一種基于OneNET云平臺的消防安全監(jiān)測系統(tǒng)

摘 要：為加強(qiáng)對消防安全隱患的監(jiān)測和處理，減少消防安全事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)消防監(jiān)測設(shè)備的系統(tǒng)化管理，設(shè)計(jì)一種基于OneNET云平臺的消防安全監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STM32作為控制核心，集成了多種傳感器以實(shí)時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，一旦發(fā)現(xiàn)消防安全隱患，立即觸發(fā)報警機(jī)制。系統(tǒng)通過4G通信模塊與OneNET云平臺建立連接，使得用戶能夠通過訪問網(wǎng)頁便捷地查看環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等相關(guān)信息。此外，系統(tǒng)還支持屏幕查看、語音交流等多種交互方式，進(jìn)一步提升了設(shè)備管理的便捷性和效率。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該消防檢測系統(tǒng)具備響應(yīng)快、穩(wěn)定性高、易于管理的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地監(jiān)測并識別環(huán)境中的多種安全隱患，為消防安全提供有力的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：消防安全監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；STM32；OneNET云平臺；4G通信模塊；人機(jī)交互

中圖分類號：TP277；TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）03-00-04

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的加快和人口密度的增加，城市建筑物發(fā)生火災(zāi)的頻率正不斷攀升。全球范圍內(nèi)每年發(fā)生的火災(zāi)數(shù)量高達(dá)數(shù)百萬起，給民眾的生命財產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的危害。因此，消防安全監(jiān)測技術(shù)作為守護(hù)民眾安全的關(guān)鍵防線，其重要性日益凸顯。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于云平臺的消防安全監(jiān)測系統(tǒng)受到了廣泛的關(guān)注。

傳統(tǒng)的消防安全監(jiān)測系統(tǒng)主要依賴硬件設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，然而它們在數(shù)據(jù)傳輸便捷性、數(shù)據(jù)處理效能及監(jiān)測覆蓋范圍上均存在一定缺陷。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于云平臺的監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的即時傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控與分析，顯著提升了消防安全監(jiān)測的時效性和精確度[1-2]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于OneNET云平臺[3-4]的消防安全監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)以STM32為主控系統(tǒng)，通過多種傳感器實(shí)時采集環(huán)境相關(guān)指標(biāo)。該系統(tǒng)憑借其實(shí)時性、高精確度和高可靠性等特性，可以有效地監(jiān)測建筑物內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并進(jìn)行警報處理，同時還可以將數(shù)據(jù)通過通信模塊上傳至云平臺進(jìn)行系統(tǒng)化管理。該系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，不僅能夠有效提升消防安全監(jiān)測的效率，還能顯著降低火災(zāi)事故的發(fā)生概率，為人民群眾的生命財產(chǎn)安全提供更加堅(jiān)實(shí)的保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

本系統(tǒng)基于火災(zāi)的典型指標(biāo)，通過感知、檢測和分析環(huán)境中的變化來發(fā)現(xiàn)火災(zāi)風(fēng)險。系統(tǒng)結(jié)合傳感器、數(shù)據(jù)采集、信號處理和通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，并在火災(zāi)發(fā)生前提供預(yù)警信號。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6作為控制核心，集成了環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備檢測、交互、報警及通信等多個功能模塊。其中，環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測模塊包括可燃?xì)怏w傳感器、一氧化碳傳感器和溫濕度傳感器，負(fù)責(zé)采集并轉(zhuǎn)換與消防安全緊密相關(guān)的環(huán)境參數(shù)。設(shè)備檢測模塊包括陀螺儀傳感器和狀態(tài)檢測電路，負(fù)責(zé)采集設(shè)備傾斜角度和檢測設(shè)備盒體是否被打開。交互模塊包括串口屏、語音識別模塊和語音播報模塊，可以為用戶提供直觀的管理頁面以及便捷的語音交互體驗(yàn)。報警模塊包括警示燈和喇叭，負(fù)責(zé)在警報模式下提供聲光報警指示。通信模塊的核心為4G模塊，負(fù)責(zé)與OneNET云平臺的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云。

ARM控制器負(fù)責(zé)接收環(huán)境監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并判斷所監(jiān)測環(huán)境是否存在異常情況，一旦檢測到異常情況，立即觸發(fā)報警模塊發(fā)出聲光指示。STM32控制器定時接收設(shè)備檢測模塊的數(shù)據(jù)，綜合判斷設(shè)備狀態(tài)，并通過通信模塊連接至OneNET云平臺，集中管理和監(jiān)控整個消防監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。管理者可以通過可視化頁面進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，在出現(xiàn)異常情況時會收到來自平臺的警報郵件。此外，系統(tǒng)還支持直接交互模式，用戶可以借助屏幕和語音實(shí)現(xiàn)便捷的人機(jī)交互。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

2 各部分模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

在電源方面，本系統(tǒng)采用開關(guān)電源或鋰電池組的供電方案。將5 V的供電接入電源保護(hù)電路和電源濾波電路，確保系統(tǒng)得到紋波較小的輸入電壓。

本系統(tǒng)的穩(wěn)壓電路采用DC-DC方案，相較于LDO方案，DC-DC方案在效率、功耗及功率方面有著顯著的優(yōu)勢。本系統(tǒng)的穩(wěn)壓電路選用德州儀器出品的TPS562200芯片，該芯片適應(yīng)4.5～17 V的電壓輸入，可以通過對芯片電路進(jìn)行調(diào)整，輸出0.76～7 V的電壓。TPS562200芯片的可靠性較高，可提供穩(wěn)定的輸出電壓。在本系統(tǒng)中，控制器的供電電壓為3.3 V，故需要調(diào)整芯片TPS562200的外圍電路，使穩(wěn)壓電路的輸出為3.3 V。

2.2 主控制器電路

主控制器作為系統(tǒng)的核心，是協(xié)調(diào)各部件協(xié)同運(yùn)作以及進(jìn)行系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵器件，需要滿足高穩(wěn)定性、高性能以及豐富外設(shè)接口的需求。

本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體開發(fā)的STM32F103C8T6作為主控制器。該控制器為中密度性能系列，具備卓越的處理速度。其內(nèi)置的Cortex-M3內(nèi)核能夠提供高達(dá)72 MHz的工作頻率，足以應(yīng)對系統(tǒng)繁重的數(shù)據(jù)運(yùn)算任務(wù)。此外，該控制器還配備了包括I2C、SPI和USART在內(nèi)的多種外設(shè)接口。這些接口通過兩條APB總線，能夠連接多種增強(qiáng)型I/O口和豐富的外設(shè)資源，進(jìn)一步提升了控制器的擴(kuò)展性和靈活性。同時，該控制器還內(nèi)置了12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和通用的16位定時器[5]，為系統(tǒng)提供了更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和時間控制功能。

2.3 環(huán)境監(jiān)測電路和設(shè)備檢測電路

本文系統(tǒng)通過監(jiān)測環(huán)境中的可燃?xì)怏w、一氧化碳等與消防安全相關(guān)的危險氣體的體積分?jǐn)?shù)，并通過主控制器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評估，以判斷環(huán)境中是否存在消防安全風(fēng)險。選用MQ-2、MQ-7以及DHT11三款傳感器來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

MQ-2煙霧傳感器適用于包括烷類氣體、苯、液化石油氣在內(nèi)的多種可燃?xì)怏w的探測，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。MQ-2煙霧傳感器基于半導(dǎo)體氣敏電阻原理，傳感器中的二氧化錫氣敏材料會和監(jiān)測環(huán)境中的可燃?xì)怏w發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致材料表面的電阻率發(fā)生變化，傳感器通過測量電阻率的變化，即可實(shí)現(xiàn)對可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)的精準(zhǔn)測量。MQ-7傳感器適用于對于一氧化碳?xì)怏w的探測，同樣具備靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。MQ-7傳感器基于電化學(xué)原理，傳感器中的一氧化碳敏感電極在接觸一氧化碳時會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致敏感電極的電阻值發(fā)生變化，傳感器通過測量電阻變化，即可實(shí)現(xiàn)對一氧化碳?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)的測量[6-7]。

溫濕度傳感器選用DHT11傳感器，該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，主要由8位控制器、NTC感溫元件和電阻式感濕元件構(gòu)成。該傳感器采用單總線通信協(xié)議，并通過阻值為4.7 kΩ的上拉電阻與主控制器的通用I/O接口連接[8]。

系統(tǒng)設(shè)備檢測電路主要由MPU6050陀螺儀傳感器和狀態(tài)檢測電路構(gòu)成，能夠監(jiān)測設(shè)備的傾斜狀態(tài)、異常振動以及設(shè)備外殼的狀態(tài)，進(jìn)而判斷設(shè)備是否正常工作或遭受破壞，及時發(fā)現(xiàn)故障并采取相應(yīng)措施。

MPU6050陀螺儀模塊集成了3 軸MEMS 陀螺儀和3軸加速度計(jì)，具有高精度、低功耗和成本低等特點(diǎn)。該模塊采用I2C通信協(xié)議，與主控制器的I2C接口連接；狀態(tài)檢測電路主要由行程開關(guān)構(gòu)成，與主控制器通過通用I/O口連接。

2.4 交互電路和聲光指示電路設(shè)計(jì)

交互電路系統(tǒng)主要由淘晶馳的JC8048X550_011串口屏、飛云音電子的YS-LD3320語音識別模塊、迪為電子的DY-SV17F語音播報模塊構(gòu)成。串口屏與控制器通過串行接口連接，通過串口屏設(shè)定的指令格式進(jìn)行通信。主控制器與語音識別模塊通過串行接口連接，采用組合I/O接口的方式控制語音識別模塊，并通過機(jī)械開關(guān)控制系統(tǒng)的交互模式，以降低系統(tǒng)功耗。

聲光指示電路由警示燈和語音播報模塊構(gòu)成，警示燈的亮滅由繼電器構(gòu)成的控制電路進(jìn)行控制，主控制器通過通用I/O口連接控制電路。

2.5 通信模塊

通信模塊采用移遠(yuǎn)EC600N-CN 4G模塊，相較于其他類型的通信模塊，EC600N-CN具有穩(wěn)定性高、速度快和覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。該模塊與主控制器通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了主控制器與OneNET云平臺之間的通信[9]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器軟件設(shè)計(jì)

主控制器程序流程如圖2所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的配置和初始化，包括對系統(tǒng)時鐘以及外設(shè)接口，如通用I/O口、串口、ADC、I2C及定時器等的配置和初始化，并測試4G模塊的指令收發(fā)是否正常。陀螺儀傳感器進(jìn)行自檢。

為降低設(shè)備能耗以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理，設(shè)定系統(tǒng)在未處于警報狀態(tài)時，每隔一段時間將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。設(shè)置主控制器STM32F103C8T6的定時器2每隔1 s中斷一次，每次中斷定時計(jì)數(shù)位加1，通過設(shè)置定時計(jì)數(shù)位，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的定時上傳。故系統(tǒng)在完成初始化后，打開定時器2。

系統(tǒng)從MQ-2、MQ-7、DHT11等傳感器中獲取當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為特定格式并儲存在全局變量數(shù)組中，作為監(jiān)測環(huán)境的指標(biāo)。隨后，系統(tǒng)會判斷當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)是否達(dá)到設(shè)定的閾值。若達(dá)到閾值，將標(biāo)志位Process_Flag置為警報數(shù)值，執(zhí)行警報相關(guān)程序，包括開啟警示燈、播放警報聲，并將相關(guān)指標(biāo)上傳至云服務(wù)器。

當(dāng)相關(guān)指標(biāo)處于安全范圍內(nèi)，系統(tǒng)會判斷定時是否結(jié)束。定時結(jié)束后，系統(tǒng)記錄當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)，并獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，包括傳感器MPU6050、行程開關(guān)的輸出，然后將環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)一同上傳至云服務(wù)器。若定時尚未結(jié)束，系統(tǒng)會檢測交互開關(guān)是否被按下。若開關(guān)被按下，則會在串口屏上顯示人機(jī)交互界面，并開始檢測是否有語音指令。若開關(guān)未被按下，回到采集環(huán)境數(shù)據(jù)的進(jìn)程。

3.2 通信模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)與OneNET云平臺的數(shù)據(jù)傳輸通過4G模塊實(shí)現(xiàn)。主控制器通過串行接口發(fā)送AT指令控制并調(diào)試4G模塊。在初始化進(jìn)程中，主控制器依次向4G模塊發(fā)送一系列指令，以查詢4G模塊的SIM卡狀態(tài)、CS業(yè)務(wù)狀態(tài)、PS業(yè)務(wù)狀態(tài)，并配置模塊使用v3.1.1版本的MQTT協(xié)議進(jìn)行通信。隨后發(fā)送指令“AT+QMTOPEN=lt;服務(wù)編號gt;，lt;服務(wù)器地址gt;，lt;服務(wù)器端口gt;”來打開MQTT客戶端網(wǎng)絡(luò)。通過發(fā)送指令“AT+QMTCONN=lt;服務(wù)編號gt;，lt;設(shè)備IDgt;，lt;用戶名gt;，lt;密碼gt;”，4G模塊連接至云服務(wù)器。在發(fā)送指令后，系統(tǒng)會在限定時間內(nèi)等待服務(wù)端回復(fù)“OK”，收到該標(biāo)識后系統(tǒng)才會繼續(xù)發(fā)送下一條指令。

數(shù)據(jù)更新通過指令“AT+QMTPUBEX=lt;客戶端標(biāo)識符gt;，lt;數(shù)據(jù)包消息標(biāo)識符gt;，lt;QoS 等級gt;，lt;服務(wù)器是否保存該消息gt;，lt;待發(fā)布主題gt;，lt;數(shù)據(jù)長度gt;”實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)更新程序中，主控制器會先將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)以JSON格式進(jìn)行封裝，并獲取數(shù)據(jù)的長度；在發(fā)送上述指令后，等待服務(wù)端回復(fù)“gt;”標(biāo)識，收到該標(biāo)識后系統(tǒng)才會發(fā)送封裝好的數(shù)據(jù)[10]。

3.3 交互界面及網(wǎng)頁軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)的交互開關(guān)被按下后，串口屏顯示人機(jī)交互界面，該界面能夠?qū)崟r顯示相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)以及環(huán)境指標(biāo)等信息。交互界面還提供設(shè)備情況、記錄查詢和閾值設(shè)置等功能，管理人員還可查看近5次的數(shù)據(jù)記錄以及設(shè)備傾角和盒體閉合情況，并能夠在輸入密碼后設(shè)置相關(guān)閾值。系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖3所示。

系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺后，管理者可以借助OneNET平臺的OneNET View 3.0服務(wù)，以清晰直觀的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析。系統(tǒng)管理端頁面如圖4所示，管理者通過訪問指定網(wǎng)站，即可登錄管理端網(wǎng)頁界面，進(jìn)而查看用戶信息、環(huán)境指標(biāo)以及設(shè)備狀態(tài)等詳細(xì)內(nèi)容。系統(tǒng)通過OneNET云平臺的觸發(fā)器管理功能實(shí)現(xiàn)警報提示。

4 測 試

在完成消防安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與樣機(jī)制作后，對相關(guān)功能進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示，當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境中危險氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到設(shè)定閾值時，可以及時執(zhí)行警報相關(guān)程序，并將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺，綁定的郵箱可收到來自O(shè)neNET平臺的警報郵件。管理端網(wǎng)頁會更新相關(guān)內(nèi)容，設(shè)備的串口屏可以顯示交互界面并提供環(huán)境指標(biāo)、設(shè)備指標(biāo)等相關(guān)信息。OneNET云平臺多協(xié)議接入頁面如圖5所示。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于OneNET云平臺的消防安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測環(huán)境異常情況并檢測設(shè)備狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化管理與可視化分析。經(jīng)過測試，系統(tǒng)性能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，展現(xiàn)出了較高的實(shí)際應(yīng)用潛力與價值。

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