基于STM32的無線火災(zāi)定位報警系統(tǒng)設(shè)計?

李長富，黎敬濤

（昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明650500）

基于STM32的無線火災(zāi)定位報警系統(tǒng)設(shè)計?

李長富，黎敬濤

（昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)院，昆明650500）

設(shè)計了一種基于STM32的無線定位火災(zāi)報警系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103VET6為主控制器完成現(xiàn)場檢測和現(xiàn)場報警。GPS模塊來獲取定位數(shù)據(jù)確定火災(zāi)發(fā)生的建筑位置信息，經(jīng)處理器處理后由GPRS無線傳輸模塊發(fā)送位置信息，由上位PC接收位置信息并顯示位置數(shù)據(jù)；并結(jié)合一個加權(quán)決策樹算法判斷報警條件防止誤報。終端硬件包括主控制器、GPRS模塊、GPS模塊、溫度煙霧傳感器模塊，報警模塊；數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī)PC并以上位軟件入庫顯示。實驗得到良好的效果，性能穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求，適用于無線火災(zāi)定位報警，滿足實際需求。

STM32微處理器；火災(zāi)報警；GPRS通信；GPS定位；傳感器

1　引　言

隨著智能時代的到來和物聯(lián)網(wǎng)的興起，人們的智能生活體現(xiàn)在生活水平以及生活質(zhì)量的提高，自然安全防范意識也就隨之提升，而安全防范中的火災(zāi)防范尤為重要，所以火災(zāi)報警一直是跟人們息息相關(guān)的，關(guān)乎人身安全和財產(chǎn)安全。普通的火災(zāi)報警系統(tǒng)都是由煙霧、溫度、可燃?xì)怏w等傳感器進(jìn)行火災(zāi)探測，一旦觸發(fā)報警條件便拉警報鳴警。此種報警對于火災(zāi)的發(fā)生現(xiàn)場是有利于受災(zāi)人員的逃離的。而有些研究者旨在提高火災(zāi)報警系統(tǒng)的可靠性上［1］，即降低漏報率、誤報率和提高探測器的復(fù)雜性和靈敏性，如光電感煙霧探測、分布式光纖測溫、激光探測、圖像檢測等。還有結(jié)合算法來提高報警系統(tǒng)性能的如研究者Chen、David等［2］人提出采用煙霧傳感器結(jié)合CO／CO2氣體傳感器同時融合上升率算法的方法用于對飛機(jī)貨倉內(nèi)的火災(zāi)探測，來降低誤報率和報警反應(yīng)時間。在提高正確報警率方面的確有助于人員現(xiàn)場鳴警疏散逃離，對于救援和災(zāi)情報告卻不是實時的。隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動化應(yīng)用的優(yōu)勢明顯，在遠(yuǎn)程監(jiān)測牲畜［3］等方面都有使用，但在遠(yuǎn)程火災(zāi)報告方面還不是很多，因此本文提出了一種無線火災(zāi)定位報警系統(tǒng)，能實現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場檢測鳴警的同時，完成實時定位且遠(yuǎn)程報警救援的功能。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計

此報警系統(tǒng)終端主要組成有：主控制器，溫度傳感器檢測模塊，煙霧傳感器檢測模塊，無線GPRS模塊，GPS模塊和報警模塊六個部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作過程為：在報警系統(tǒng)端，工作時控制器預(yù)先通過程序設(shè)定一組溫度與煙霧閾值，通過溫度和煙霧探頭檢測環(huán)境中的溫度與煙霧參數(shù)。當(dāng)達(dá)到或超過閾值時主控制器中斷，給GPRS和GPS兩個模塊上電啟動并初始化系統(tǒng)。成功啟動后GPS獲取定位數(shù)據(jù)傳給主控制器，主控制器整合定位數(shù)據(jù)送給GPRS模塊，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。同時主控制器給報警系統(tǒng)一個鳴笛信號拉響警報。數(shù)據(jù)接收中心通過GPRS網(wǎng)和Internet以TCP／IP傳輸協(xié)議收取數(shù)據(jù)包，由上位機(jī)通過顯示軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理、存儲和顯示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3　硬件設(shè)計

報警系統(tǒng)終端包括：主控制器，GPRS模塊，GPS模塊，溫度傳感器檢測模塊，煙霧傳感器檢測模塊以及報警模塊六個部分。

3.1主控制器

主控制器以STM32F103VET6為主要控制芯片［4－6］。由于該芯片是基于ARM Cortex－M3內(nèi)核增強(qiáng)型的微處理器，其工作頻率可達(dá)72MHz，內(nèi)置64KBFlash高速存儲器，20KB運行內(nèi)存（SRAM），256KB程序存儲器，豐富的增強(qiáng)I／O端口和連接到兩條AHB總線的外設(shè)。擁有3個12位ADC，4個通用16位定時器和2個PWM定時器；還包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口：多達(dá)兩個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口、5個USART接口、1個USB接口；內(nèi)置Cortex－M3內(nèi)嵌跟蹤模塊ETM、串行總線調(diào)試SWD和JTAG接口，其功耗低，中斷延遲短以及較高的處理速度保證了系統(tǒng)的運行。連接復(fù)位和時鐘晶振電路，GPRS和GPS模塊都通過串口通信與微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以GPRS和GPS都與微機(jī)的USART接口相連。

3.2GPRS模塊

此設(shè)計采用的GPRS模塊為SIM300［7］模塊。該模塊是一款三頻段GSM／GPRS模塊，支持在EGSM900MHz／DCS1800MHz／PCS1900MHz三種頻率下工作，能夠提供撥號、短信、彩信、GPRS等功能。SIM300結(jié)構(gòu)小巧，具有低功耗設(shè)計，工作電壓在3.4到4.5V之間；支持1.8V和3.0V的SIM卡。模塊提供了串行通信接口支持的自動波特率為：1200bps—115200bps。通訊接口采用可選的插針和RS232串行接口（指令和數(shù)據(jù)的雙向傳送），同時模塊支持AT指令設(shè)置與控制，在軟件設(shè)計時使用AT指令即可實現(xiàn)短信的收發(fā)讀取。SIM300的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，有引腳插針可接入TxD、RxD串口通信線，且自帶電平轉(zhuǎn)換符合RS232電路標(biāo)準(zhǔn)，與STM32的串口1USART1_RxD，USART1_TxD接口相連接。

3.3GPS模塊

GPS模塊采用的是GR－89接收模塊［8］。由于其采用BGA封裝及高集成化電路，內(nèi)置低噪放大器濾波器，同時擁有性能高、低功耗、體積小等適于導(dǎo)航與定位的優(yōu)點，通過兩個RS－232進(jìn)行雙向串口通信。根據(jù)GR－89模塊的功能及引腳分布，數(shù)據(jù)可通過兩個RS－232進(jìn)行雙向通信。此處與STM32的串口2USART接口相連，引腳17接GPS天線，引腳NRESET接微機(jī)GPIO口，作為GPS復(fù)位信號，同時電源引腳接電源且串聯(lián)一個小容量電容以抗干擾。

3.4溫度、煙霧檢測及報警模塊

數(shù)字溫度傳感器使用TI公司的數(shù)字溫度傳感器LM77，支持總線，支持I2C接口，可簡化多點檢測的設(shè)置連接。系統(tǒng)掛載3個LM77探頭采集溫度以實現(xiàn)多點多數(shù)據(jù)測量，電路接線如圖2所示。通過外部電路先將各LM77的地址確定，待取數(shù)據(jù)時微機(jī)首先發(fā)送一個LM77的相應(yīng)地址，而后再跟一個讀溫度命令，對應(yīng)地址的LM77就會響應(yīng)將實時溫度回傳給微機(jī)。

圖2　溫度傳感器電路

煙霧傳感器采用QM－N5半導(dǎo)體煙霧傳感器，其靈敏度高，電導(dǎo)率變化大，響應(yīng)和恢復(fù)時間短，抗干擾能力強(qiáng)，輸出信號強(qiáng)，工作穩(wěn)定，可檢測多種可燃?xì)怏w和煙霧。煙霧傳感器的實時檢測信號經(jīng)過放大、濾波、調(diào)整后經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換可得到數(shù)據(jù)，同時STM32有集成A／D轉(zhuǎn)換，簡化了電路設(shè)計。

報警模塊由KD9561模擬聲報警集成芯片［9］組成，TR1和TR2是選聲端口，接法不同相應(yīng)的聲音不同，設(shè)計中TR1接Vdd，TR2置空，發(fā)聲就是火警聲。KD9561的聲音輸出端接LM386芯片的信號輸入端，火警聲經(jīng)過LM386放大后輸出。

4　中斷條件決策加權(quán)的設(shè)計

對于是否產(chǎn)生報警這一結(jié)果，此處參考ID3決策樹算法［10］并，采用對決策樹決策結(jié)果進(jìn)行加權(quán)以對火災(zāi)的溫度和煙霧條件進(jìn)行計算判斷做出報警決策。對于溫度和煙霧兩個屬性對決策樹算法得出的較佳屬性予以較大權(quán)值，權(quán)值分：45%和55%，滿足45%＋55%=1。假設(shè)2個樣例為［7＋，5－］，信息增益大者較佳，屬性熵（E）和信息增益（G）計算公式如下：

取溫度樣例和煙霧樣例，溫度和煙霧樣例圖如圖3所示，由此計算可得：

G溫度＜G煙霧，所以系統(tǒng)測得的溫度數(shù)值跟煙霧數(shù)值分配到的權(quán)值分別為0.45和0.55。則有

Ttest=0.45*（t1＋t2＋t3）／3＋0.55*y

其中t1、t2、t3為系統(tǒng)所測的三個溫度探頭的溫度值，y為系統(tǒng)煙霧探頭的煙霧值。

圖3　溫度和煙霧樣例圖

為系統(tǒng)設(shè)置的閾值為T閾，當(dāng)Ttest≥T閾，則系統(tǒng)產(chǎn)生中斷進(jìn)入報警流程；當(dāng)Ttest＜T閾，則系統(tǒng)正常繼續(xù)檢測。

5　軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括兩部分，即系統(tǒng)控制器程序設(shè)計以及上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示軟件設(shè)計。

5.1系統(tǒng)控制器程序設(shè)計

系統(tǒng)控制器程序設(shè)計主要是針對報警系統(tǒng)端的控制器單片機(jī)的運行程序編寫。系統(tǒng)程序的開發(fā)采用c語言編寫，軟件采用Keil。這部分軟件設(shè)計重點在于：其一，對溫度和煙霧傳感器的信號檢測［11］，是否達(dá)到閾值，是否要中斷報警；其二，對GPS模塊的啟動初始化以及定位數(shù)據(jù)的接收；其三對SIM300模塊的啟動初始化，對獲取到的定位數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)短信。其中在編寫STM32與SIM300連接程序的時候所有對于SIM300操作的AT指令（SIM300使用說明書部分給出）等都是以ASCII編碼形式傳送的，如“A”和“T”的ASCII編碼為41H和54H；設(shè)置其波特率115200bps，指令為AT＋I(xiàn)PR=“115200”，設(shè)置連接服務(wù)中心指令A(yù)T＋CIPSTART=“TCP”，指定IP“192.168.43.156”，指定端口“8080”，條件以“，”隔開。程序中必須以回車符號作為一條指令的結(jié)束，其中0DH為回車的ASCII編碼；GPRS數(shù)據(jù)的串口配置速率為115200bps，字長為8 bit，停止位1位，串口為輸入與輸出模式使能相對應(yīng)的串口。在傳送數(shù)據(jù)時，要先設(shè)置網(wǎng)關(guān)，終端類型，接通GPRS網(wǎng)絡(luò)再將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。對于GPS數(shù)據(jù)通信，其串口設(shè)置波特率為4800bps，通信協(xié)議使用的是基于NMEA00183標(biāo)準(zhǔn)兼容串口協(xié)議，ASCII接口說明，GPS沒有什么控制流程，主要是通過串口讀取GPS送來的數(shù)據(jù)。對于STM32的USART串口數(shù)據(jù)通信情況由其狀態(tài)位標(biāo)識，置1時則數(shù)據(jù)傳送完畢，此時數(shù)據(jù)可以進(jìn)行正常發(fā)送，而TC位要置0時則是由軟件執(zhí)行。在系統(tǒng)設(shè)計中采用模塊化設(shè)計，編寫程序時提高了代碼復(fù)用率，便于調(diào)試改錯且易于對添加功能的擴(kuò)展，系統(tǒng)報警系統(tǒng)端控制器的程序執(zhí)行流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)流程圖

程序成功編譯后通過Jlink設(shè)置好端口、波特率等下載到STM32，系統(tǒng)即可自動按流程運行。

5.2數(shù)據(jù)顯示軟件設(shè)計

接收端接收到由報警終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，由PC上位機(jī)軟件即數(shù)據(jù)顯示軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，分析，顯示出有用信息即時間和定位坐標(biāo)，數(shù)據(jù)顯示軟件使用C＋＋進(jìn)行編寫。對于GPS定位數(shù)據(jù)的顯示，其數(shù)據(jù)核心在于對GPS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，因GR－89的GPS使用的通信協(xié)議以“$”表示語句起始標(biāo)志，“，”表示域分隔符，“*”表示校驗和標(biāo)識符其后兩位數(shù)為其校驗和，而對于其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，主要由幀頭、數(shù)據(jù)和幀尾組成。主要幀頭有GPGSV”、“GPRMC”、“GPGGA”以及“GPGSA”，各幀以回車符〈CR〉和換行符〈LF〉作為幀尾，標(biāo)識一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束［12］。

經(jīng)過對GPS數(shù)據(jù)幀的有效性分析，以及考慮到數(shù)據(jù)量大小對數(shù)據(jù)發(fā)送速度的影響，只對GPS數(shù)據(jù)幀的$GPRMC為幀頭的數(shù)據(jù)幀信息進(jìn)行解析顯示。對于該幀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式說明如下（此處只說明有用部分）：$GPRMC，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，＜10＞，＜11＞＜CR＞＜LF＞，例如獲取到的數(shù)據(jù)幀為：$GPRMC，101439，A，2488.1552，N，10286.7548，E，000.0，000.0，210115，005.8…CRLF，得知數(shù)據(jù)為有效（A表示可用），時間為2015年1月21日，經(jīng)緯度為24.881552，102.867548。從數(shù)據(jù)特點來看，對于數(shù)據(jù)分離顯示部分的程序編寫比較容易實現(xiàn)。如由定位狀態(tài)所得的數(shù)據(jù)是否為“A”可知數(shù)據(jù)可用；在程序中就可以以“，”為分隔符，提取每部分?jǐn)?shù)據(jù)；以“CRLF”字符來設(shè)置結(jié)束一次數(shù)據(jù)提取。數(shù)據(jù)處理完后入庫再顯示，以防數(shù)據(jù)丟失，也可返庫查找數(shù)據(jù)。

6　系統(tǒng)測試及結(jié)果

系統(tǒng)測試環(huán)境選擇在學(xué)校的學(xué)生實驗室房間內(nèi)進(jìn)行。為使實驗效果明顯，選取面積較小的房間，火災(zāi)模擬源使用燃燒柴火的火盆來模擬（有煙產(chǎn)生的燃燒），原則上應(yīng)該連接多個溫度和煙霧傳感器以提高報警準(zhǔn)確度，而設(shè)計3個溫度探頭表示多個。首先使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手測試GPRS網(wǎng)絡(luò)是否正常工作；其次各模塊工作正常；而后系統(tǒng)功能運行，使室內(nèi)條件達(dá)到報警條件，此時系統(tǒng)鳴笛報警，PC端接到定位數(shù)據(jù)。再者測試系統(tǒng)性能，即報警響應(yīng)時間，從探頭探測到異常后經(jīng)過系統(tǒng)報警終端到接收到數(shù)據(jù)的用時來評估，測試次數(shù)取10次（不考慮傳感器設(shè)備預(yù)熱時間），系統(tǒng)各次及所用的系統(tǒng)響應(yīng)時間如圖5所示，由圖可知響應(yīng)時間約在23s，系統(tǒng)運行性能在可接受范圍內(nèi)。

圖5　系統(tǒng)各次響應(yīng)時間

測試發(fā)送的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò)能正常接收，所得數(shù)據(jù)經(jīng)顯示軟件處理后能夠正確顯示結(jié)果，圖6所示為所得到的有效數(shù)據(jù)顯示。

圖6　定位數(shù)據(jù)結(jié)果顯示

通過系統(tǒng)的運行測試，系統(tǒng)能檢測到模擬火災(zāi)條件并鳴報警音進(jìn)行警示，且能夠?qū)馂?zāi)報警數(shù)據(jù)進(jìn)行實時獲取并無線發(fā)送，實現(xiàn)了火災(zāi)定位報警的基本要求。

7　結(jié)束語

經(jīng)過系統(tǒng)測試，可知系統(tǒng)運行穩(wěn)定效果良好滿足設(shè)計需求。該無線火災(zāi)定位報警器系統(tǒng)，在自動化與智能化遠(yuǎn)程火災(zāi)報警系統(tǒng)的研究和發(fā)展中以及物聯(lián)網(wǎng)方面的技術(shù)應(yīng)用中都有一定的參考價值，系統(tǒng)的高度模塊化有利于功能擴(kuò)展并應(yīng)用到更為廣闊的其他環(huán)境中。

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Design of Wireless Positioning Fire Alarm System Based on STM32

Li Changfu，Li Jingtao
（School of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）

A wireless location of fire alarm system，based on STM32，is designed.STM32F103VET6 is used as the main controller of System to manage the scene detection and alarm in time.GPS module，obtaining positioning data，is used to determine the construction location information of the fire which is processed and sent by GPRS wireless transmission module，and

and displayed by the software.Combining with a weighted decision tree algorithm，the alarm condition is judged to prevent false positives.The terminal hardware is composed of the main controller，GPRS module，GPS module，the temperature and smoke sensor module and alarm module.The experiments show that the system，with the stable performance and meeting the design requirements，is applicable to wireless positioning fire detection and alarm.

STM32 micro processor；Fire alarm；GPRS；GPS；Sensor

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.023

TP302.1；TP368

A

1002－2279（2016）01－0092－05

?昆明理工大學(xué)自然科學(xué)研究基金資助（人培基金：KKSY201403120）

李長富（1990－），男（土家族），湖南省吉首市人，碩士研究生，主研方向：無線通信的自動化控制以及計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。黎敬濤（1967－），男，云南省昆明市人，副教授，碩導(dǎo)，博士，主研方向：計算機(jī)應(yīng)用及計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與預(yù)測。

2015－04－23