基于單片機的火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)設(shè)計

程望斌, 劉 凌, 楊陳明, 李 慧, 李 璇

( 1.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006; 2. 湖南理工學(xué)院 外國語言文學(xué)學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

基于單片機的火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)設(shè)計

程望斌1, 劉 凌1, 楊陳明1, 李 慧2, 李 璇1

( 1.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006; 2. 湖南理工學(xué)院 外國語言文學(xué)學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

隨著人們防火意識的提高, 火災(zāi)報警技術(shù)也越來越受到重視. 針對現(xiàn)有的分布式火災(zāi)報警系統(tǒng)的缺點, 文中介紹了一種適用范圍更廣泛的基于單片機的無線火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng). 系統(tǒng)主機采用STM32F103單片機作為主控MCU, 從機則用煙霧傳感器和溫度傳感器作為探測節(jié)點, 并選用MSP430G2553系列單片機進行控制. 主機和各節(jié)點之間通過CC1101無線射頻雙工通信組成網(wǎng)絡(luò). 采用軟件Altium Designer作為硬件電路設(shè)計工具, 同時采用軟件Keil ARM進行軟件設(shè)計. 最后對完成的實物進行相關(guān)實驗, 結(jié)果良好, 實現(xiàn)了預(yù)定功能.

單片機; 煙霧傳感器; 火災(zāi)報警; 模數(shù)轉(zhuǎn)換

引言

近年來, 隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市化進程的加快, 在給人們帶來快捷與方便的同時, 也帶來了不少麻煩. 尤其是在人口稠密的城市, 用火用電的密度大, 火災(zāi)的防范就變得愈發(fā)困難. 因此火災(zāi)的預(yù)警變得尤為重要[1]. 但由于人們防火意識的薄弱以及城市規(guī)劃的不合理等使得傳統(tǒng)的分布式火災(zāi)報警系統(tǒng)的抗干擾能力弱, 誤報率高, 拓展能力低下等缺陷越來越明顯. 為此火災(zāi)報警系統(tǒng)的小型化、無線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化日益成為現(xiàn)代社會的迫切需要. 基于單片機的火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)設(shè)計是首先由探測節(jié)點采集到火災(zāi)信號或者故障信號, 由該節(jié)點自行處理信號并決定是否報警, 然后將信號通過無線通信發(fā)射模塊發(fā)送給主機, 主機收集到信號后響應(yīng)并執(zhí)行相關(guān)操作[2]. 通過此系統(tǒng)可達到設(shè)計成本較低、功能良好以及可維護性較強的目的.

1 火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由火災(zāi)探測節(jié)點(從機)和主機組成. 首先由煙霧探測器和溫度探測器采集信號, 傳感器處理和判斷采集的信號并決定是否報警, 然后將信號發(fā)送給主機. 主機收集到信號后進行響應(yīng), 再決定是否發(fā)送報警信號; 同時通過人機監(jiān)控界面提示用戶發(fā)生火災(zāi)或者系統(tǒng)節(jié)點發(fā)生故障, 并定位信號地址, 實現(xiàn)提醒用戶進行滅火或者故障排查等功能[3]. 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件由六個模塊組成: 煙霧傳感器探測模塊、溫度傳感器探測模塊、無線通信模塊、報警顯示模塊、控制模塊以及電源設(shè)計模塊. MQ-2煙霧傳感器主要由LM393和ZYMQ-2氣體傳感器組成, 其工作電壓為5V, 能夠很好的檢測環(huán)境煙霧信號, 并以較為簡單的TTL電平方式與單片機進行通信[4]. 溫度檢測電路使用了對溫度敏感的溫度傳感器PT100, 采用差分放大將變化的電阻值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘? 再利用 ADC對信號進行采集、運算, 從而達到測量溫度的目的. 無線通信采用的則是低成本的1GHz以下的無線收發(fā)器,為極低功耗的無線應(yīng)用而設(shè)計. 報警及顯示電路接收信號均采用電平信號, 當(dāng)接收到煙霧信號時, 主控MCU的I/O口將輸出一個高電平來驅(qū)動9012三極管, 使其導(dǎo)通, 三極管電路的導(dǎo)通將會接通蜂鳴器電路,蜂鳴器報警, 報警電路工作完成. 控制模塊由主機控制模塊和從機控制模塊兩部分控制. 電池供電電源為5V輸出, 其中STM32F103、C1101無線通信模塊、MSP430G2553從機控制電路均使用5V供電. 液晶顯示模塊采用的是3.5英寸的LED 液晶彩色顯示屏, 該LED 液晶彩色顯示屏利用專用芯片SSD1963控制.

整個系統(tǒng)則通過傳感器模塊檢測到煙霧和溫度的信息之后, 由從機通信電路進行數(shù)據(jù)采集與通信,主機控制電路負責(zé)檢測和控制系統(tǒng)工作. 系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)總體設(shè)計思路

報警控制模塊中, 若報警溫度值或煙霧濃度高于用戶設(shè)定的報警值時, 節(jié)點的蜂鳴器就會發(fā)出報警聲, 同時報警指示燈閃亮, 并將報警數(shù)上傳到主機. 為防止錯誤的報警, 程序設(shè)計時, 對煙霧濃度和溫度進行快速重復(fù)檢測和延時報警, 從而區(qū)別出是煙霧的泄露, 還是由于暫時打開閥門產(chǎn)生的可燃煙霧的微量散失, 防止錯誤的報警.

火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)以MPS430G2553作為核心控制單元．對煙霧傳感器進行實時數(shù)據(jù)采集, 將采集到的數(shù)據(jù)進行濾波, 判斷是否達到報警閾值, 同時對處理后的數(shù)據(jù)進行壓縮編碼、打包, 最后通過CC1101無線模塊發(fā)送給主機. 主機接收數(shù)據(jù)后, 以STM32F103作為核心控制單元, 進行統(tǒng)一的解壓縮和處理,判斷出每個節(jié)點的工作狀態(tài), 并以表格形式顯示在TFT液晶屏上. 若某個節(jié)點不正常, 則整個系統(tǒng)發(fā)出報警. 同時主機網(wǎng)絡(luò)接口, 可通過串口將各個節(jié)點的數(shù)據(jù)及其整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)上傳到PC機.

本設(shè)計從三個方面對系統(tǒng)做了測試: 不同煙霧濃度下系統(tǒng)的功能實現(xiàn)情況、不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)的功能實現(xiàn)情況以及不同通信距離下系統(tǒng)的功能實現(xiàn)情況.

火災(zāi)煙霧控制系統(tǒng)功能模塊主要有數(shù)據(jù)采集和報警控制兩個模塊. 其系統(tǒng)設(shè)計流程圖分別如圖3(a)和(b)所示.

穩(wěn)定下來后，她慶幸自己沒有帶小周去做筆錄。會見室雖然有攝像頭，但不錄音，第三者聽不到會見內(nèi)容。新的《律師法》給了律師充分的自由，可以單獨會見嫌疑人。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計流程圖

數(shù)據(jù)采集模塊中, 對煙霧傳感器數(shù)據(jù)采用周期定時啟動MSP430的內(nèi)部ADC采集其模擬輸出電壓值,同時將數(shù)字接口線作為單片機的中斷觸發(fā), 以實時監(jiān)測高濃度的煙霧值, 對溫度傳感器的監(jiān)測則在周期定時啟動MSP430采集煙霧濃度的同時[5], 采用內(nèi)部ADC的另外一個通道進行溫度數(shù)據(jù)的采集.

在金融監(jiān)管方面，1998年，人民銀行云南省分行撤銷，同時成立了中國人民銀行成都分行昆明金融監(jiān)管辦事處和中國人民銀行昆明中心支行，此后，云南保監(jiān)局、銀監(jiān)局、證監(jiān)局的成立，標(biāo)志著“一行三局”監(jiān)管體系形成，對云南省完善宏觀調(diào)控，加強金融監(jiān)管，維護金融穩(wěn)定起到了重要作用。

該測試項目利用香煙燃燒產(chǎn)生的煙霧作為模擬信號源, 以同時間點燃的香煙數(shù)量作為信號源的強度梯度. 測試環(huán)境為20m2的普通房間, 測試距離模仿實際情況. 測試結(jié)果見表1.

在信息技術(shù)與幼兒園課程融合過程中，多種媒體融合教學(xué)受到更多關(guān)注，其出發(fā)點和歸宿仍然是優(yōu)化教學(xué)，主要利用媒體的優(yōu)勢互補原則為幼兒的知識建構(gòu)提供良好情境。

數(shù)據(jù)分析處理模塊中, 需要對采樣數(shù)據(jù)進行濾波, 本設(shè)計采用平均值濾波法, 即對N個采樣數(shù)據(jù)進行比較, 去掉其中的最大值和最小值, 然后對剩余的數(shù)據(jù)求平均值. 根據(jù)理論的曲線關(guān)系, 以其單片機的處理能力, 把曲線分成若干段, 然后對每一小段分別線性化.

4系統(tǒng)仿真與功能實現(xiàn)

(1) 不同煙霧濃度下系統(tǒng)的功能實現(xiàn)情況

3.2 火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計

4.1 系統(tǒng)硬件測試及結(jié)果

以農(nóng)村污染治理為例。我國當(dāng)前的環(huán)境保護工作對于工業(yè)和城市污染的重視程度要遠高于對農(nóng)村污染的防治,雖然這兩年中央加大了對農(nóng)村污水和垃圾等問題的投入,但農(nóng)村污染防治工作還遠不到位。對于農(nóng)村污染防治工作這個短板,未來首先需要解決的就是環(huán)保部和相關(guān)部門應(yīng)盡快出臺全面的頂層設(shè)計和部署,將農(nóng)村環(huán)境污染防治工作作為鄉(xiāng)村振興計劃的重要組成部分加以統(tǒng)籌規(guī)劃。

外方評估中介機構(gòu)及評估師不能詳細了解每個油田（評估單元）的全面情況，僅根據(jù)中方所提供的資料進行評估，而上市評估與實際開發(fā)形勢及過程的緊密結(jié)合是自評估及中期評估的一大優(yōu)勢，利用好這種優(yōu)勢的關(guān)鍵是采油廠，現(xiàn)在需要在這方面進一步完善，由此配合評估師比較客觀地完成評估任務(wù)、取得評估結(jié)果。

2017年1月，工業(yè)和信息化部、商務(wù)部、科技部三部委《關(guān)于加快推進再生資源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出，推動再生資源綠色化、協(xié)同化、高值化、專業(yè)化、集群化發(fā)展，到2020年建成再生資源產(chǎn)業(yè)體系，建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，培育一批具有市場競爭力的示范企業(yè)。

表1 不同煙霧濃度下系統(tǒng)的功能實現(xiàn)情況

(2)不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)的功能實現(xiàn)情況

該測試項目利用實驗室的焊刀作為模擬溫度信號源, 同時以測溫萬用表進行數(shù)據(jù)參照, 選用適當(dāng)距離模擬火災(zāi)真實情況. 測試結(jié)果如表2所示.

表2 不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)的功能實現(xiàn)情況

4.2 無線通信距離測試及結(jié)果

不同通信距離下系統(tǒng)的功能實現(xiàn)情況如下: 首先將從機設(shè)置為每2s發(fā)送一次報警信號, 如果每次主機都能收到報警信號, 則會記錄并顯示收到報警信號的次數(shù). 每個不同距離的測試點測試5min. 測試結(jié)果如表3所示.

表3 不同通信距離下系統(tǒng)的功能實現(xiàn)情況

5 總結(jié)

火災(zāi)煙霧報警系統(tǒng)在對煙霧、溫度傳感器和報警技術(shù)進行深入研究的基礎(chǔ)上, 通過設(shè)計一個以AT89S52單片機為核心的火災(zāi)報警器實現(xiàn)聲光報警、故障自診、濃度顯示、報警時限設(shè)置、延時報警以及對普通環(huán)境中煙霧濃度和溫度的實時監(jiān)控的功能. 火災(zāi)報警器是防火、防爆和安全生產(chǎn)所必備的儀器,具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景. 本報警器電路結(jié)構(gòu)簡單、可維護性好. 由于實現(xiàn)了對普通環(huán)境中煙霧濃度和溫度的實時監(jiān)控, 因而具有非常重要的應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義[6].

[1] 祝 瑩. 火災(zāi)自動報警技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J]. 工業(yè)技術(shù), 2012, (8): 93

[2] 李友化. 火災(zāi)自動報警技術(shù)的應(yīng)用及研究發(fā)展趨勢[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè), 2007, 19(7): 195～196

[3] P. Stahl.Fire alarm systems-concepts for tunnels[J].TechnischeUberwachung, 2006, 47(1): 14～18

[4] 劉子巍. 獨立式光電感煙火災(zāi)探測報警器電路研制[D]. 大連: 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2008

[5] 李 維, 謝 云. 基于WinCE6.0的LPC3250串口驅(qū)動程序開發(fā)[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2009, (8): 36～39

[6] 張 勇. 火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計思路探討[J]. 價值工程, 2012, (13): 160～161

Design of Fire Smoke Alarm System Based on SCM

CHENG Wang-bin1, LIU Ling1, YANG Chen-ming1, LI Hui2, LI Xuan1
(1. College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. School of Foreign Languages and Literature, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

With the improvement of people's consciousness of fire prevention, fire alarm technology is becoming more and more attention. Aiming at the existing disadvantages of distributed fire alarm system, a kind of wireless smoke fire detection and alarm system which is widely used and based on single chip microcomputer, is introduced in this paper. STM32F103 microcontroller is adopted to be the control core of MCU. As detecting node, with a smoke sensor and a temperature sensor inside, the slaver of the system, choose MSP430G2553 (a kind of MCU) to control. The master and each node are connected as a network by CC1101 wireless radio frequency of duplex. The Master and each node are connected as a network by CC1101 wireless radio frequency of duplex communication network. Using softwareAltium Designer as a tool, the hardware design and software Keil ARM is adopted to improve the software design. Finally, the actual product was completed, and its function was tested. The results of tests are good and the intended function is achieved.

SCM; smoke sensor ; fire alarm ; A/D

TP216

A

1672-5298(2014)03-0041-04

2014-06-26

湖南省教育廳科學(xué)研究一般項目(13C368)

程望斌(1979? ), 男, 湖北崇陽人, 碩士, 湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院講師. 主要研究方向: 感應(yīng)無線技術(shù)、光電子技術(shù)、數(shù)學(xué)建模