基于STM32開發(fā)平臺(tái)的燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

摘? 要：文章提出了一種燃?xì)夂蜔熿F的檢測(cè)、報(bào)警及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：第一部分，以STM32開發(fā)平臺(tái)為核心控制單元，控制氣敏傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器等，對(duì)室內(nèi)的燃?xì)夂蜔熿F濃度進(jìn)行檢測(cè);第二部分，進(jìn)一步建立網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及通信模塊，及時(shí)向用戶反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)情況，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制相關(guān)設(shè)備，如電磁閥、滅火、除煙等及時(shí)控制住現(xiàn)場(chǎng)情況，文章就以上兩部分提出了設(shè)計(jì)思想。

關(guān)鍵詞：STM32開發(fā)平臺(tái);物聯(lián)網(wǎng);傳感器;燃?xì)鈭?bào)警

中圖分類號(hào)：TU855;TP274? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）17-0175-03

Abstract：This paper presents a design method of gas and smoke detection，alarm and control system. The system is mainly divided into two parts：the first part，with STM32 development platform as the core control unit，controls the gas sensor，temperature sensor，smoke sensor，etc. To detect the indoor gas and smoke concentration;the second part，the network monitoring and communication module is established on the open source system，which can timely report the site situation to users，and users can connect with each other network control related equipment，such as solenoid valve，fire fighting，smoke removal and other equipment，timely control the site situation. This paper puts forward the design ideas of the above two parts.

Keywords：STM32 development platform;internet of things;sensor;gas alarm

0? 引? 言

近些年，人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，與之相關(guān)的行業(yè)也隨之快速進(jìn)步。在新形勢(shì)下，智能家居行業(yè)會(huì)越來越壯大，隨著人類生活水平的不斷改善，天然氣等易燃易爆氣體的使用量也逐年增加，因此隨之產(chǎn)生的安全隱患是目前亟須解決的問題，例如燃?xì)庑孤┮l(fā)的煤氣中毒、火災(zāi)等事故。本文在傳統(tǒng)報(bào)警器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)并與新技術(shù)進(jìn)行融合，在加強(qiáng)其安全性能的同時(shí)，設(shè)計(jì)了云端數(shù)據(jù)庫(kù)，供燃?xì)庥脩艉腿細(xì)夤┙o公司分析管理，將有利于智能家居行業(yè)的擴(kuò)充，在很大程度上促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和能源行業(yè)的數(shù)據(jù)與技術(shù)融合，可以有效地減少燃?xì)馐褂檬鹿?，提高燃?xì)馐褂每煽啃?，?shí)時(shí)控制各種容易造成二次危害的設(shè)備，保障人員及財(cái)產(chǎn)的安全，具有廣泛的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的燃?xì)鈭?bào)警器是基于核心原件氣敏傳感器來探測(cè)燃?xì)鉂舛鹊?，?dāng)它檢測(cè)空氣中的燃?xì)鉂舛瘸^設(shè)定的安全值就會(huì)觸發(fā)報(bào)警，但是如果用戶不能及時(shí)關(guān)閉燃?xì)忾y，就容易導(dǎo)致災(zāi)難發(fā)生。為了解決以上問題，本文研究了一種新型燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能夠?qū)崿F(xiàn)報(bào)警效果，又能夠遠(yuǎn)程控制相關(guān)設(shè)備對(duì)事故進(jìn)行制止，系統(tǒng)不僅包括煙霧、燃?xì)鈭?bào)警裝置，還包括遠(yuǎn)程控制裝置，能夠達(dá)到及時(shí)控制火情，及時(shí)關(guān)閉危險(xiǎn)設(shè)備的目的。

本文的研究目的在于采用STM32開發(fā)平臺(tái)以及相關(guān)傳感器，提出一種既能敏銳感應(yīng)燃?xì)庑孤┻M(jìn)行報(bào)警，能夠通過移動(dòng)端遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，又能夠遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)情況，并將事故數(shù)據(jù)上傳至云端進(jìn)行分析的新型燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。由于本系統(tǒng)涉及的傳感器較多、占用端口較多，因此采用大容量的STM32開發(fā)平臺(tái)作為核心控制單元，同時(shí)外接驅(qū)動(dòng)板提高驅(qū)動(dòng)電壓。本人長(zhǎng)期研究智能電子產(chǎn)品的開發(fā)、半導(dǎo)體傳感器開發(fā)等，能夠用STM32開發(fā)平臺(tái)控制傳感器、攝像頭、電磁閥等外部設(shè)備，開發(fā)各種智能電子產(chǎn)品。燃?xì)鈭?bào)警器是一種常見的電子系統(tǒng)，但是在此基礎(chǔ)上能夠進(jìn)一步遠(yuǎn)程控制攝像頭、電磁閥、滅火裝置等外部設(shè)備的電子系統(tǒng)尚未出現(xiàn)，本文使用STM32開發(fā)平臺(tái)充分開發(fā)以上外部設(shè)備，提出了一種新型燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并提出了該系統(tǒng)工作流程。

1? 理論基礎(chǔ)

1.1? 通信模塊

以Wi-Fi模塊、SIM卡模塊等為基礎(chǔ)，將其搭載到STM32開發(fā)平臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)通信的目的。模塊通過I2C、USART、UART等方式連接到STM32開發(fā)平臺(tái)接口上，并搭載相應(yīng)的控制程序。通過網(wǎng)絡(luò)模塊可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)互聯(lián)、物物互聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、預(yù)防和控制的目的。

1.2? 智能控制

智能控制可以通過STM32開發(fā)平臺(tái)和相關(guān)傳感器實(shí)現(xiàn)，達(dá)到不用人為操作就可以智能地對(duì)附屬設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的目的，實(shí)際上是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)用計(jì)算機(jī)模仿人類控制行為的一種有效手段。智能控制的核心在于頂層STM32開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，相關(guān)控制程序、計(jì)算解碼程序、系統(tǒng)實(shí)施程序等都以編碼的形式存儲(chǔ)于STM32開發(fā)平臺(tái)之中，該過程需要用到程序設(shè)計(jì)、嵌入式開發(fā)、深度學(xué)習(xí)等重要技術(shù)手段，達(dá)到系統(tǒng)控制智能化的目的。

在本設(shè)計(jì)中，智能控制主要用于操作電磁閥、通信模塊、通風(fēng)裝置、滅火裝置等，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行控制，阻止事故的進(jìn)一步發(fā)生。同時(shí)，在燃?xì)馐鹿侍幚硗戤吅?，可以通過通信模塊將系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳至云端將事故產(chǎn)生的原因、應(yīng)對(duì)方法等通過深度學(xué)習(xí)進(jìn)行整理，并及時(shí)提醒用戶燃?xì)馐褂玫淖⒁馐马?xiàng)，以及如何應(yīng)對(duì)燃?xì)庑孤┑脑俅伟l(fā)生等。

1.3? 硬件設(shè)備

本系統(tǒng)用到了氣敏傳感器、攝像頭、圖像傳感器、電磁閥等硬件設(shè)備，可以輔助系統(tǒng)及時(shí)準(zhǔn)確地完成燃?xì)獾臋z測(cè)和控制，如圖1所示。氣敏傳感器主要利用半導(dǎo)體材料二氧化錫等多孔結(jié)構(gòu)，以及吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)進(jìn)行工作。當(dāng)半導(dǎo)體壓電材料表面由于吸附作用產(chǎn)生了一層相關(guān)氣體薄膜時(shí)，其表面電阻會(huì)隨之發(fā)生變化，進(jìn)而引起表面電荷量的改變，并且電荷量的值會(huì)隨著被檢測(cè)氣體濃度的改變而發(fā)生變化，因此通過監(jiān)測(cè)材料表面的電導(dǎo)率或者電荷量就可以達(dá)到氣體濃度測(cè)試的目的，當(dāng)達(dá)到檢測(cè)閾值時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警器報(bào)警。

攝像頭是燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的前端設(shè)備，包括固定鏡頭調(diào)節(jié)型、自動(dòng)鏡頭調(diào)節(jié)型、自動(dòng)改變聚焦型、自動(dòng)倍數(shù)調(diào)節(jié)型等幾種類型，在傳感器系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。圖像傳感器包括CCD和CMOS兩種類型，其中CCD為電荷耦合器件，由PN結(jié)組成;CMOS為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，由半導(dǎo)體硅材料經(jīng)過復(fù)雜的半導(dǎo)體制備工藝制備而成，對(duì)電荷的變化極其敏感，因此可用于信號(hào)處理和成像。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，將圖像、聲音等信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，方便信號(hào)的傳輸，在基于STM32開發(fā)平臺(tái)的控制系統(tǒng)中有著關(guān)鍵的作用。

電磁閥是一種通過電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)閥門開合的重要器件，在通電條件下電磁鐵有很強(qiáng)的磁性，可以牢牢吸引住銜鐵，使閥門處于打開狀態(tài)。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，用戶通過移動(dòng)端連接通信模塊，控制STM32開發(fā)平臺(tái)相關(guān)引腳使電磁閥斷電，在銜鐵彈簧的作用下可以使電磁閥關(guān)閉，控制住燃?xì)膺M(jìn)一步泄漏。

2? 設(shè)計(jì)方法

圖2是基于STM32開發(fā)平臺(tái)的新型燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，主要包括STM32開發(fā)平臺(tái)、攝像頭、氣敏傳感器、通信模塊、滅火裝置、電磁閥和云端等部件。

氣敏傳感器用于采集燃?xì)夂蜔熿F等信息，如果達(dá)到報(bào)警閾值，會(huì)觸發(fā)報(bào)警器，報(bào)警信息會(huì)通過通信模塊傳到用戶移動(dòng)端上。此時(shí)，需要通過攝像頭觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，確定是否實(shí)際發(fā)生燃?xì)馐鹿?，用以排除?bào)警器誤報(bào)的情況。當(dāng)確定實(shí)際發(fā)生燃?xì)馐鹿蕰r(shí)，需要通過用戶移動(dòng)端應(yīng)用，控制STM32開發(fā)平臺(tái)觸發(fā)燃?xì)怆姶砰y關(guān)閉、通風(fēng)裝置打開、滅火裝置打開等操作，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行控制，阻止事故的進(jìn)一步發(fā)生。燃?xì)馐鹿侍幚硗戤吅?，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云端，將事故產(chǎn)生的原因、應(yīng)對(duì)方法等進(jìn)行整理，并及時(shí)提醒用戶燃?xì)馐褂玫淖⒁馐马?xiàng)，以及如何應(yīng)對(duì)燃?xì)庑孤┑陌l(fā)生。本設(shè)計(jì)通過STM32開發(fā)平臺(tái)，可以采用庫(kù)函數(shù)、寄存器等開發(fā)方式，同時(shí)控制多個(gè)傳感器和端口對(duì)以上設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。由于STM32開發(fā)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電壓并不高，因此在控制滅火裝置時(shí)需采用驅(qū)動(dòng)板來提高驅(qū)動(dòng)電壓，其他端口的驅(qū)動(dòng)均可通過STM32開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。STM32開發(fā)平臺(tái)有很多系列和型號(hào)，本設(shè)計(jì)采用大容量的STM32開發(fā)平臺(tái)為核心控制單元，控制時(shí)需要使用大量的外設(shè)頭文件，攝像頭使用的外設(shè)頭文件為：

#include "led.h"

#include "delay.h"

#include "key.h"

#include "sys.h"

#include "lcd.h"

#include "usart.h"

#include "string.h"

#include "ov7725.h"

#include "ov7670.h"

#include "tpad.h"

#include "timer.h"

#include "exti.h"

#include "usmart.h"

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，可得到本設(shè)計(jì)的流程圖，如圖3所示。新型燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)在正常情況下處于休眠狀態(tài)，傳感器處于初始化狀態(tài)。當(dāng)氣敏傳感器感應(yīng)到燃?xì)庑孤r(shí)，產(chǎn)生的電信號(hào)將作為中斷源喚醒STM32開發(fā)平臺(tái)。當(dāng)判定無(wú)燃?xì)庑孤r(shí)，傳感器需重新進(jìn)入判定，當(dāng)判定確有燃?xì)庑孤r(shí)，將觸發(fā)報(bào)警器報(bào)警，并且電磁閥關(guān)閉，切斷氣源。

此時(shí)燃?xì)庑孤╇m然已經(jīng)被切斷，但是不能保證是否發(fā)生火災(zāi)，因此需要繼續(xù)執(zhí)行下面的程序。初始化攝像頭后，可以通過移動(dòng)端遠(yuǎn)程連接攝像頭觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，若觀察無(wú)火災(zāi)產(chǎn)生，需通過移動(dòng)端再次發(fā)出中斷信號(hào)，觸發(fā)電磁閥關(guān)閉，再次保證天然氣閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。若用戶通過移動(dòng)端觀察有明火產(chǎn)生，需要繼續(xù)執(zhí)行程序，通過移動(dòng)端開啟滅火裝置，為了保證滅火裝置確實(shí)觸發(fā)，此時(shí)需要進(jìn)行判定。事故處理完畢后，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)整理上傳至云服務(wù)器中，并將燃?xì)庑孤┊a(chǎn)生的原因進(jìn)行整理，防止再次產(chǎn)生同樣的事故。

3? 結(jié)? 論

本文以STM32開發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ)，研究了一種能夠監(jiān)測(cè)和控制的燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并提出了設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的氣體和煙霧情況，并通過互聯(lián)網(wǎng)將信息傳輸?shù)揭苿?dòng)端，方便用戶及時(shí)掌握室內(nèi)燃?xì)夂蜔熿F情況并及時(shí)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)采用大容量的STM32開發(fā)平臺(tái)為核心控制單元。該系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程控制滅火裝置、電磁閥等設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行控制，保障燃?xì)馐褂冒踩?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM 32F103開發(fā)與應(yīng)用 [J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，31（12）：59-63.

[2] 張旭，亓學(xué)廣，李世光，等.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].電子測(cè)量技術(shù)，2010，33（11）：90-93.

[3] 鐘智杰，楊昊旋，崔鵬，等.基于STM32的智能四輪全向移動(dòng)可重構(gòu)避障機(jī)器人 [J].傳感器與微系統(tǒng)，2020，39（9）：112-115+118.

作者簡(jiǎn)介：陳永佳（1991.03—），男，漢族，陜西西安人，助教，碩士，主要研究方向：半導(dǎo)體電子器件及微控制器技術(shù)與應(yīng)用。