第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
火灾的产生是自发的、不可抗的，人们是无法预测火灾的产生。由于日常生活中人们用火不当，自然资源自发性的自燃等现象，造成由火灾引起的生命安全、经济损失等危害。如果不能及时发现并采取紧急补救措施，不仅给人们的生活造成严重困扰，也对自然环境产生着不可逆的影响[1]。据相关统计显示，去年由于火灾引起的消防员救援行动高达 120 万人次，因火灾事故导致受伤人数接近 800 人、死亡人数接近 1200 人；由火灾事故产生的资产损失费用已超过 40 亿元。另一方面，2021 年相对于去年火灾事故虽然相对减少，但居民区电动车自燃等现象频繁出现，使人们生命受到威胁，给居民生活带来严重影响。火灾与社会经济发展密切相关，近几年社会经济发展迅速，人们的生活质量不断提高，城市高层建筑日益增多，室内建筑设施错综复杂，火灾的防控压力越来越大。由于不同地区经济发展、文化等差异，因火灾事故造成的影响也大不相同，根据调查显示，西部地区火灾发生率较高，因此造成的人员损伤较为严重；由于农村树木花草、农作物较多，易出现自燃现象等，火灾发生率相对于城市而言较高；城市由于办公、娱乐场所等设施荷载高，一旦发生火灾，造成的人员、经济损失较高。人们在火灾的防控问题上有着巨大的压力，在未来的几年内，将会长期面临严峻的挑战。因此，为避免火灾造成的严重影响，针对火灾的有效防控问题研究至关重要。
为了将火灾对人们的伤害降到最低，各地区消防人员在不断地总结扑救经验、对居民进行定期消防安全教育，实现火灾的有效防范。但是火灾的产生是不可避免的，从火灾源头出发是有效防控火灾的关键技术之一。在火灾发生的初期，通过采取某种有效的方法实时探测火焰产生的烟雾或火焰，及时地反馈信息至相关部门，使得人们及时的发现火灾并迅速扑灭，降低火灾对人们安全、财产等造成的损失。因此，一旦有火灾产生，需要立刻采取紧急补救措施，但补救是否及时、决策是否正确，重点取决于是否能及时发现火灾、火灾的位置判断是否准确合理。及时发现火灾并有效地控制火灾产生与补救，对保障人身安全、社会生态文明具有至关重要的作用。
.......................
1.2 国内外研究现状
由于利用可见光通信进行烟雾及火焰检测，涉及多个已有研究领域，属于最近新兴的交叉研究方向，因此，该节针对烟雾及火焰检测火灾的研究进展做出综述。
1.2.1 火灾检测研究进展
烟雾和火焰为火灾产生的主要特征，基于火灾产生特征，目前火灾检测的常用方法包括：1）基于烟雾的检测方法，根据烟雾传感原理分类，烟雾检测方法如图 1.1 所示。2）基于火焰的检测方法。根据火焰传感原理分类，火焰检测方法如图 1.2 所示。火焰检测时，由于火焰产生的形状是随机的并且伴随着闪烁现象，火焰的运动状态是无规律的，提取火焰特征信息的过程较为复杂[14]。
图 1.1 烟雾传感分类图
.........................
第二章 可见光通信器件及结构组成
2.1 光源
2.1.1 LED 结构及基本特性
LED 作为发射端应用于可见光通信中，由于 LED 结构、自身材料对其工作特性有一定的影响，当 LED 应用于实验研究与测试时，需要根据不同条件筛选对应的工作电压、频率，加载信号。对于可见光通信而言，对于 LED 基本特性研究是基础且又关键的技术。
LED 又名发光二极管，它是由砷化镓（GaA s）、磷化镓（GaP ）等材料构成，是一块电致发光的半导体模块，结构如图 2.1 所示。通过将电能转化为光能，实现可见光通信发射端的信号输出。LED 封装在环氧树脂中，基于针脚作为正负电极基础下，起到支撑作用。LED 主要是通过加载工作电压，电流驱动，载流子发生复合引起光子发射而产生光。由于其体积小，功耗低等优点，被广泛应用，可以发出红、黄等多种颜色的光。LED 需要设置其工作电流、工作电压，一般分别设置为 0.02A、2.2V 左右。LED 由于是有无毒的材料制作而成的，所以不会造成环境污染，比较环保，性能比较好，利用率比较高。
LED 具有单向导电性，温度、颜色等对 LED 的工作影响较大。随着温度的升高，LED 光输出会有所下降；不同颜色 LED 工作时的电压等都会有所不同，受其颜色影响。驱动 LED 工作时，LED 具有非线性伏安特性。LED 伏安特性曲线分为三个区域，具有反向击穿作用，只有设置正确的电压方可驱动 LED 工作。LED 特性曲线是非线性的，随着电压的增加，流过的 LED 电流逐渐增大，并不是呈正比趋势增长。LED 并非单一波长，LED 会有相对应的峰值波长，峰值波长的光强是最大的，也是在研究 LED 特性时基础特性之一。
..........................
2.2 光接收元件
在可见光通信系统中，LED 通常作为发射端发出信号，接收端需要感光元器件，一般采用光电探测器作为接收端，接收 LED 光源发出的光，把光信号转化为电信号，并经过放大解调 LED 信号。光电探测器种类很多，包含光子探测器、热探测器，是一种基于光电效应的感光元器件。选取光电探测器时，为了使其工作达到最优状态，最大效率下输出原始信号，我们需要根据发射端发光元器件的特性等设置相应的工作参数，以达到最小误差率下实现可见光通信系统。
对于可见光通信系统，一般采用硅光电池作为接收端，如图 2.5 所示。可以把 LED发出的光信号直接转化为电信号，硅光电池构成相对简单，主要为 N 型基片层、P 型感光层，通常情况下，PN 结为零偏状态，当 P 型感光层感受到光照，会产生电子-空穴对，产生光生伏特效应。
在靠近用户接入领域，可见光通信是除无线射频通信的关键通信方法之一[55]，可见光通信中的非线性器件会导致信号失真，进一步对整个系统链路产生严重影响。可见光通信的非线性器件包括发射端 LED、接收端光电探测器及驱动电路[56]。可见光通信中的非线性主要来源是发光二极管 LED，光电探测器的非线性失真较弱。解决可见光通信中的非线性问题，主要是解决发光二极管中的非线性问题。发光二极管 LED 并非是一个理想器件，带宽受限，除了静态的非线性失真，LED 的记忆效应也会导致非线性失真。
对于 VLC 系统，它通过用电信号调制 LED 来传输信息。为了确保接收器有足够的光功率，需要将大幅度的电信号施加到 LED 上。但是，LED 具有开启电压和饱和电压，当输入的信号大于其允许的工作范围，发射器中的大电信号导致理论上 LED 的削波失真，对可见光通信链路造成了影响；当加载的信号在发光二见光的允许动态范围内，其输入与输出的关系并不是呈现线性关系，需要解决其存在的非线性问题。
............................
第三章 火灾检测下的可见光通信链路优化................................16
3.1 发射端不同额定功率白光的调制效率........................................16
3.1.1 实验装置及原理....................................16
3.1.2 实验结果与分析.................................17
第四章 可见光通信应用于火灾检测研究.....................................29
4.1 基于可见光通信的烟雾浓度检测研究.......................................29
4.1.1 光波在烟雾中传播的基本规律...........................29
4.1.2 采用红、蓝、白光 LED 光源的研究....................................29
第五章 总结与展望.................................. 45
5.1 总结.................................................45
5.2 展望..............................................46
第四章 可见光通信应用于火灾检测研究
4.1 基于可见光通信的烟雾浓度检测研究
4.1.1 光波在烟雾中传播的基本规律
在恶劣天气中，由于光源受到各种自然因素干扰等，可见光信息传输性能将会受到影响[60]，主要表现在可见光通信信道容量方面。在可见光通信系统中，信号从 LED 等通过自由空间信道传输到接收器，在本节研究中心，LED 被认为朗伯光源，遵循朗伯辐射定律。光束在均匀介质中是直线传播，当受到自由空间干扰时会发生 LED 散射现象，在自由空间中加入烟雾等特殊气体，一般情况下称其为 Mie 散射，光束在大气中的衰减由 Beer 定律描述，模型如式（2-12）。
4.1.2 采用红、蓝、白光 LED 光源的研究
图 4.1 1W 红光光源
第五章 总结与展望
5.1 总结
本文研究了一种利用可见光通信检测烟雾浓度及火焰有无的问题，并对其进行了可行性分析，主要完成的工作如下：基于可见光通信的非线性问题，优化可见光通信链路。通过分析 LED 的非线性问题、光接收元件的性能测试、LED 光源分布造成的接收端有效接接收区域问题，优化可见光通信系统链路，为后续可见光通信应用于烟雾浓度检测、火焰有无及位置感知奠定了理论基础。
1）研究了不同额定功率下白光 LED 调制效率，对额定功率为 0.1W、0.5W、1W 白光 LED 调制效率进行了测试，验证了当 LED 在削波失真区域工作时，它具有较大的调制效率。
2）进一步测量并比较了 LED 检测器、硅光电池、传感器作为感光元件对 LED 调制效率的影响，通过实验数据及拟合，验证了硅光电池用作光接收元件，LED 信号传输损耗小。
3）基于可见光通信的链路特性，从发射端 LED 器件非线性特性出发，研究了可见光通信在自由空间传输时，由于 LED 光源满足朗伯分布，接收端接收有效区域的问题。根据 LED 在自由空间传输模型，仿真了基于可见光通信系统，测试并分析了接收端接收有效区域问题，进一步研究了可见光通信信号在真实环境下的接收有效区域问题。利用 MATLAB 建模仿真，通过实验进行测试，由分析对比得出，硅光电池水平面与发射端 LED 的距离 h 会影响接收端有效接收区域，同时，输入信号频率也会影响有效接收区域。此现象表明可见光通信 LED 光源朗伯分布，由于发光二极管光源分布，接收端硅光电池的接收面积有限，对可见光通信链路接收端接收信号有一定的影响。未来可见光通信方法投入到实际应用场景时，需要对 LED 光源的特性进行分析优化，进一步提高可见光通信方法在实际应用中的效率、精度问题。
4）提出了一种利用可见光通信方法实现烟雾浓度检测、火焰有无及位置感知的方案，通过分析在可见光通信系统中引入烟雾及火焰，对可见光通信信息传输造成的影响，初次证明了利用可见光通信方法可以完成烟雾浓度检测及火焰检测，在未来的火灾应用中有一定的价值。
参考文献（略）