基于多傳感器家居火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭澤琛

（惠州經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東惠州，516006）

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對家居的安全性方面提出了新的要求。家居火災(zāi)的事件時(shí)有發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成不可估量的損失，因此防火成了家居安防的重要組成部分。目前家居火災(zāi)探測主要是采用單一傳感器探測，可測氣體種類少、誤報(bào)率較高[1]。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，家居防火設(shè)備逐步升級。人們通過手機(jī)APP隨時(shí)隨地可以了解家庭火災(zāi)特征的各環(huán)境參數(shù)信息，在環(huán)境參數(shù)超標(biāo)時(shí)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場報(bào)警和遠(yuǎn)程提醒，同時(shí)采取一定的應(yīng)急措施，從而讓家居火災(zāi)在萌芽狀態(tài)或是早期階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，避免生命財(cái)產(chǎn)的損失。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

家庭火災(zāi)常伴隨著溫度、煙霧濃度、C0氣體濃度的升高。家居防火監(jiān)測系統(tǒng)通過探測相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行融合判斷，得出家庭是否有火災(zāi)的結(jié)論。該系統(tǒng)包括了上位機(jī)和下位機(jī)，上下位機(jī)信息交換通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)通過功能引腳獲取傳感器采集到的溫度、煙霧濃度、CO氣體濃度等與火災(zāi)發(fā)生的特征參數(shù)信息，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)參數(shù)超標(biāo)時(shí)，則進(jìn)行應(yīng)急處理，同時(shí)現(xiàn)場進(jìn)行聲音報(bào)警。WiFi模塊通過串口獲取到的下位機(jī)的環(huán)境參數(shù)，并上傳至云端，上位機(jī)通過手機(jī)APP對火災(zāi)的特征參數(shù)進(jìn)行顯示。當(dāng)參數(shù)超標(biāo)時(shí)，WiFi模塊會發(fā)送相關(guān)動作指令，使手機(jī)振動與微信公眾號信息推送進(jìn)行提醒。在無網(wǎng)絡(luò)或弱網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只會影響上位機(jī)的動作，下位機(jī)的聲音報(bào)警和應(yīng)急動作并不會受其影響，確保電路在離線狀態(tài)的時(shí)候能夠正常保持原有的保護(hù)措施。家居火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的硬件框圖

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

家居防火監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)下位機(jī)以8位STM8S單片機(jī)為核心，通過傳感器對家居環(huán)境的CO氣體、溫度、濕度、煙霧濃度進(jìn)行檢測，外接風(fēng)扇驅(qū)動電路和LED驅(qū)動電路，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的探測、現(xiàn)場報(bào)警和相關(guān)應(yīng)急措施。

■2.1 煙霧傳感器

家居火災(zāi)的發(fā)生通常會伴隨煙霧的產(chǎn)生。MQ-2煙霧傳感器對丙烷、煙霧等有良好的靈敏度，而且測量范圍寬，壽命長、低成本、驅(qū)動電路簡單[2]。本系統(tǒng)先用此型號傳感器進(jìn)行煙霧探測。測試傳感器時(shí)，加熱器電壓（VH）交直流電源均可，但測試電壓（VC）必須要用直流電源。當(dāng)檢測一定范圍內(nèi)的易燃、有毒氣體濃度超過閾值時(shí)，電路的蜂鳴器與風(fēng)扇將會工作，手機(jī)端也會收到震動與微信公眾號消息的推送提醒，直到濃度降低到閾值以下才會停止蜂鳴器與風(fēng)扇，有效避免氣體中毒和家居因煤氣或天然氣泄漏造成的火災(zāi)或中毒事件。

■2.2 一氧化碳傳感器

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，CO氣體濃度會升高，本系統(tǒng)選用MQ-7一氧化碳傳感器對該參數(shù)進(jìn)行探測。該傳感器會根據(jù)環(huán)境一氧化碳的濃度改變電導(dǎo)率，通過外接電路實(shí)現(xiàn)CO氣體的探測[4]。該傳感器的測試電路注意事項(xiàng)與MQ-2相同。

■2.3 溫濕度傳感器模塊

火災(zāi)發(fā)生的另一個(gè)重要特征參數(shù)是溫度的升高，濕度的降低。環(huán)境溫濕度的檢測選用的是數(shù)字化采集的DHT11傳感器[3]。這是一款溫度與濕度兼?zhèn)錅y量的復(fù)合傳感器，其溫濕度的精度和量程范圍非常適合家居環(huán)境的檢測，且干擾性強(qiáng)，外圍電路簡單，單片機(jī)通過單總線就可與DHT11通訊，讀取其溫濕度的數(shù)據(jù)，但需注意的是兩次測量的間隔最好大于10s。

■2.4 風(fēng)扇和報(bào)警驅(qū)動電路模塊

該模塊主要從成本角度出發(fā)，選用三極管驅(qū)動蜂鳴器與風(fēng)扇。當(dāng)可燃性氣體濃度或環(huán)境溫度超過閾值時(shí)，蜂鳴器就會發(fā)聲進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)啟動風(fēng)扇，進(jìn)行排風(fēng)工作。

■2.5 下位機(jī)主控制器

下位機(jī)的主控制器選用ST公司的8位單片機(jī)STM8S 103F3P6，具有16路GPIO，其中3路可作為PWM輸出，5路可以可用于ADC模擬輸入，性價(jià)比高。該單片機(jī)提供四種不同的低功耗模式，有效保證產(chǎn)品的低功耗的性能。

■2.6 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

多傳感器家居火災(zāi)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)根據(jù)傳感器對采集煙霧傳感器和溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)煙霧傳感器值超過閾值時(shí)，將會啟動排風(fēng)扇，同時(shí)進(jìn)行聲報(bào)警，同時(shí)會發(fā)送指令到WiFi模塊，用于進(jìn)行上位機(jī)提醒動作。程序流程如圖2所示。

圖2 下位機(jī)主程序流程圖

3 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

多傳感器家居火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可通過手機(jī)端實(shí)時(shí)查看家居的溫度、濕度、煙霧濃度、CO氣體濃度，風(fēng)扇運(yùn)行次數(shù)，以及溫度、濕度、煙霧濃度的歷史數(shù)據(jù)曲線，可顯示1小時(shí)/24小時(shí)/7天的信息變化。當(dāng)家居環(huán)境異常時(shí)通過手機(jī)振動與微信公眾號消息推送進(jìn)行提醒；且手機(jī)端APP也可控制家居LED燈狀態(tài)。該APP使用點(diǎn)燈科技的物聯(lián)平臺開發(fā)，該開發(fā)平臺提供企業(yè)版、專業(yè)版和免費(fèi)版三種技術(shù)支持，本系統(tǒng)選用免費(fèi)版本，該版本支持多種設(shè)備接入方式，提供一定的云存儲空間、微信通知等強(qiáng)大的功能接口。家居防火監(jiān)控系統(tǒng)手機(jī)端APP界面如圖3所示，微信公眾號消息推送提醒圖4所示。

4 上下位機(jī)的通信

上下位機(jī)的信息交換采用WiFi無線通信模式，這是一款由樂鑫公司推出的ESP8266 WiFi芯片[5]，它支持SPI、I2C、UART等通信方式，與單片機(jī)電路連接簡單。ESP8266模塊使用了Blinker物聯(lián)網(wǎng)接入方案，該方案提供手機(jī)APP端、設(shè)備端、服務(wù)端的支持，提供物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)所需的API接口。

圖3 家居防火監(jiān)控系統(tǒng)APP界面

圖4 微信公眾號消息提醒

上下位機(jī)通道建立后，服務(wù)器會馬上發(fā)送第一次心跳包確認(rèn)，之后每30s發(fā)送一次，確認(rèn)下位機(jī)設(shè)備在線的情況，60s一次的數(shù)據(jù)上傳更新，其時(shí)間間隔在合理的范圍中，可以滿足基本需求，ESP8266會以30s的周期向STM8S獲取當(dāng)前環(huán)境參數(shù)。通信程序流程圖如圖5所示。

圖5 WIFI通信程序流程圖

5 小結(jié)

本系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)了家居火災(zāi)特征參數(shù)的數(shù)字化監(jiān)測，主控制器對多個(gè)傳感器檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合判斷家居是否有火情，當(dāng)環(huán)境異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。經(jīng)測試，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程采集家居環(huán)境溫度、濕度、煙霧濃度和CO氣體濃度，手機(jī)端APP實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性高。當(dāng)超過閾值時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)地的聲音報(bào)警和應(yīng)用端的手機(jī)振動與微信公眾號消息推送提醒，并智能起動排風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)了對家庭環(huán)境的監(jiān)控與現(xiàn)場和遠(yuǎn)程的報(bào)警提醒。