vì sao máy dò tìm ion hóa nhậy
với các phân tử nhỏ hơn là với các phân tủ lớn.Số lợng các ion bị hút về phía
phân tử khói tỷ lệ với 1/r.Nh vậy có thể kết luận là: với một khối lợng khói cho
trớc, các phân tử nhỏ dễ dò tìm hơn các phân tử lớn.
4.1.2.2.2.Tán xạ ánh sáng.
Nguyên lý chung.
Máy dò tìm khói quang học đo lợng ánh sáng bị tán xạ bởi bụi khói và các
phân tử. Một điot phát quang phát ra các xung ánh sáng một cách đều đặn.Tia
sáng bị tán xạ bởi các phân tử đợc đo bằng một tế bào đặt chếch một góc nào
đó so với trục của tia sáng tới.Tia tán xạ sau đó đợc tập trung vào bộ thu bằng
một thấu kính.Mặc dù nguyên lý cơ bản này khá đơn giản, nhng các thí
13
nghiệm cụ thể hơn lại cho thấy một số vấn đề khá thú vị.Đầu tiên là về mặt
điện tử.

bào quang thành một điện áp,sau đó đa vào một bộ ADC. Để loại bỏ các lỗi
sinh ra do sự bù khuyếch đại và dòng điện dò,ngời ta tiến hành 3 phép đo phân
biệt.Phép đo đầu và cuối đợc thực hiện mà không có một xung ánh sáng
nào,và máy phát hồng ngoại chỉ đợc đóng mạch trong phép đo thứ hai.Bộ lọc
đợc tích hợp trong ASIC có chức năng nh hình 4.1-12.
Bên cạnh điện tử và quang học,còn có nhiều vấn đề quan trọng cho máy
phát hiện khói,ví dụ nh là lới bảo vệ.
14

Hình 4.1-13.Máy dò khói tán xạ ánh sáng.
Máy phát hiện khói quang học đang dần thay thế máy ion hóa trên tất cả các
thị trờng.Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi trên.Thứ nhất máy phát
hiện khói quang học đợc hởng lợi từ sự phát triển của ngành điện tử.Độ tin cậy
của các linh kiện trong máy dò nh LED đã tăng lên đáng kể.Ngoài ra, sự xuất
hiện của MP và ASIC giá rẻ đã cho phép xây dựng các chức năng mới nh tự
kiểm tra,định cỡ,hay bù trôi.Các thuật toán này đã làm tăng đáng kể độ tin cậy
của máy phát hiện khói tán xạ ánh sáng.
Những hệ thống có độ nhậy cao.
Một số hệ thống dò tìm độ nhậy cao,nh là hệ thống sử dụng máy dò quang.
Không khí đợc hút vào ống,sau đó đợc lọc để loại bỏ bụi bẩn.Một máy dò khói
độ nhậy cao sẽ xác định mức khói.Những hệ thống nhậy nhất sẽ đợc dùng để
bảo vệ những vật có giá trị nh là các phòng máy tính.
4.1.2.2.2.Sự tắt ánh sáng.
Việc đo lờng sự tắt ánh sáng giữ vai trò trung tâm trong phát hiện lửa.Sự tắt
ánh sáng liên quan đến khả năng nhìn thấy đợc.Các bài kiểm tra phụ đợc điều
khiển để xác định khả năng nhìn thấy của ánh sáng qua đám khói. Mặc dù khả
năng nhìn thấy của một vật có thể đợc xác định và đo đạc bằng các dụng cụ
khoa học,các bài kiểm tra vẫn đợc tiến hành với con ngời để đánh giá khả
năng nhìn của lính cứu hoả trớc sự thay đổi của mức khói.Các nhân tố nh sự
thích ứng của mắt có thể đợc xác định thông qua một bài kiểm tra với con ng-