基于ARM的室內(nèi)消防安全檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邱雅 胡勝軒

摘要：為了最大限度地保證生命財(cái)產(chǎn)安全，及時(shí)提醒人們家中存在的消防安全隱患，提出了室內(nèi)消防安全檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。利用ARM核心開(kāi)發(fā)板，采用C語(yǔ)言編程，配合多種傳感器以及GSM模塊，設(shè)計(jì)了一套集檢測(cè)和提醒為一體的室內(nèi)消防安全體系。結(jié)合了智能硬件編程中的開(kāi)發(fā)技術(shù)，包含傳感器的調(diào)用、數(shù)據(jù)采集、通用同步/異步串行接收/發(fā)送器（USART）技術(shù)和全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）技術(shù)等。并通過(guò)仿真場(chǎng)景實(shí)例驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的可靠性，可有效地為使用者提供安全保障。

關(guān)鍵詞：ARM;消防安全;C語(yǔ)言;傳感器;GSM

中圖分類號(hào)：TP31? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）36-0229-03

1 緒論

1.1 課題研究的背景

現(xiàn)在人們的生活場(chǎng)景下，家中無(wú)人值守的情況已是常態(tài)，大功率電器的使用和錯(cuò)誤的煤氣使用習(xí)慣，加上消防安全防范意識(shí)淡薄，極易引發(fā)火災(zāi)、煤氣中毒等消防問(wèn)題。據(jù)真實(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)從2010年到2018年就發(fā)生火災(zāi)十萬(wàn)余起，傷亡慘重，損失巨大。

1.2 課題研究的意義和目標(biāo)

ARM Cortex系列是哈弗結(jié)構(gòu)的MCU，可以針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景和功能進(jìn)行定制，實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，較少冗余，節(jié)省芯片資源?；诒匾纳鐣?huì)責(zé)任和廣闊的市場(chǎng)前景，致力于采用ARM設(shè)計(jì)一套檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)檢測(cè)家中各項(xiàng)消防數(shù)據(jù)，并在發(fā)生險(xiǎn)情的早期，根據(jù)異常情況進(jìn)行災(zāi)情預(yù)處理、聲光報(bào)警、短信報(bào)警等一系列操作通知戶主。從而把損失降到最低，對(duì)保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和我國(guó)的社會(huì)安全體系有極大意義。

2 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 ARM

采用的ARM核心板是針對(duì)快速實(shí)時(shí)響應(yīng)、成本較低、開(kāi)發(fā)周期短的場(chǎng)合設(shè)計(jì)的。其作為哈佛體系結(jié)構(gòu)的處理器，與馮諾依曼的結(jié)構(gòu)相比，它將儲(chǔ)存代碼的FLASH和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)RAM物理上分開(kāi)設(shè)計(jì)，而且采用了精簡(jiǎn)指令集，通過(guò)微指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和傳輸。使程序運(yùn)行更快便是其如此設(shè)計(jì)的目的所在。

2.2 卡爾曼濾波

卡爾曼濾波這種數(shù)據(jù)處理的技術(shù)主要是為了去除噪聲還原真實(shí)數(shù)據(jù)的，各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)后，用ARM對(duì)這些數(shù)據(jù)實(shí)行AD/DA信號(hào)采集，但是由于客觀因素的影響，采用這種方式采集的信號(hào)不免包括一些噪聲，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波算法處理，來(lái)消除信道采集中的噪聲?？柭鼮V波器是一個(gè)最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在解決大部分的問(wèn)題時(shí)，他是最優(yōu)的、效率最高的甚至是最有用的。

2.3 GSM技術(shù)

GSM是蜂窩狀的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)中也是應(yīng)用最為廣泛的，在移動(dòng)設(shè)備使用時(shí)連接到最近的基站，各個(gè)基站按照蜂窩形狀分布。這樣可以更加穩(wěn)定的進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，減少信號(hào)傳播過(guò)程中的衰減，滿足高密度通話需求，也可以根據(jù)移動(dòng)設(shè)備數(shù)量更改蜂窩網(wǎng)的大小，同時(shí)GSM網(wǎng)絡(luò)可在多個(gè)頻段上運(yùn)行。

3 需求分析

3.1 可行性分析

3.1.1 技術(shù)可行性分析

設(shè)計(jì)的這款是基于 ARM的室內(nèi)消防安全檢測(cè)裝置，在采用C語(yǔ)言編程的基礎(chǔ)上，參考了ARM和C的開(kāi)發(fā)者社區(qū)中大量的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累，在社區(qū)中對(duì)相關(guān)技術(shù)的探討也一直非?；钴S，而且開(kāi)發(fā)者們不斷地對(duì)技術(shù)進(jìn)行升級(jí)維護(hù)。C語(yǔ)言作為一款極易入手的編程語(yǔ)言在嵌入式領(lǐng)域有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，與ARM結(jié)合進(jìn)行智能硬件的開(kāi)發(fā)，在技術(shù)層面上來(lái)看，是完全可行的。

3.1.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就從開(kāi)發(fā)成本出發(fā)進(jìn)行全面考慮，顧及系統(tǒng)的硬件成本，采用的是 ARM Cortex-M3系列地主板進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，價(jià)格低廉，使用的各種傳感器價(jià)格也普遍不高，市面上比較常見(jiàn)，方便采購(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)控制硬件地成本。

3.1.3 社會(huì)可行性分析

該室內(nèi)安全檢測(cè)裝置，可應(yīng)用在家庭、學(xué)校教室、大型購(gòu)物廣場(chǎng)、工廠、研發(fā)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室、汽車以及一些封閉或半封閉環(huán)境的室內(nèi)場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境中的CO、煙霧、火焰等狀況。有異常發(fā)生是可通過(guò)本地聲光報(bào)警以及短信遠(yuǎn)程報(bào)警。還可以打開(kāi)換氣扇等措施進(jìn)行初步處理災(zāi)害，在同行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)者中，本產(chǎn)品功能多，成本低，性價(jià)比高。

3.2 功能性需求描述

ARM板要實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫濕度信息，CO濃度信息、煙霧、火焰狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在數(shù)據(jù)融合后做出綜合判斷，若存在煤氣泄漏的安全隱患，則進(jìn)行蜂鳴器鳴叫和LED閃爍方式提醒在家用戶，通過(guò)發(fā)送短信方式提醒在外用戶。同時(shí)進(jìn)行初步的緊急處理措施，比如打開(kāi)排風(fēng)扇、打開(kāi)窗戶。若發(fā)生火災(zāi)，進(jìn)行本地聲光報(bào)警和向系統(tǒng)設(shè)定的用戶、消防、物業(yè)發(fā)出短信報(bào)警。從而盡早地實(shí)現(xiàn)對(duì)安全隱患的處理，并且最大化的降低災(zāi)情帶來(lái)?yè)p失。

3.3 非功能性需求描述

非功能性的需求方面主要考慮設(shè)備的安全性、續(xù)航和功率問(wèn)題。模塊系統(tǒng)采用3.3V-5V供電，其電壓電流系數(shù)或者輻射系數(shù)基本對(duì)人員無(wú)任何影響。當(dāng)設(shè)備電量低時(shí)，更換電池即可，能夠持續(xù)續(xù)航，可廣泛適用于家庭、學(xué)校、酒店等人員密集的室內(nèi)場(chǎng)所。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 概要設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)功能主要包括兩大板塊，分別是災(zāi)情識(shí)別板塊、消防報(bào)警板塊。災(zāi)情識(shí)別板塊由火焰、煙霧、CO濃度、溫濕度等傳感器組成。該板塊通過(guò)傳感器返回的數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合化比對(duì)分析，判斷此時(shí)的室內(nèi)情況是安全、有明火抑或者是有毒氣體泄漏，并當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到相應(yīng)警戒值時(shí)，ARM協(xié)調(diào)調(diào)用相關(guān)報(bào)警設(shè)備;消防報(bào)警板塊包含蜂鳴器、LED燈、GSM模塊、換氣扇電機(jī)。該板塊接收來(lái)自ARM的指令信息，來(lái)進(jìn)行相關(guān)報(bào)警操作，以排氣風(fēng)扇為例，僅當(dāng)煙霧數(shù)據(jù)或CO濃度數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)，會(huì)開(kāi)啟風(fēng)扇進(jìn)行空氣流通，初步處理降低煙霧或CO濃度。

4.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.2.1 溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用的溫濕度傳感器因成本低、穩(wěn)定性強(qiáng)、易校準(zhǔn)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣大廠商的使用。對(duì)于周圍10米內(nèi)的溫濕度信息該傳感器可準(zhǔn)確采集，滿足大部分場(chǎng)合的需求。

4.2.2 CO濃度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

本次采用屬于定電位電解式的干式一氧化碳傳感器。該傳感器由于靈敏度高，性價(jià)比高、易于安裝。待測(cè)環(huán)境中CO濃度的線性變化會(huì)影響傳感器的導(dǎo)電率，根據(jù)導(dǎo)電率的數(shù)值變化曲線從而測(cè)出周圍空氣中的CO濃度值的變化。傳感器內(nèi)部采用8位模擬量轉(zhuǎn)換位為數(shù)字量器，通過(guò)引腳輸出相應(yīng)電壓值。

4.2.3 煙霧傳感器模塊設(shè)計(jì)

本次使用二氧化錫作為主要材料的煙霧傳感器。使用時(shí)傳感器內(nèi)部會(huì)進(jìn)行加熱，對(duì)空氣中的氧氣進(jìn)行電離，而有煙霧的存在則會(huì)影響電離的狀態(tài)，所以可由此來(lái)判斷待測(cè)環(huán)境中煙霧的含量。

4.2.4 火焰?zhèn)鞲衅髂K設(shè)計(jì)

火焰?zhèn)鞲衅髂K實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)是否存在明火，其工作原理是探頭探測(cè)前方發(fā)射的紅外光，在待測(cè)環(huán)境中如果有火焰存在，探頭探測(cè)到的紅外光強(qiáng)度將會(huì)急劇增加，傳感器通過(guò)內(nèi)部模擬量轉(zhuǎn)換位為數(shù)字量器，將紅外光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

4.2.5 換氣扇模塊設(shè)計(jì)

該模塊設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，是為后續(xù)接入家庭智能網(wǎng)關(guān)研發(fā)做鋪墊，目前該模塊的功能為當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到室內(nèi)并未發(fā)生火災(zāi)，而僅僅CO濃度或煙霧濃度超標(biāo)時(shí)，換氣扇自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)行通風(fēng)，先進(jìn)行預(yù)處理降低室內(nèi)有毒氣體和煙霧濃度。

4.2.6 聲光報(bào)警器模塊設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警模塊是由ARM主板上攜帶的LED燈和蜂鳴器構(gòu)成，該模塊在ARM處理完上游傳感器傳送回來(lái)的數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過(guò)綜合各種數(shù)據(jù)分析判斷之后，預(yù)測(cè)如果存在火災(zāi)隱患時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用蜂鳴器和LED燈工作，進(jìn)行聲光報(bào)警提醒主人注意。

4.2.7 GSM模塊設(shè)計(jì)

GSM模塊具信號(hào)強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)短信雙向收發(fā)、有性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)?；趯?duì)本設(shè)計(jì)的功耗、體積、開(kāi)發(fā)周期等考量，最終選擇了SIM800A GSM無(wú)線通信模塊。該模塊體積小巧、功耗低，符合本次設(shè)計(jì)的思路。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1 溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)信息采集

第一步ARM先向傳感器發(fā)送一個(gè)開(kāi)始信號(hào)，傳感器相應(yīng)會(huì)發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。第二步：ARM信號(hào)線拉高，開(kāi)始接收傳感器回傳的數(shù)據(jù)。第三步：正式接收回傳的傳感器數(shù)據(jù)，由于該傳感器采用的是單總線協(xié)議，數(shù)據(jù)中前16位是溫度信息，后16位是濕度信息，最后是校驗(yàn)信息。

5.2 CO濃度傳感器實(shí)現(xiàn)信息采集

首先設(shè)置CO濃度傳感器的IO口并開(kāi)啟相應(yīng)的時(shí)鐘，配置函數(shù)。先將8MHz時(shí)鐘通過(guò)函數(shù)ADC_Config_Cmd（Clock_168）倍頻到168MHz，再通過(guò)預(yù)分頻系數(shù)分頻為12MHz。通過(guò)頭文件定義的結(jié)構(gòu)體函數(shù)設(shè)置工作模式為獨(dú)立工作模式。設(shè)置為單通道模式、單次轉(zhuǎn)換、由軟件觸發(fā)、向右對(duì)齊，順序進(jìn)行規(guī)則轉(zhuǎn)換的通道數(shù)目為1。在主函數(shù)中間隔500ms查看CO濃度回傳的數(shù)據(jù)值。根據(jù)實(shí)際情況校正后，當(dāng)檢測(cè)的CO傳感器回傳值大于1200時(shí)為異常。

5.3 煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)信息采集

通過(guò)傳感器內(nèi)部的導(dǎo)電率強(qiáng)弱實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)煙霧濃度。在配置好IO口工作模式后，通過(guò)Get_Adc_Scan（ADC_Get_1，times）函數(shù)獲取煙霧傳感器的數(shù)值，開(kāi)始模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。通過(guò)while（ADC_GR_C_S_data（ADC））函數(shù)等待重置校準(zhǔn)寄存器的值，ADC_Get_Start_C_Data（ADC）函數(shù)系統(tǒng)完成自動(dòng)校準(zhǔn)。在主函數(shù)中間隔500ms查看煙霧傳感器回傳的數(shù)據(jù)值。根據(jù)實(shí)際情況校正后，當(dāng)檢測(cè)的煙霧傳感器回傳值大于2500時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行本地聲光報(bào)警。

5.4 火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)現(xiàn)信息采集

通過(guò)傳感器內(nèi)的電流的變化實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)火焰信息。火焰?zhèn)鞲衅鞑杉脑硪彩窍扰渲肐O口模式，配置相應(yīng)狀態(tài)，設(shè)置工作方式。在主程序調(diào)用傳輸函數(shù)，形參 times為濾波參數(shù)，函數(shù)體內(nèi)通過(guò)for循環(huán)將傳感器采樣的10次數(shù)據(jù)求和，再返回10次的平均值，這樣避免了由于傳感器本身的差異性或者環(huán)境的突變?cè)斐傻臄?shù)據(jù)誤差。在main（）主函數(shù)中間隔500ms查看火焰?zhèn)鞲衅骰貍鞯臄?shù)據(jù)值。根據(jù)實(shí)際情況校正后，當(dāng)檢測(cè)的CO傳感器回傳值小于500時(shí)，系統(tǒng)判定發(fā)生火災(zāi)，本地進(jìn)行聲光報(bào)警以及GSM短信報(bào)警等操作。

5.5 換氣扇控制和聲光報(bào)警器的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)對(duì)于換氣扇和聲光報(bào)警器的控制比較簡(jiǎn)單，目前是利用高低電平信號(hào)，通過(guò)通斷電的方式直接控制啟停動(dòng)作。

5.6 GSM實(shí)現(xiàn)發(fā)送短信

ARM控制器通過(guò)AT指令實(shí)現(xiàn)GSM800模塊的初始化和短信的收發(fā)。首先定義幾個(gè)字符串?dāng)?shù)組，存儲(chǔ)待發(fā)信息。當(dāng)系統(tǒng)在異常時(shí)做出決策，滿足發(fā)送條件后，系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的字符串?dāng)?shù)組短信向屋主報(bào)警。

6 結(jié)束語(yǔ)

本技術(shù)成果相比于現(xiàn)在市面上的室內(nèi)煙霧報(bào)警器等設(shè)備相比，擁有多種傳感器協(xié)作多方位感知，使數(shù)據(jù)更加豐富，判斷更加準(zhǔn)確，而且可以通過(guò)短信遠(yuǎn)程報(bào)警更加智能化。實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的情況下也可以知道出現(xiàn)了何種消防安全問(wèn)題。該產(chǎn)品適用于容易引發(fā)消防安全問(wèn)題的家庭、酒店等場(chǎng)所，超市、辦公樓等也可以使用。試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際一致。對(duì)于所用到的技術(shù)后續(xù)可以采用多節(jié)點(diǎn)ZigBee或者WiFi無(wú)線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使其更加方便智能。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】