摘 要：針對嚴(yán)重威脅樓宇健康和居民安全的火災(zāi)問題，分析室內(nèi)火災(zāi)監(jiān)測需求，設(shè)計并開發(fā)了一款樓宇火災(zāi)實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32作為監(jiān)測端主控芯片，機(jī)智云作為遠(yuǎn)程終端，結(jié)合LED顯示屏、WiFi模塊、傳感器模塊等，可以感知環(huán)境中的溫濕度、煙霧體積分?jǐn)?shù)、甲烷體積分?jǐn)?shù)等，同時進(jìn)行閾值判斷，在超出閾值的情況下發(fā)出火災(zāi)風(fēng)險報警，監(jiān)測終端也能夠及時采取遠(yuǎn)程切斷電源等措施防止火勢加重。該系統(tǒng)適用于寫字樓、居民樓、廠房等場合，對于火災(zāi)防控和預(yù)警具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：STM32；機(jī)智云；樓宇安全；火災(zāi)監(jiān)測；閾值判斷；檢測終端

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-05

0 引 言

火災(zāi)是一種常見而嚴(yán)重的災(zāi)害，給人們的生命安全帶來了巨大的威脅，造成了巨大的財產(chǎn)損失。在高樓建筑中發(fā)生的火災(zāi)，由于建筑高度、人員密集度以及安全疏散難度的增加，往往會導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果。近幾年來，我國平均每年發(fā)生火災(zāi)約30萬起，如何有效地監(jiān)測和預(yù)防高樓火災(zāi)成為了當(dāng)今社會亟待解決的問題。

樓宇火災(zāi)監(jiān)測的研究具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。通過對樓宇火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)的研究，可以及早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和提高火災(zāi)報警能力，從而為火災(zāi)撲救制造有效的時間窗口。同時，研究樓宇火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)還可以為相關(guān)部門制定火災(zāi)安全管理政策和規(guī)范提供科學(xué)依據(jù)，降低樓宇建筑發(fā)生火災(zāi)的可能性。此外，樓宇火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)還可以為消防救援人員提供準(zhǔn)確的災(zāi)情信息，提高滅火救援的效率和成功率。

傳統(tǒng)的煙霧報警器通常是基于光學(xué)原理或離子化原理工作的，容易受到灰塵、蒸汽、煙霧等干擾，導(dǎo)致誤報率高，而且報警器反應(yīng)速度慢。從監(jiān)測角度來看，傳統(tǒng)的煙霧報警器只能檢測煙霧，無法檢測易燃易爆氣體。另外，傳統(tǒng)的火災(zāi)報警傳感器大多采用有線連接方式，信號可靠性無法保證，隨著無線傳感器技術(shù)的發(fā)展，其因靈敏度高、可實現(xiàn)實時監(jiān)測等優(yōu)點，在建筑火災(zāi)安全監(jiān)測領(lǐng)域逐漸受到更多的重視[1]。

火災(zāi)發(fā)生初期一般會表現(xiàn)出明顯特征，如果能及時檢測到火災(zāi)發(fā)生初期的特征并及時報警，可以大幅減少火災(zāi)造成的損失[2]。在環(huán)境監(jiān)測、生態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，尤其在惡劣環(huán)境條件下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出了傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)無法媲美的獨特優(yōu)勢[3]。國內(nèi)外的火災(zāi)監(jiān)測研究包括傳感技術(shù)、預(yù)警系統(tǒng)、監(jiān)測算法、氣體傳感、圖像處理和數(shù)據(jù)分析等多個方面，不斷推動著火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新[4-5]。對樓宇監(jiān)測來說，基于機(jī)智云的云平臺，通過樓中的WiFi將數(shù)據(jù)上云即可實現(xiàn)監(jiān)測端與遠(yuǎn)程終端的互聯(lián)。因此，本文設(shè)計了一款以STM32和機(jī)智云為主體的樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，研究其在樓宇火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。通過ESP8266模塊連接WiFi，建立監(jiān)測端與機(jī)智云之間的連接，另外采用MQ-2和DHT11來檢測空氣中的溫濕度、煙霧和甲烷等易燃易爆氣體的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)檢測對象的數(shù)值超過設(shè)定的安全閾值時，會觸發(fā)現(xiàn)場和機(jī)智云終端報警；還可以通過遠(yuǎn)程終端控制現(xiàn)場供電系統(tǒng)的閉合，防止擴(kuò)大火災(zāi)范圍。

1 系統(tǒng)總體功能

本設(shè)計將STM32C8T6和機(jī)智云分別作為整個系統(tǒng)的邏輯處理中心和遠(yuǎn)程顯示終端，通過ESP8266無線模塊、氣體傳感器與溫濕度傳感器對現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。OLED負(fù)責(zé)現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)顯示，機(jī)智云遠(yuǎn)程終端APP負(fù)責(zé)顯示采集到的傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)置環(huán)境參數(shù)報警閾值以及遠(yuǎn)程報警提醒，當(dāng)煙霧體積分?jǐn)?shù)或者溫度超標(biāo)時也會在現(xiàn)場觸發(fā)聲光報警。系統(tǒng)主要由STM32C8T6邏輯處理模塊、傳感器模塊、WiFi模塊、液晶顯示器模塊、蜂鳴器模塊和遠(yuǎn)程終端6個部分組成。系統(tǒng)總體功能如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分主要由主控芯片、無線收發(fā)模塊、蜂鳴器、液晶顯示器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、USB轉(zhuǎn)串口電路、LED燈電路與按鍵電路等9個部分組成。

2.1 主控芯片的選取

STM32F103C8T6是一款基于ARM 32位Cortext M3內(nèi)核的單片機(jī)，具有2.0～3.6 V的寬電壓供電范圍，CPU工作頻率最大可達(dá)72 MHz，穩(wěn)定性高，功耗低[6]。STM32F103C8T6接口較為簡單，芯片內(nèi)部有可編程 FLASH 存儲器，具有最大集成度的復(fù)位電路、低電壓檢測模塊、調(diào)壓器和精確的RC振蕩器等。STM32C8T6原理如圖2所示。

2.2 無線收發(fā)模塊的選取

樂鑫公司出品的低功耗WiFi芯片ESP8266，具有內(nèi)置的32位CPU，可以獨立運行，也可作為其他主機(jī)MCU的組件運行。目前，該芯片已被廣泛應(yīng)用于智能家具和無線傳感器領(lǐng)域[7]。ESP8266在待機(jī)模式下的功耗低至20 μA左右，適合要求較高的應(yīng)用場景。ESP8266采用Tensilica Xtensa LX106處理器，其主頻為80 MHz，具有多種外設(shè)接口（如GPIO、SPI、I2C、UART等），支持802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，具有完整的WiFi功能，可以連接到現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)，建立熱點，進(jìn)行TCP/IP通信等。ESP01-S是一款以ESP8266為核心的WiFi模組。ESP-01S原理如圖3所示。

2.3 氣體傳感器的選取

MQ-2氣體傳感器利用低功耗的CMOS微處理器監(jiān)測環(huán)境中多種待測氣體的體積分?jǐn)?shù)變化，例如煙霧、一氧化碳、甲烷等。其獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以防潮、防塵，在使用時避免干擾。MQ-2原理如圖4所示。

2.4 溫濕度傳感器的選取

DHT11是一種新型的單總線數(shù)字溫濕度傳感器，它具備接口簡單、體積小巧、響應(yīng)速度快和性價比高等優(yōu)點[8]。DHT11原理如圖5所示。DHT11的溫度測量范圍為0～50 ℃，精度為±2 ℃，工作電壓范圍為3.0～5.5 V，功耗非常低，只需要幾微安的電流。該傳感器在閑置時會自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而有效節(jié)省能源。

2.5 液晶顯示器的選取

OLED顯示屏可以準(zhǔn)確顯示英文、數(shù)字、符號，具備分辨率高、視角廣、自發(fā)光等特性[9]。同時OLED響應(yīng)時間快，功耗低，耐高溫能力強(qiáng)，適合應(yīng)用于火災(zāi)監(jiān)測設(shè)備中進(jìn)行氣體體積分?jǐn)?shù)、溫度的現(xiàn)場顯示。OLED采用I2C通信方式，工作電壓范圍為3.3～5.0 V，像素點陣規(guī)模為128×64。OLED原理如圖6所示。

2.6 蜂鳴器電路

本設(shè)計通過蜂鳴器和LED進(jìn)行聲光報警，選用的蜂鳴器類型為無源蜂鳴器。無源蜂鳴器電路原理如圖7所示。無源蜂鳴器通過外部電流驅(qū)動，沒有內(nèi)部振蕩源。它的驅(qū)動需要使用2～5 kHz的方波信號[10]。

2.7 USB轉(zhuǎn)串口電路

為了方便程序的下載和調(diào)試，本系統(tǒng)采用CH340C作為轉(zhuǎn)接芯片，實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的功能。串口下載電路如圖8所示。硬件系統(tǒng)給CH340C進(jìn)行5 V供電，USB_D+和USB_D-管腳與USB接口的數(shù)據(jù)總線相連。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)從實現(xiàn)功能上來看，分為4個部分：溫濕度采集、氣體體積分?jǐn)?shù)采集、WiFi驅(qū)動、機(jī)智云功能設(shè)計。

3.1 溫度采集

DHT11傳感器可以同時檢測溫度和濕度，但濕度受天氣影響較大，不能體現(xiàn)出現(xiàn)場環(huán)境與火災(zāi)間的關(guān)聯(lián)。DHT11與單片機(jī)交互采用單總線協(xié)議，上電之后自動檢測環(huán)境中的溫度，單片機(jī)需要通過通信協(xié)議從DHT11獲取溫濕度數(shù)據(jù)。

當(dāng)單片機(jī)發(fā)送起始信號后，DHT11會從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，并等待主機(jī)復(fù)位結(jié)束。然后，DHT11會發(fā)送響應(yīng)信號，同時拉高總線為數(shù)據(jù)傳輸作準(zhǔn)備。完整的數(shù)據(jù)為40 bit，按照高位在前、低位在后的順序傳輸。

DHT11模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時，每比特數(shù)據(jù)都以持續(xù)時間50 μs的低電平開始，然后拉高總線電平，高電平的持續(xù)時間表明發(fā)送的數(shù)據(jù)是“0”還是“1”。本文只用到了溫度數(shù)據(jù)，因此采集的數(shù)據(jù)格式為：8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗和，共3 B數(shù)據(jù)。校驗和為前2 B數(shù)據(jù)相加，用以保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。溫度采集實驗界面如圖9所示。

3.2 煙霧體積分?jǐn)?shù)采集

MQ-2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧具有極高的敏感度，對烷類煙霧的感知更為敏銳，同時還擁有出色的抗干擾性能。MQ-2有4個引腳，它們分別是VCC、GND、模擬引腳A0和數(shù)字引腳D0。A0主要輸出模擬信號，氣體體積分?jǐn)?shù)越大，輸出的模擬電壓幅值越大。MQ-2傳感器內(nèi)部有一個比較器會不斷檢測A0是否已達(dá)到設(shè)置電位計的閾值。如果超過閾值，D0將輸出高電平，否則輸出低電平。

MQ-2傳感器輸出的電壓值是模擬信號，需要通過STM32的A/D芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，信號處理流程如圖10所示。

STM32F103系列有3個ADC，精度為12位，本文采用DMA方式將ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸至指定區(qū)域。MQ-2煙霧傳感器連接單片機(jī)引腳PB0，因此選擇ADC1的通道8作為A/D轉(zhuǎn)換的通道。采集煙霧體積分?jǐn)?shù)的實驗結(jié)果界面如圖11所示。

3.3 OLED顯示屏

在主控芯片上，管腳PA6和PA7分別與OLED模塊的SCL、SDA引腳相連，本設(shè)計采用模擬I2C的方式來驅(qū)動OLED。模擬I2C指借助引腳高低電平的變化，來模擬I2C的時序信號以傳送數(shù)據(jù)，硬件I2C需要使用STM32的固定管腳，因此相對來說模擬I2C在應(yīng)用中更為靈活。

I2C是一種僅使用兩條總線的通信協(xié)議，分別為雙向串行數(shù)據(jù)線（SDA）和雙向串行時鐘線（SCL）。其中，SDA數(shù)據(jù)線用于傳輸數(shù)據(jù)，而SCL時鐘線則用于同步數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。每個連接到總線上的設(shè)備都具有唯一的地址，主機(jī)可以利用其地址來訪問不同的設(shè)備。在樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中，OLED、傳感器和E2PROM與主機(jī)之間都采用I2C通信方式，I2C通信結(jié)構(gòu)如圖12所示。

I2C協(xié)議傳輸過程分為8步，分別如下：主機(jī)發(fā)送起始信號（S），寫從機(jī)地址與讀寫位，等待OLED從機(jī)模塊應(yīng)答，寫入1 B數(shù)據(jù)/命令，等待OLED從機(jī)模塊應(yīng)答，寫入1 B數(shù)據(jù)/命令，等待OLED從機(jī)應(yīng)答，發(fā)送停止信號。

3.4 WiFi模塊

本文選用的WiFi模組為ESP-01，是基于ESP8266芯片的模塊，ESP8266的開發(fā)模式為AT指令開發(fā)方式。將封裝好WiFi的協(xié)議棧燒入ESP8266芯片中，可實現(xiàn)芯片內(nèi)部透傳，然后單片機(jī)通過串口給ESP8266發(fā)送相應(yīng)的AT指令即可控制模塊進(jìn)行不同的操作。STM32與WiFi模塊之間采用串口連接方式，由STM32發(fā)送AT指令來控制WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ESP8266在AP模式下能夠接入無線服務(wù)，從而完成與機(jī)智云的云端互聯(lián)[11]?；馂?zāi)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程如圖13所示。

3.5 機(jī)智云功能設(shè)計

機(jī)智云是面向開發(fā)者的一站式智能硬件開發(fā)平臺[12]，Gagent為機(jī)智云固件，是設(shè)備數(shù)據(jù)、機(jī)智云、遠(yuǎn)程端的數(shù)據(jù)交互橋梁。通過Gagent可以完成傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)硬件設(shè)備與云端和APP的通信。首先在機(jī)智云平臺創(chuàng)建產(chǎn)品和數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)點即火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端上的功能參數(shù)，在樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)終端軟件中包含6個數(shù)據(jù)點：報警狀態(tài)、供電系統(tǒng)、溫度值、溫度閾值、煙霧體積分?jǐn)?shù)百分比和煙霧體積分?jǐn)?shù)百分比閾值。創(chuàng)建完產(chǎn)品和數(shù)據(jù)點之后，將機(jī)智云生成的代碼移植到項目中。生成的代碼包含了對機(jī)智云通信協(xié)議進(jìn)行解析和封裝的功能，同時還實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換邏輯。在相應(yīng)的事件處理邏輯中添加傳感器控制函數(shù)之后，當(dāng)監(jiān)測端設(shè)備接收到來自云端或APP的數(shù)據(jù)時，遠(yuǎn)程終端即可實現(xiàn)與現(xiàn)場的信息交互，包括對現(xiàn)場照明的控制。機(jī)智云功能設(shè)計界面如圖14所示。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文最終實現(xiàn)了基于STM32與機(jī)智云的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。圖15為監(jiān)測端硬件系統(tǒng)實物。

在監(jiān)測端以外還設(shè)計了遠(yuǎn)程用戶端，遠(yuǎn)程用戶端在機(jī)智云APP上接收云端傳來的信息，可以查看樓宇中的溫度、甲烷等易燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)，同時根據(jù)樓宇所處位置以及區(qū)位特點，可在APP中靈活設(shè)置溫度和易燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)的報警閾值，當(dāng)實測值超過閾值時，會觸發(fā)現(xiàn)場的聲光報警和用戶端的振動報警，用戶可以遠(yuǎn)程關(guān)閉樓宇中的供電系統(tǒng)，避免電起火等原因?qū)е禄饎輸U(kuò)大。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的樓宇火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)樓宇應(yīng)用場景的特殊性，結(jié)合WiFi模塊可以較高效地完成數(shù)據(jù)上云以及實現(xiàn)和遠(yuǎn)程終端的信息交互，避免數(shù)據(jù)傳輸過程中遇到的信號阻礙問題。實驗表明，通過模擬火災(zāi)環(huán)境，當(dāng)點燃可燃物及其釋放易燃?xì)怏w時，傳感器可以準(zhǔn)確快速地感知到環(huán)境變化，并上傳實測數(shù)據(jù)；當(dāng)溫度、可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)超出設(shè)定閾值時，監(jiān)測端和遠(yuǎn)程終端及時報警。因此，相比于傳統(tǒng)的煙霧報警器，結(jié)合STM32和機(jī)智云的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)可以擴(kuò)大火災(zāi)監(jiān)測維度，對于現(xiàn)階段生產(chǎn)生活中的火災(zāi)預(yù)防來說，具有重要意義和實用價值。

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作者簡介：朱 壯（1997—），男，在讀碩士研究生，研究方向為過程監(jiān)控。

胡紹林（1964—），男，博士，教授，研究方向為系統(tǒng)安全、大數(shù)據(jù)、人工智能、導(dǎo)航與控制。

柯 燁（1995—），男，碩士，研究員，研究方向為人工智能。

收稿日期：2024-01-16 修回日期：2024-02-27

基金項目：廣東省自然科學(xué)基金（2023A1515012341）；茂名市自然科學(xué)基金項目（2020S004）