基于多路傳感器采集的火災(zāi)監(jiān)控及智能報警系統(tǒng)的研究

楊騏榕 周 亞 王子豪 石樹正

(1.廊坊市消防救援支隊，河北 廊坊 065000；2.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000；3.河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

0 前 言

火災(zāi)的發(fā)生會嚴(yán)重威脅到人類的生命和財產(chǎn)安全，火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)在整個消防系統(tǒng)中占有十分重要的作用[1-5].目前，大部分的研究學(xué)者采用單一類型的傳感器數(shù)據(jù)作為判斷火災(zāi)發(fā)生的參數(shù)，然而，火災(zāi)具有隨機性和復(fù)雜性，當(dāng)有干擾信號出現(xiàn)時會對傳感器信號帶來極大的影響，產(chǎn)生的誤報現(xiàn)象會給人們帶來恐慌，產(chǎn)生的漏報現(xiàn)象會錯過最佳滅火時間.因此，利用多種類型傳感器(溫濕度、煙霧濃度、CO濃度等)進行火災(zāi)環(huán)境信息采集，對于實現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)測和火災(zāi)報警具有極大的意義，能夠更加精準(zhǔn)、全面、科學(xué)的對火災(zāi)的發(fā)生進行預(yù)警，給社會和人民生活安全帶來了重要保障[6-8].

1 火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

圖1 火災(zāi)監(jiān)控及智能報警系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)主要包含單片機主控制模塊、傳感器檢測模塊(溫濕度傳感器、CO濃度傳感器、煙霧濃度傳感器)、電源管理模塊、無線傳輸模塊、智能報警模塊和移動端軟件模塊等.在監(jiān)控區(qū)域的不同位置放置傳感器用于檢測所處環(huán)境信息，并通過單片機采集將傳感器數(shù)據(jù)與設(shè)置的閾值比較，若在閾值的允許范圍內(nèi)則繼續(xù)等待檢測下一組數(shù)據(jù)；但是，當(dāng)有傳感器數(shù)據(jù)超過設(shè)置閾值，單片機會利用無線模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給后端服務(wù)器進行存儲，通過移動端將檢測的數(shù)據(jù)以圖表的形式進行展示，同時本系統(tǒng)利用融合計算分析來確定火災(zāi)情況并進行應(yīng)急報警，火災(zāi)監(jiān)控及智能報警系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 單片機主控電路模塊

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)的主控制芯片采用的是STM32F103，該芯片具有功耗小、精度高和成本低廉等優(yōu)點，其工作頻率為72MHz，供電電壓為3.3V，在進行傳感器信號采集時需要電源模塊進行5V-3.3V的電壓轉(zhuǎn)換.在進行傳感器采集時，溫濕度傳感器采用的型號是DHT11,其為數(shù)字傳感器，可以通過IO口直接讀取溫濕度值，在本設(shè)計中CO傳感器和煙霧傳感器為模擬傳感器，需要將它們進行信號調(diào)理后通過A/D轉(zhuǎn)換來進行數(shù)據(jù)采集，并通過UART口與ESP8266無線模塊進行連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動端，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

2.2 傳感器檢測模塊

2.2.1 溫濕度檢測模塊

圖3 單片機與傳感器硬件連接圖

本設(shè)計的溫濕度傳感器采用的是DHT11傳感器，該溫濕度傳感器通過單總線與STM32F103單片機進行連接，即將DHT11的引腳與單片機的IO口連接即可，單片機與傳感器硬件連接圖如圖3所示.

利用STM32F103單片機采集DHT11傳感器信息數(shù)據(jù)的通訊時序為：將STM32F103單片機的IO口設(shè)置為輸出狀態(tài)，并將單總線拉低為低電平發(fā)出開始采集信號，之后將總線拉高等待傳感器響應(yīng)，DHT11傳感器處于正常工作狀態(tài)下會將總線拉低并發(fā)送響應(yīng)信號，等待80μs后將總線拉高并通知STM32F103準(zhǔn)備接收40位的數(shù)據(jù)，DHT11傳感器與單片機的通信時序圖如圖4所示.

圖4 DHT11傳感器與單片機的通信時序圖

2.2.2 煙霧濃度檢測模塊

圖5 MQ-5傳感器煙霧檢測電路圖

本系統(tǒng)的煙霧傳感器采用的是MQ-5傳感器，具有成本低、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于煙霧濃度的檢測中，其核心材料為二氧化錫，當(dāng)空氣中存在易燃氣體時會引起電導(dǎo)率的升高，煙霧濃度監(jiān)測范圍是300～10000ppm.MQ-5傳感器輸出信號為模擬量的電壓值(0-5V)，輸出的電壓數(shù)據(jù)會隨著煙霧濃度的升高而變大，MQ-5傳感器的加熱和測量電路都通過5V電源進行供電，MQ-5傳感器煙霧檢測電路如圖5所示.

2.2.3 CO傳感器檢測模塊

在火災(zāi)發(fā)生的開始階段會出現(xiàn)燃燒物燃燒不完全而產(chǎn)生CO氣體，本系統(tǒng)采集ME3-CO傳感器對CO濃度進行檢測.由于ME3-CO傳感器的輸出電信號微弱，需要通過放大電路進行調(diào)理，CO傳感器的信號調(diào)理電路圖如圖6所示.由于MES-CO產(chǎn)生的是電流信號，通過R2電阻實現(xiàn)電流-電壓的轉(zhuǎn)換，同時通過電容C2對噪聲信號進行濾波，降低對采集信號的干擾.

圖6 CO傳感器的信號調(diào)理電路圖

2.3 無線傳輸模塊

本系統(tǒng)通過ESP8266無線模塊進行數(shù)據(jù)的傳輸，該模塊具有32位微處理器，支持IEEE802.11協(xié)議和TCP/IP協(xié)議.該模塊可以作為終端與路由器相連接，和移動設(shè)備一起加入同一網(wǎng)絡(luò)段的局域網(wǎng).ESP8266模塊具有三種工作模式：STA模式，將ESP8266作為硬件終端獲取路由器分配的IP地址，連接到網(wǎng)絡(luò)中；AP模式，ESP8266作為被移動設(shè)備訪問的一端，實現(xiàn)在局域網(wǎng)內(nèi)與手機或電腦設(shè)備的連接通信；STA+AP模式，是將上述兩種模式協(xié)同結(jié)合，即能夠通過路由器聯(lián)網(wǎng)，又允許在局域網(wǎng)內(nèi)接入其它設(shè)備.本系統(tǒng)采用是的ESP8266無線模塊的STA+AP模式，電路原理圖如圖7所示.

圖7 ESP8266模塊原理圖

2.4 電源管理模塊

圖8 電源管理模塊原理圖

由于傳感器和控制器所需要的供電電壓分別為5V和3.3V，因此在電路設(shè)計過程中要考慮電壓的轉(zhuǎn)換.本系統(tǒng)采用的是NCP1117ST22T3G的電壓穩(wěn)壓器來實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，連接的外圍器件少，能夠?qū)崿F(xiàn)1A的輸出電流，輸出電壓的準(zhǔn)確度為3.3V±1%，具有高穩(wěn)定性和高電壓轉(zhuǎn)換精度，電源管理模塊原理圖如圖8所示.

2.5 智能報警模塊

本系統(tǒng)對溫濕度傳感器、煙霧濃度傳感器和CO濃度傳感器的數(shù)據(jù)進行實時的檢測，并與報警閾值進行逐個比較，有傳感器信息超出閾值時會對三種傳感器數(shù)據(jù)進行融合計算，當(dāng)判斷有火災(zāi)發(fā)生時利用GSM模塊來對用戶的手機實現(xiàn)報警.本系統(tǒng)的智能報警模塊采用的是SIM900A芯片，帶SIM卡槽，支持2G,3G和4G手機卡，同時，它具有成本低、多接口和高性能的優(yōu)點，可以廣泛的應(yīng)用于產(chǎn)品通信、智能家居、火災(zāi)智能防護等方向.SIM900A結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示.

圖9 SIM900A結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 傳感器檢測模塊

溫濕度傳感器、煙霧濃度傳感器和CO濃度傳感器在進行信號檢測之前需要進行初始化，并根據(jù)具體環(huán)境來設(shè)置傳感器的閾值，單片機發(fā)出檢測信號與傳感器信號相連接，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)為模擬信號，則需要進行AD模塊進行轉(zhuǎn)換.當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超過火災(zāi)報警的閾值時，單片機發(fā)出高電平報警信息，并將滿足報警條件的數(shù)據(jù)傳輸至ESP8266模塊進行處理，實現(xiàn)系統(tǒng)報警功能.傳感器檢測模塊的軟件流程圖如圖10所示.

圖10 傳感器檢測模塊的軟件流程圖 圖11 傳感器檢測模塊APP界面圖

同時，在手機APP界面端實現(xiàn)各類傳感器信息的數(shù)據(jù)與圖形顯示，方便用戶實時的對數(shù)據(jù)信息進行監(jiān)控和統(tǒng)計，當(dāng)發(fā)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)曲線異常，則能夠及時的對硬件電路進行檢查和更新，傳感器檢測模塊APP界面圖如圖11所示.

3.2 無線傳輸模塊

ESP8266模塊在工作前需要進行系統(tǒng)初始化，查詢當(dāng)前無線模塊的工作模式是否采用STA+AP工作模式，如若不是，則需要將無線模塊的工作模式進行轉(zhuǎn)換.配置成功后，ESP8266會對當(dāng)前的路由器進行掃描并與flash中的路由器信息進行匹配，如果連接不上則重新掃描匹配，直到連接成功.ESP8266在實現(xiàn)無線通信過程中還需要與服務(wù)器相連接，在手機端會收到連接成功信息，無線傳輸模塊的流程圖如圖12所示.

圖12 無線傳輸模塊的流程圖

3.3 智能報警模塊

圖13 智能報警模塊流程圖

SIM900A在工作前進行初始化操作，持續(xù)掃描溫濕度、煙霧濃度和CO濃度傳感器信息，當(dāng)有傳感器數(shù)據(jù)信息超過設(shè)置的閾值時，對三種傳感器信息進行特征提取和信息融合來判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，如判斷結(jié)果為有火災(zāi)發(fā)生，則SIM900A就會撥打存入服務(wù)器的用戶手機號碼進行報警.在整個過程中，會持續(xù)不斷的對傳感器信息進行掃描查詢，做到智能火災(zāi)監(jiān)控，智能報警模塊流程圖如圖13所示.

4 總 結(jié)

本文實現(xiàn)了一種基于多路傳感器采集的火災(zāi)監(jiān)控及智能報警系統(tǒng).系統(tǒng)采用STM32F103作為主控芯片，對多種類型的傳感器進行數(shù)據(jù)采集，通過WiFi控制模塊(ESP8266)將傳感器數(shù)據(jù)無線發(fā)送給后端服務(wù)器進行存儲.當(dāng)傳感器信息數(shù)據(jù)超出閾值范圍，經(jīng)過融合計算判定為有火災(zāi)發(fā)生，則通過SIM900A實現(xiàn)智能報警.用戶可以通過手機APP端遠程實時監(jiān)控傳感器信息.測試表明，該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)和穩(wěn)定的對火災(zāi)情況進行監(jiān)控和智能報警.