一種單片機(jī)的智能居家火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)研究

徐淼鑫，王鑫

（1.佳木斯市消防救援支隊(duì)防火監(jiān)督科，黑龍江佳木斯，154004；2.中國(guó)人民銀行佳木斯市中心支行科技科，黑龍江佳木斯，154002）

0 引言

家用電器的使用為人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)很大便捷，但是由于家用電器的增多導(dǎo)致居家用電負(fù)荷有所增加，致使用電火災(zāi)發(fā)生的概率增大，一旦發(fā)生用電火災(zāi)會(huì)對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重破壞。目前，在建筑防火規(guī)范中已經(jīng)明確要求要配套火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)施，隨著電子技術(shù)的不算完善，居家火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)也逐漸得到優(yōu)化，本文設(shè)計(jì)了適合于智能居家火災(zāi)防護(hù)的報(bào)警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)火災(zāi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并報(bào)警。

1 需求分析

傳統(tǒng)單一簡(jiǎn)單的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代建筑的發(fā)展和使用需求，隨著智能家居的深入發(fā)展對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)提出了更高的要求，通過(guò)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)需能夠及時(shí)、快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的檢測(cè)、報(bào)警以及控制功能，快速發(fā)展完善的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及科學(xué)技術(shù)為智能家居火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展迅速，目前電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器、自動(dòng)控制技術(shù)等已經(jīng)應(yīng)用在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)中，多種智能火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已投入到實(shí)際應(yīng)用中。但現(xiàn)階段的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在智能性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確率方面仍存在不足，傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在對(duì)火災(zāi)發(fā)生狀況進(jìn)行判斷時(shí)大多基于單個(gè)傳感器和單個(gè)閥值完成，但在發(fā)生火災(zāi)時(shí)受到環(huán)境因素及火災(zāi)產(chǎn)生的各參數(shù)等的相互作用和影響，室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜程度較高，如果傳感器性能難以滿足對(duì)復(fù)雜環(huán)境的檢測(cè)需求，將會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)誤報(bào)、漏報(bào)等問(wèn)題，現(xiàn)代建筑的火災(zāi)發(fā)生情況僅使用基于閥值方式的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)已難以實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)過(guò)程。目前在控制領(lǐng)域高性能的單片機(jī)成為主流的控制方案，具備精度高、通用性好、工況穩(wěn)定性高、功耗低等優(yōu)勢(shì)的單片機(jī)可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)裝置在可靠性和準(zhǔn)確性等方面的不足。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上完成了一種基于單片機(jī)的智能家居火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便利，并顯著提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及報(bào)警精確度。

2 基于單片機(jī)的智能居家火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的智能居家火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由探測(cè)器、傳感器以及報(bào)警系統(tǒng)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，傳感器會(huì)對(duì)室內(nèi)的煙霧顆粒以及室內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換處理電路對(duì)采集到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)火災(zāi)控制器對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終得出是否發(fā)生火災(zāi)的結(jié)論。在火災(zāi)探測(cè)模塊中，控制中心選用STC15L2K32，將探測(cè)模塊所傳送的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得出報(bào)警信號(hào)并發(fā)送到用戶手機(jī)，用戶可以通過(guò)傳輸信息了解火災(zāi)方位，及時(shí)采取救治措施。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

2.2 單片機(jī)的應(yīng)用

單片機(jī)選用STC15 系列的STC15L2K32 來(lái)對(duì)探測(cè)模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，該單片機(jī)具有很高的可靠性及應(yīng)用性，處理速度較快而且功耗較低，由中央處理器、A/D 轉(zhuǎn)換器、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、2 個(gè)16 位可重裝載定時(shí)器、5 個(gè)外部中斷、I/O 口等組成，各串口功能及PWM 功能均可通過(guò)定時(shí)器完成。根據(jù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制模塊的實(shí)際需求，STC15L2K32 單片機(jī)通過(guò)可重載定時(shí)器可再實(shí)現(xiàn)3 個(gè)定時(shí)器或D/A 轉(zhuǎn)換器。

3 智能居家火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 控制模塊

本文所研究的居家火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以模塊化設(shè)計(jì)為主，經(jīng)過(guò)各模塊之間的相互通信來(lái)實(shí)現(xiàn)居家意外火災(zāi)的識(shí)別與檢測(cè)，控制模塊主要通過(guò)人機(jī)交互來(lái)產(chǎn)生報(bào)警功能，高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)報(bào)警控制。控制模塊的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要通過(guò)穩(wěn)定的電源作為基礎(chǔ)，本研究選用的電源電路可以提供不同的電源電壓，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)程序代碼、文件傳輸?shù)裙δ?。?jīng)過(guò)控制模塊可以顯示傳感器采集的探測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置參數(shù)信息，通過(guò)語(yǔ)音及短信兩種方式實(shí)現(xiàn)報(bào)警。在電源模塊中會(huì)使用3.3V、4.2V、5V、12V 等在內(nèi)的多種電源值，通過(guò)LM1117_3.3 電源電路將5v 電壓轉(zhuǎn)換為3.3V 電壓，確保各集成電路均能夠使用。通過(guò)MP2307 電源電路可以將12v 的直流通電轉(zhuǎn)換為5v 或4.2v，確保系統(tǒng)GSM 模塊串口及繼電器模塊使用。在鍵盤電路中，采用6 個(gè)行式鍵盤，將單片機(jī)I/O 口與按鍵相連，設(shè)置不同按鍵的具體功能，包括菜單兼確認(rèn)、上翻兼短信號(hào)碼設(shè)置、退出并返回上一級(jí)菜單、開(kāi)啟報(bào)警裝置、撤除報(bào)警裝置等。

3.2 探測(cè)模塊

探測(cè)模塊由電源模塊、傳感器、探測(cè)處理單元、調(diào)理電路組成，經(jīng)過(guò)探測(cè)器對(duì)煙霧、溫度、CO 濃度等模擬信號(hào)進(jìn)行采集，由相應(yīng)的調(diào)理電路完成后續(xù)的數(shù)據(jù)放大及轉(zhuǎn)換處理，最終經(jīng)過(guò)探測(cè)處理單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集統(tǒng)籌后向火災(zāi)報(bào)警控制傳送數(shù)據(jù)信息。

3.3 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

3.3.1 系統(tǒng)控制模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序流程如圖4 所示，先完成對(duì)系統(tǒng)相應(yīng)模塊（包括無(wú)線通信、GSM、LCD 液晶顯示等模塊）的初始化處理，然后進(jìn)入系統(tǒng)主界面的分機(jī)搜索狀態(tài)（顯示scaning client），一臺(tái)主機(jī)可連接分機(jī)的上限為15 個(gè)，由主機(jī)依次發(fā)射相關(guān)數(shù)據(jù)幀（地址為1～15，通過(guò)A7139 無(wú)線模塊完成）。發(fā)射完每一數(shù)據(jù)幀后如果能收到分機(jī)回復(fù)（需在規(guī)定時(shí)間內(nèi)）則證明存在該地址分機(jī)，這個(gè)地址會(huì)被程序記錄到分機(jī)列表中，搜索結(jié)果在搜索完成后實(shí)時(shí)顯示于屏幕上（find xx client addr...），然后系統(tǒng)程序?qū)Π⊿IM 卡、網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)結(jié)果等在內(nèi)的GSM 模塊狀態(tài)進(jìn)行查詢（Initing GSM_model...），提示GSMstatus ok/err（注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)成功/失?。酉聛?lái)進(jìn)入主界面顯示布/撤防狀態(tài)及在線分機(jī)數(shù)量，通過(guò)點(diǎn)擊BF 和CF 按鍵進(jìn)行布撤防，操作過(guò)程根據(jù)提示信息即可完成，在布防狀態(tài)下系統(tǒng)主機(jī)僅在傳感器數(shù)據(jù)值大于門限值時(shí)觸發(fā)報(bào)警。點(diǎn)擊菜單鍵進(jìn)入設(shè)置主菜單界面，上下移動(dòng)菜單選項(xiàng)點(diǎn)擊確認(rèn)進(jìn)入當(dāng)前選項(xiàng)，按EXIT 鍵返回或退出，在通電情況下通過(guò)分機(jī)搜索對(duì)在線分機(jī)進(jìn)行重新搜索，通過(guò)原始數(shù)據(jù)顯示實(shí)現(xiàn)對(duì)各前端模塊傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)直觀的查看，數(shù)據(jù)采用16 進(jìn)制（AD 轉(zhuǎn)換后的原始值）顯示模式，通過(guò)短信號(hào)碼設(shè)置按鈕設(shè)置短信接收號(hào)碼（保存于單片機(jī)EEPROM 中）。系統(tǒng)主機(jī)在待機(jī)狀態(tài)下每200ms 查詢一次分機(jī)列表中的各分機(jī)并完成各分機(jī)傳感器數(shù)據(jù)的讀取，系統(tǒng)報(bào)警的判斷條件為：分機(jī)各傳感器設(shè)置3 個(gè)數(shù)據(jù)閥值（高中低），以當(dāng)前傳感器檢測(cè)數(shù)值及系統(tǒng)預(yù)設(shè)判斷條件為依據(jù)完成當(dāng)前分機(jī)的火險(xiǎn)系數(shù)的計(jì)算，在該系數(shù)超過(guò)預(yù)定值且系統(tǒng)處于布防狀態(tài)的情況下會(huì)觸發(fā)報(bào)警，系統(tǒng)顯示屏?xí)?shí)時(shí)顯示報(bào)警的分機(jī)編號(hào)，通過(guò)繼電器動(dòng)作觸發(fā)揚(yáng)聲器發(fā)出X 防區(qū)報(bào)警語(yǔ)音提示，同時(shí)GSM 模塊會(huì)將報(bào)警短信發(fā)送到預(yù)設(shè)手機(jī)號(hào)碼中，按撤防鍵可取消報(bào)警。

3.3.2 探測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

探測(cè)模塊主程序流程如圖2 所示，單片機(jī)上電后探測(cè)模塊先配置端口資源，并根據(jù)地址跳線狀態(tài)讀取結(jié)果完成相應(yīng)地址信息的計(jì)算和確定，然后開(kāi)啟3 路AD 轉(zhuǎn)換通道，并在完成初始化處理無(wú)線模塊后進(jìn)入無(wú)線監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，接收到主機(jī)的有效查詢數(shù)據(jù)幀后（數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為8 個(gè)字節(jié)），對(duì)其中的地址同自己地址的一致性進(jìn)行判斷，一致則返回包括包括3 路傳感器當(dāng)前數(shù)值在內(nèi)的數(shù)據(jù)（按照相同數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)），數(shù)據(jù)幀格式為2 字節(jié)幀頭+1 字節(jié)分機(jī)地址+1 字節(jié)co 濃度數(shù)值+1 字節(jié)煙霧數(shù)值+1 字節(jié)溫度數(shù)值+2 字節(jié)幀尾，其中幀頭和幀尾固定為0XA8 0XC5 和0X8A 0X5C。

圖2 探測(cè)模塊主程序流程

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)存在準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性不高等問(wèn)題，針對(duì)該問(wèn)題本研究對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化，采用高集成度的單片機(jī)對(duì)探測(cè)模塊進(jìn)行控制，經(jīng)過(guò)溫度、煙霧傳感器等對(duì)火災(zāi)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行收集，通過(guò)無(wú)線通信模塊將收集到的信息發(fā)送到控制中心，提高火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的識(shí)別能力，完成對(duì)火災(zāi)發(fā)生情況的準(zhǔn)確判斷，通過(guò)報(bào)警系統(tǒng)將火災(zāi)損失降至最低。