基于物聯(lián)網(wǎng)的火焰探測遠(yuǎn)程自動報警滅火系統(tǒng)

摘 要：為了減少火災(zāi)給人們的生命和財產(chǎn)造成的損害，設(shè)計了一種火焰探測遠(yuǎn)程自動報警滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STC8A8K64S4A12單片機(jī)作為主控模塊、GSM模塊作為通信設(shè)備以及火焰紅外傳感器作為檢測探頭，通過OLED顯示屏顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)。利用Keil μVision5編程平臺進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，通過單片機(jī)控制將探測數(shù)據(jù)實時顯示在OLED顯示屏上，當(dāng)檢測到火焰時通過GSM模塊發(fā)送短信到手機(jī)客戶端，并通過繼電器開啟抽水泵，從而幫助用戶實時掌握環(huán)境信息并實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動滅火。實驗測試結(jié)果表明：火焰探測遠(yuǎn)程自動報警滅火系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足用戶的基本需求，具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；火焰探測；報警器；STC8A8K64S4A12；GSM模塊；火焰紅外傳感器；報警滅火系統(tǒng)

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.005

0 引 言

在經(jīng)濟(jì)和科技快速發(fā)展的今天，安全風(fēng)險遍布于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。近年來，我國每年發(fā)生火災(zāi)上萬起，每年由火災(zāi)造成的直接財產(chǎn)損失數(shù)以億計[1]。為了減少火災(zāi)對人們的生命、財產(chǎn)造成的損害，國內(nèi)外對智能火災(zāi)報警器進(jìn)行了長時間的理論研究和實際應(yīng)用開發(fā)。對于火焰探測，最常用的就是紅外火焰報警器。這種火焰探測器配置多個高靈敏度的紅外傳感器，能夠?qū)μ囟úㄩL范圍的火焰紅外輻射進(jìn)行監(jiān)測[2]。目前很多火災(zāi)報警器都集中在煙霧和可燃性氣體的檢測上，誤報率較高，且大部分火災(zāi)報警器只適合單一場景，不能根據(jù)環(huán)境的需求改變報警參數(shù)。為此，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的火焰探測遠(yuǎn)程自動報警滅火系統(tǒng)。系統(tǒng)利用火焰紅外傳感器檢測火焰，保證了火災(zāi)報警的準(zhǔn)確性；采用聲光報警和發(fā)送短信報警的模式，及時提醒人們做好火災(zāi)的預(yù)防、控制工作，并且實現(xiàn)了通過繼電器開啟抽水泵進(jìn)行現(xiàn)場滅火的功能，從源頭有效制止了火災(zāi)的蔓延，從而防止發(fā)生爆炸等惡劣事故，減少人力物力的損失，保護(hù)人民的生命財產(chǎn)安全。該自動報警滅火系統(tǒng)擁有安裝簡便、報警及時、價格低廉、功耗低且壽命長等優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

如圖1所示，火焰探測遠(yuǎn)程自動報警滅火系統(tǒng)主要包括STC8A8K64S4A12單片機(jī)主控模塊、火焰紅外傳感器模塊、OLED顯示模塊、SIM800C GSM通信模塊、聲光報警模塊、繼電器模塊、抽水泵等。

在目標(biāo)監(jiān)測環(huán)境中，火焰紅外傳感器負(fù)責(zé)探測火焰的強(qiáng)度，并通過其負(fù)載上的電阻器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號；然后將電壓信號發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器，在轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)數(shù)字信號的輸出。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號被直接傳輸至STC8A8K64S4A12開發(fā)板，并利用動態(tài)顯示技術(shù)，通過OLED顯示屏實時更新火焰紅外傳感器的ADC采樣值。STC8A8K64S4A12開發(fā)板還負(fù)責(zé)管理蜂鳴器報警電路、發(fā)送裝置及滅火裝置的運行。當(dāng)GSM模塊在發(fā)送裝置中通電后，STC8A8K64S4A12開發(fā)板通過串口3檢測其工作狀態(tài)，若收到回應(yīng)，則確認(rèn)GSM模塊已正常啟動。隨后，主控制器將GSM模塊配置為短信文本模式（SMS），并等待火焰紅外傳感器的數(shù)據(jù)輸入。一旦火焰紅外傳感器檢測到火焰強(qiáng)度達(dá)到或超過預(yù)設(shè)的安全閾值，STC8A8K64S4A12開發(fā)板將立即觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報聲，并點亮LED指示燈以警示用戶；同時，它還會控制GSM模塊向手機(jī)客戶端發(fā)送報警短信，并啟動抽水泵進(jìn)行緊急滅火，從而有效應(yīng)對現(xiàn)場火情。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要分為火焰檢測模塊、報警模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、自動滅火模塊4個部分，如圖2所示。系統(tǒng)以STC8A8K64S4A12開發(fā)板為核心控制元件，火焰紅外傳感器為檢測探頭，采用SIM800C GSM進(jìn)行無線通信、OLED顯示屏進(jìn)行可視化顯示，繼電器負(fù)責(zé)開啟抽水泵進(jìn)行現(xiàn)場滅火。火焰探測遠(yuǎn)程自動報警滅火系統(tǒng)實時監(jiān)測環(huán)境中是否有火焰產(chǎn)生，并遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)火災(zāi)險情可及時發(fā)出警報并自動開啟水泵進(jìn)行滅火。

2.2 各模塊的電路設(shè)計

2.2.1 火焰檢測模塊電路

基于火焰紅外傳感器的工作原理[3]，利用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，將所檢測的火焰強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓信號，接著用OLED屏顯示出火焰紅外傳感器的ADC采樣值。利用A/D轉(zhuǎn)換功能將時間和幅值都連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)為時間和幅值都離散的數(shù)字信號。通常A/D轉(zhuǎn)換過程需要經(jīng)過的步驟分別是取樣、保持、量化和編碼[4]。

火焰紅外傳感器由紅外接收管、寬電壓比較器LM393等元件構(gòu)成，可以檢測到火焰或波長為760～1 100 nm的光源，靈敏度高、響應(yīng)速度快。當(dāng)火焰產(chǎn)生時，紅外接收管將會導(dǎo)通，從而導(dǎo)致其兩端的電壓下降；隨后通過電壓比較器進(jìn)行比較，如果檢測到火焰，則輸出低電平信號；如果沒有檢測到火焰，則輸出高電平信號[5]。在該火焰探測遠(yuǎn)程自動報警滅火系統(tǒng)中，檢測到的火焰強(qiáng)度越強(qiáng)，火焰紅外傳感器的ADC值則越低，當(dāng)傳感器檢測的火焰強(qiáng)度低于預(yù)設(shè)閾值時（ADC值小于1 000），系統(tǒng)會通過蜂鳴器和LED燈發(fā)出警報，同時發(fā)短信到用戶手機(jī)，確保用戶能夠及時了解并響應(yīng)火情。

2.2.2 報警模塊電路

報警模塊主要由蜂鳴器和GSM模塊組成。

聲光報警：當(dāng)系統(tǒng)檢測到火焰時（ADC值小于1 000），由STC8A8K64S4A12單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)出蜂鳴報警信號，并通過點亮火焰紅外傳感器上的LED燈來警示用戶。圖3和圖4分別是蜂鳴器的發(fā)聲原理圖和電路圖[6]。

短信報警：GSM系統(tǒng)是目前在我國發(fā)展最成熟的移動通信系統(tǒng)。經(jīng)過多年的發(fā)展，GSM網(wǎng)絡(luò)擁有龐大的用戶數(shù)量、廣泛的覆蓋范圍、穩(wěn)定可靠的通信質(zhì)量。利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)具有諸多顯著優(yōu)勢。同時GSM短信服務(wù)作為一種使用方便、成本低廉的即時通信方式，在眾多通信方式中脫穎而出，得到了越來越廣泛的應(yīng)用與認(rèn)可[7]。當(dāng)檢測到現(xiàn)場有火焰時，STC8A8K64S4A12開發(fā)板通過串口3驅(qū)動GSM模塊，發(fā)送報警短信到手機(jī)客戶端。即微控制器通過串口向GSM模塊發(fā)送一系列AT指令，配置該模塊作為文本短信發(fā)送器（SMS），其功能與手機(jī)發(fā)送短信的功能一樣[8]，將包含警報信息的短信通過信號基站發(fā)送到指定手機(jī)接收端。GSM模塊的工作原理如圖5

所示。

2.2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊電路

數(shù)據(jù)顯示模塊的主要部分是OLED模塊。OLED模塊由底板（PCB板）和OLED顯示屏構(gòu)成。OLED顯示屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為兩大部分：顯示液晶點陣和驅(qū)動IC（型號為SSD1306）。該顯示屏的點陣分辨率為128×64，有效顯示區(qū)域為0.96英寸。PCB板的作用是為驅(qū)動IC提供外圍需要的少量電容和電阻，同時負(fù)責(zé)固定OLED顯示屏，通過2.54 mm

間距的排針把控制接口（支持SPI或I2C協(xié)議）引出，方便接入開發(fā)板。當(dāng)傳感器檢測到火焰，即ADC值小于閾值時，蜂鳴器報警，LED燈發(fā)出警報并在OLED顯示屏上顯示，同時通過手機(jī)短信向用戶發(fā)送報警信息，OLED顯示屏?xí)鹦酗@示GSM模塊狀態(tài)、GSM信號值、火焰紅外傳感器ADC采樣值。圖6為OLED顯示屏結(jié)構(gòu)。

2.2.4 自動滅火模塊電路

自動滅火模塊由復(fù)合型電磁繼電器和抽水泵組成。這種自動化控制設(shè)備采用了一種先進(jìn)的開關(guān)控制方式，即采用較小的電流和較低的電壓來控制較大的電流和較高的電壓，從而在電路中實現(xiàn)了保護(hù)和轉(zhuǎn)換電路的功能。繼電器分別由線圈、反力彈簧、磁路和觸點構(gòu)成。輸入端具有高低電平兩種狀態(tài)：當(dāng)處于高電平時電路兩端保持通路；當(dāng)處于低電平時電路斷開。當(dāng)火焰紅外傳感器的值大于等于1 000時，輸出低電平，繼電器的COM和NC接通；小于1 000時，輸出高電平，COM和NO接通，受控設(shè)備即水泵通電，開啟抽水泵進(jìn)行現(xiàn)場滅火。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文使用Keil μVision5進(jìn)行系統(tǒng)軟件的開發(fā)，如圖7所示。對于匯編語言來說，C語言在可讀性、功能性、結(jié)構(gòu)性、可維護(hù)性方面具有明顯優(yōu)勢。Keil中提供了一個集成開發(fā)環(huán)境，將C編譯器、鏈接器、宏匯編和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等組合在一起。對于使用C語言的開發(fā)者來說，Keil是一個很好的開發(fā)軟件。

通過STC-ISP將程序燒錄到單片機(jī)上。STC-ISP是一款常用的單片機(jī)編程與燒錄軟件，如圖8所示。它可以幫助用戶選擇自己需要的單片機(jī)型號、引腳數(shù)、通信端口以及最佳波特率，選擇完成后就可以進(jìn)行燒錄。

系統(tǒng)采用CH341SER作為驅(qū)動程序。CH341SER是支持32位和64位系統(tǒng)的CH340/CH341USB轉(zhuǎn)串口Windows驅(qū)動程序，附有DLL動態(tài)庫的使用及非標(biāo)準(zhǔn)波特率的設(shè)置等方面的說明；通過微軟數(shù)字簽名認(rèn)證，提供USB轉(zhuǎn)3線和

9線串口等，會隨產(chǎn)品發(fā)行到最終用戶，適用于便攜式筆記本電腦。CH341SER驅(qū)動界面如圖9所示。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)中火焰紅外傳感器將檢測到的火焰變換為電信號，由連接在其負(fù)載上的電阻器將其轉(zhuǎn)換為電壓信號發(fā)送給STC8A8K64S4A12單片機(jī)內(nèi)部集成的高速A/D轉(zhuǎn)換器，利用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號，再由OLED實時更新顯示火焰紅外傳感器的ADC采樣值。系統(tǒng)通過STC8A8K64S4A12控制報警電路、發(fā)送裝置和滅火裝置。發(fā)送裝置中的GSM模塊上電后，開發(fā)板通過串口3檢測GSM模塊的工作狀態(tài)，然后將GSM模塊配置成短信文本模

式（SMS），等待火焰紅外傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)現(xiàn)場產(chǎn)生火焰時（ADC值小于1 000），系統(tǒng)會立刻通過繼電器開啟抽水泵，同時驅(qū)動報警器發(fā)出警報聲、點亮LED燈來提醒用戶，并發(fā)送報警短信到指定的手機(jī)上。

5 系統(tǒng)測試

首先連接好火焰探測遠(yuǎn)程自動報警滅火系統(tǒng)的各個硬件模塊（如圖10所示），再將在Keil μVision5編程平臺編寫好的代碼通過STC-ISP燒錄到開發(fā)板上。將打火機(jī)的火焰放置在火焰紅外傳感器的檢測端來模擬現(xiàn)場火焰檢測[9]。待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，分別對火焰檢測模塊、報警模塊、自動滅火模塊等子模塊進(jìn)行測試，如圖11～圖14

所示。

6 數(shù)據(jù)測試與分析

對火焰探測遠(yuǎn)程自動滅火系統(tǒng)的火焰檢測模塊、報警模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、自動滅火模塊進(jìn)行逐一測試，檢測各個模塊是否達(dá)到預(yù)期效果以及手機(jī)端的短信內(nèi)容與檢測信息是否一致。結(jié)果分別見表1和表2所列。模擬測試在室外環(huán)境下進(jìn)行，結(jié)果表明：整個裝置運行穩(wěn)定，各子模塊功能都達(dá)到了預(yù)期效果，能夠滿足生產(chǎn)生活需求。

7 結(jié) 語

火焰探測器的發(fā)展時間較長，已形成了多種傳感器組合方式，但在不同場景的火災(zāi)報警系統(tǒng)中，還需要綜合考慮、規(guī)范運用，盡可能選擇合理實用的探測器[10]。本文采用高性能的STC8A8K64S4A12單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計并實現(xiàn)了火焰探測遠(yuǎn)程自動報警滅火系統(tǒng)?；鹧婕t外傳感器負(fù)責(zé)檢測環(huán)境中是否有火焰產(chǎn)生，GSM作為無線通信模塊與繼電器相結(jié)合，從而實現(xiàn)了火焰檢測、遠(yuǎn)程報警、發(fā)送消息警醒用戶、自動滅火的功能。系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，具有成本低、實時性好、報警快等優(yōu)點，能夠滿足生產(chǎn)生活需求，有一定的實際應(yīng)用價值和良好的發(fā)展前景。

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收稿日期：2023-09-12 修回日期：2023-10-11

作者簡介：張宗禧（2000—），男，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)。