基于STM32單片機(jī)和RPi的智慧消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

金曉煜 陳偉利

(吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春130118)

1 概述

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大、建筑物越造越高、公共娛樂場(chǎng)所不斷增加。新的火災(zāi)隱患也在城市發(fā)展中悄然的增多，給消防工作帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。消除火災(zāi)隱患、強(qiáng)化火災(zāi)監(jiān)督顯得尤為重要，而現(xiàn)役的警力和舊的消防監(jiān)督設(shè)備，不足以應(yīng)對(duì)日益增多的消防隱患，使得各方面的矛盾日益突出。在2013年，由沈陽(yáng)消防研究所會(huì)同有關(guān)單位對(duì)原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50116-98進(jìn)行了全面修訂。在原先的基礎(chǔ)上發(fā)布《火災(zāi)自報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50116-2013修訂版。新規(guī)范的推出給舊版的火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)帶來(lái)了強(qiáng)烈的沖擊，為滿足新的要求，市場(chǎng)上短時(shí)間內(nèi)增加了大量防火門監(jiān)控系統(tǒng)、消防電源監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)等消防產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品基本上都是以“打補(bǔ)丁”的方式填補(bǔ)了市場(chǎng)空白，與舊版的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)還不能做到信息互通、協(xié)調(diào)運(yùn)行，反而給整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行管理帶來(lái)新的困擾。為了消除舊消防系統(tǒng)中增多的隱患，解決各方面的問(wèn)題和矛盾，所以打破舊版火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的架構(gòu)，推出新型系統(tǒng)架構(gòu)，才能從根源上增強(qiáng)火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。為了將智能消防檢測(cè)系統(tǒng)與消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)整合，消防檢測(cè)系統(tǒng)將與消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)做到直接信息交互，消除中控端的參與，這種新型架構(gòu)減少了信息交互的中間環(huán)節(jié)，以最大程度上的減少中間環(huán)節(jié)出錯(cuò)的概率，本文提出一種基于單片機(jī)技術(shù)的智慧消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

2 硬件總體設(shè)計(jì)

按照控制分級(jí)劃分為三個(gè)層面，綜合顯示層、子控制層和終端感知、執(zhí)行層。

（1）綜合顯示層：ARMCORTEX A9服務(wù)器和綜合顯示屏。

（2）子控制層：基于樹莓派[1]微型處理系統(tǒng)，處理下層終端節(jié)點(diǎn)上傳的消防信息或控制下層消防節(jié)點(diǎn)的消防聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。以最快的處理消防信號(hào)并且根據(jù)上傳信息分析火情，最后以最有效的消防處理方案控制消防聯(lián)動(dòng)節(jié)點(diǎn)控制火情。

（3）終端感知、執(zhí)行層：利用STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)的終端節(jié)點(diǎn)，用于感知消防信號(hào)或控制消防通風(fēng)電機(jī)通風(fēng)、消防水泵運(yùn)行和防火卷簾門運(yùn)作等。

感知、執(zhí)行層將自身的信息發(fā)送給子控制層，子控制層中的每個(gè)子控制器通過(guò)CAN總線互相傳輸自己下面的感知執(zhí)行器信息。同時(shí)每個(gè)子控制器又將自身感知執(zhí)行器的信息發(fā)送給綜合顯示層。硬件系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.1 綜合顯示層硬件設(shè)計(jì)。綜合顯示層選用ARM CORTEX A9服務(wù)器，因?yàn)槭褂靡蕴W(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，所以選用UTP雙絞線網(wǎng)線連接下位機(jī)樹莓派；顯示器選擇使用平板，通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)我們運(yùn)行在云端服務(wù)器的網(wǎng)頁(yè)，實(shí)現(xiàn)消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

2.2 子控制層硬件設(shè)計(jì)。子控制層使用樹莓派微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其搭載的Linux系統(tǒng)可以運(yùn)行BOA服務(wù)器，可以通過(guò)CGI程序?qū)eb瀏覽器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)雙向通信，網(wǎng)頁(yè)Web瀏覽器上實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)與控制功能。

由于與下方消防節(jié)點(diǎn)選擇CAN總線通信方式，所以樹莓派需要安裝CAN的硬件驅(qū)動(dòng)。硬件設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 CAN總線硬件設(shè)計(jì)圖

2.3 終端感知、執(zhí)行層。消防節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的主控芯片均采用STM32F103C8T6[2]。硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 主控STM32硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)圖

穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)AMS1117芯片，AMS1117是一系列的低壓差線性穩(wěn)壓器，可以提供最高1A的輸出電流。本設(shè)計(jì)共使用兩款A(yù)MS1117系列芯片，為3.3 V和5V。3.3 V用于STM32和溫度傳感器DS18B20的供電。5V用于步進(jìn)電機(jī)、繼電器和煙感MQ-135的供電。

硬件驅(qū)動(dòng)電路如圖4。

圖4 穩(wěn)壓電源硬件設(shè)計(jì)圖

感知層：(1)溫度感應(yīng)模塊:溫度傳感器采用DS18B20單總線數(shù)字溫度計(jì)。(2)煙霧感應(yīng)模塊:煙霧傳感器采用MQ-135氣體傳感器。(3)手動(dòng)報(bào)警按鈕:手動(dòng)報(bào)警按鈕用一個(gè)大按鍵進(jìn)行模擬，采集開關(guān)信號(hào)。

執(zhí)行層：(1)防火門子系統(tǒng):采用28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行模擬，硬件電路驅(qū)動(dòng)如圖5。(2)消防排煙子系統(tǒng):執(zhí)行器是通過(guò)繼電器控制的風(fēng)扇。(3)消防噴淋子系統(tǒng):執(zhí)行器是通過(guò)繼電器控制的水泵。

圖5 步進(jìn)電機(jī)硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)圖

3 消防節(jié)點(diǎn)的工作原理

節(jié)點(diǎn)控制器采用STM32F103芯片，通過(guò)對(duì)各個(gè)子節(jié)點(diǎn)模塊的更換，可能讓子節(jié)點(diǎn)控制器能夠適用于各個(gè)傳感器模塊，比如溫度報(bào)警控制器，新風(fēng)系統(tǒng)控制器等。當(dāng)系統(tǒng)上電后，STM32先對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘，各個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行初始化，然后循環(huán)讀取傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后確定目標(biāo)ID，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，最后通過(guò)CAN總線發(fā)送出去。其工作流程如圖6所示。

圖6 消防節(jié)點(diǎn)工作流程圖

4 模擬火災(zāi)情況實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證感知、執(zhí)行層消防系統(tǒng)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)的情況，對(duì)于不同的火災(zāi)發(fā)生情況進(jìn)行模擬了。

消防系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)不僅可以做到自動(dòng)感知并且自主做出應(yīng)答而且也完成了自動(dòng)檢測(cè)模塊故障的功能，這樣不僅解決了主機(jī)高負(fù)荷問(wèn)題也極大的節(jié)省了人為維護(hù)成本。

5 結(jié)論

本文使用了一種新的子控制器獨(dú)立分類架構(gòu)，提升了消防控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，制作了一整套較為完善的智慧消防控制系統(tǒng)的電子硬件。此套系統(tǒng)能夠完成一定火災(zāi)場(chǎng)景下的火災(zāi)報(bào)警和自動(dòng)滅火執(zhí)行器件的啟動(dòng)動(dòng)作，實(shí)時(shí)的顯示。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆谠贫司帉懙乃惴ㄜ浖?nèi)，進(jìn)行運(yùn)行處理后反饋給火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的人員的移動(dòng)客戶端，輔助遭受火災(zāi)人員的逃生工作。既解決了傳統(tǒng)消防系統(tǒng)內(nèi)的諸多問(wèn)題又填補(bǔ)了消防設(shè)備市場(chǎng)空白，極大的提升了消防系統(tǒng)的安全性、靈活性、便于維護(hù)的性能，使消防系統(tǒng)更加智慧。

今后本研究的方向?qū)?huì)朝著消防物聯(lián)網(wǎng)的方向進(jìn)行發(fā)展，并且當(dāng)5G發(fā)展到普及的時(shí)候，感應(yīng)器件的類別和數(shù)量的增多，我們未來(lái)的消防控制系統(tǒng)將會(huì)變得更加的完善和全面，不再僅僅限制于現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)的報(bào)警與執(zhí)行，在更多的數(shù)據(jù)采集和分析之后，消防火災(zāi)的預(yù)測(cè)將會(huì)得到發(fā)展，能夠?qū)⒒馂?zāi)滅絕于火災(zāi)萌芽之時(shí)，這將能夠在火災(zāi)發(fā)生之前將其解決，挽回大量的損失。