柳 云 龍

(蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所, 甘肅 蘭州 730070)

?

基于Arduino的無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柳 云 龍

(蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所, 甘肅 蘭州 730070)

針對(duì)傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)不能提前對(duì)有安全隱患的環(huán)境進(jìn)行預(yù)警和安裝布線不便的問題,設(shè)計(jì)了一種基于Arduino的無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),節(jié)點(diǎn)采用無線傳輸方式并增加了預(yù)警功能,闡述了無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)流程。測(cè)試結(jié)果表明,基于Arduino的無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)溫度、可燃?xì)怏w濃度及有無明火實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并滿足預(yù)警需求。

無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng); 環(huán)境監(jiān)測(cè); 無線傳輸; 預(yù)警

0 引 言

近年來,城市火災(zāi)發(fā)生的數(shù)量不斷地上升,造成極大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[1]。大型綜合性建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警節(jié)點(diǎn)采用有線布置方式,成本高且布線不易,有時(shí)不能或不便于覆蓋建筑物的所有區(qū)域,僅在火災(zāi)發(fā)生時(shí)進(jìn)行報(bào)警,不能對(duì)存在火災(zāi)隱患的環(huán)境進(jìn)行預(yù)警[2]。

1 系統(tǒng)組成

火災(zāi)主要由明火、可燃?xì)怏w濃度太高、溫度太高三方面的原因引起的。因此,監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要監(jiān)測(cè)這三方面數(shù)據(jù)。無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由空氣溫度傳感器、可燃?xì)怏w濃度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒂性捶澍Q器、Arduino控制板以及無線串口發(fā)送模塊組成。其中,Arduino控制板是整個(gè)系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)處理傳感器采集到的環(huán)境信息,控制蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)頻率的聲音報(bào)警,并把采集到的信息通過無線傳輸模塊發(fā)送到上位機(jī)。設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)主要對(duì)溫度、可燃?xì)鉂舛纫约坝袩o明火進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制板

設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)采用Arduino UNO R3控制板[3],核心是ATmega328,具有6路模擬量輸入接口和14路數(shù)字量輸入/輸出接口(其中6路可以作為PWM輸出),具有定時(shí)器功能,同時(shí)相應(yīng)的IDE帶有功能強(qiáng)大的庫函數(shù),開發(fā)成本低。該控制板抗干擾能力強(qiáng),穩(wěn)定性高,滿足節(jié)點(diǎn)布置監(jiān)測(cè)環(huán)境的需求。

2.2 傳感器模塊

溫度監(jiān)測(cè)范圍設(shè)定為40 ℃以上,采用DS18B20溫度傳感器,溫度測(cè)試范圍為-55～125 ℃,采用單總線數(shù)據(jù)格式,可以滿足節(jié)點(diǎn)溫度檢測(cè)的需求[4]。

節(jié)點(diǎn)主要監(jiān)測(cè)的可燃?xì)怏w是液化石油氣(以家用的灌裝液化氣氣體組成為基準(zhǔn))。液化石油氣的主要成分是丙烷和丁烷,當(dāng)氣體濃度>5 000×10-6時(shí)就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn),當(dāng)氣體濃度>3 000×10-6時(shí)就有可能產(chǎn)生安全隱患,正常環(huán)境下空氣中的氣體濃度為1 000～3 000×10-6,因此可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)使用MQ-2可燃?xì)怏w傳感器模塊。當(dāng)傳感器處于一定濃度的可燃?xì)怏w環(huán)境中時(shí),可以通過輸出的模擬信號(hào)獲取環(huán)境的可燃?xì)怏w濃度值,同時(shí)可以準(zhǔn)確排除有刺激性但非可燃性氣體的干擾信息。MQ-2模塊液化石油氣濃度檢測(cè)范圍為100～10 000×10-6,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

火焰?zhèn)鞲衅髂K用于明火檢測(cè),探測(cè)角度約為60°,可以根據(jù)不同環(huán)境、不同需求調(diào)節(jié)靈敏度,并通過檢測(cè)模塊輸出接口的電平信息及時(shí)準(zhǔn)確地確定是否有明火。

1）以品農(nóng)家菜、嘗漁家鮮為主的農(nóng)（漁）家樂類型。如沙沙灘農(nóng)家莊園和興昌漁村。沙沙灘農(nóng)家莊園位于烏審旗，主要提供“吃農(nóng)家飯、住農(nóng)家屋、干農(nóng)家活、享農(nóng)家樂”等活動(dòng)項(xiàng)目，是首批自治區(qū)五星級(jí)鄉(xiāng)村旅游接待戶。位于達(dá)拉特旗樹林召鎮(zhèn)的興昌漁村，是在黃河南岸集漁業(yè)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)觀光、休閑采摘和特色餐飲于一體的漁家樂，2015年被國家旅游局評(píng)為“中國鄉(xiāng)村旅游金牌農(nóng)家樂”。

另外,設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)不同的報(bào)警原因發(fā)出不同的報(bào)警聲,故使用有源蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

2.3 無線傳輸模塊

無線傳輸應(yīng)當(dāng)保證相應(yīng)使用環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。APC220無線傳輸模塊可以根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)節(jié),滿足不同環(huán)境下的傳輸要求,如空曠地帶可以采用較低的發(fā)射功率,多墻體結(jié)構(gòu)環(huán)境下采用高功率發(fā)射,以保證傳輸穩(wěn)定、可靠。通信數(shù)據(jù)采用循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼,抗干擾和靈敏度良好。該模塊在空曠地帶1 000 m內(nèi)可以穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù),內(nèi)置看門狗,保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。APC220模塊與單片機(jī)的連接如圖2所示。

APC220采用半雙工的通信通道,可以完成點(diǎn)對(duì)多的通信方式。首先設(shè)置一個(gè)主站,其余為

圖2 APC220模塊與單片機(jī)的連接

從站,所有站點(diǎn)都有唯一地址。數(shù)據(jù)幀都帶有地址碼,若地址碼相同則接收,否則不接收。

因采用無線傳輸方式,若串口速率大于空中速率,則可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象,因此應(yīng)當(dāng)保證串口速率不大于60%的空中速率。普通環(huán)境的空中速率大約為4 800 b/s,串口速率設(shè)為9 600 b/s,每次發(fā)送100 Byte的數(shù)據(jù),發(fā)送時(shí)間約為104 ms,則串口每次發(fā)送的間隔時(shí)間應(yīng)在347 ms以上。

2.4 供電系統(tǒng)

無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用9 V碳性電池進(jìn)行供電,經(jīng)DC-DC降壓模塊降壓后(5 V)為單片機(jī)供電。

2.5 節(jié)點(diǎn)布置方案

節(jié)點(diǎn)主要針對(duì)可燃?xì)怏w濃度、溫度、明火三方面的環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè),其中采集到的溫度、可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)為節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境的相關(guān)信息,不影響節(jié)點(diǎn)的布置。由于采用的是無線布置方案,無需考慮布線問題,因此節(jié)點(diǎn)的布置主要考慮明火檢測(cè)的問題。

采用的火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測(cè)角度為60°,監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布置于屋頂上,以3 m的層高為例,節(jié)點(diǎn)明火監(jiān)測(cè)范圍如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)明火監(jiān)測(cè)范圍(mm)

圖3(a)中,監(jiān)測(cè)范圍為地面至距地面1 m之間時(shí),火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)應(yīng)到地面的監(jiān)測(cè)半徑R1=H1tan30°=1.73 m,對(duì)應(yīng)的覆蓋面積S1=πR1=9.4 m2≈10 m2;對(duì)應(yīng)到距離地面1 m,即距離屋頂2 m的位置上時(shí),監(jiān)測(cè)半徑R2=H2tan30°=1.15 m,對(duì)應(yīng)的覆蓋面積S2=πR2=4.2 m2≈5 m2。該布置方式監(jiān)測(cè)面積最小,但靈敏度最高。

圖3(b)中,傳感器檢測(cè)的最遠(yuǎn)距離T1=H1cos30°=6 m,在火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)范圍內(nèi);R3=H1tan60°=5.2 m,監(jiān)測(cè)面積最大,但靈敏度較低。

在實(shí)際布置節(jié)點(diǎn)時(shí),應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同環(huán)境的不同需求進(jìn)行相應(yīng)布置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

火災(zāi)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測(cè)和分析,根據(jù)不同情況的報(bào)警處理,采集數(shù)據(jù)的無線傳輸及監(jiān)控。軟件整體流程如圖4所示。

圖4 軟件整體流程

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)在供電后首先進(jìn)行硬件的初始化操作。由于火災(zāi)發(fā)生的危險(xiǎn)度一般是按明火、濃度、溫度的順序逐級(jí)遞減,因此軟件也進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)、報(bào)警、預(yù)警。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)必須在火災(zāi)發(fā)生的第一時(shí)刻報(bào)警,當(dāng)環(huán)境恢復(fù)正常后報(bào)警應(yīng)立刻停止,因此設(shè)定每1 s執(zhí)行一次檢測(cè)。

設(shè)計(jì)的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)是針對(duì)節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境的預(yù)警功能,因明火檢測(cè)的特殊性,不存在對(duì)明火的預(yù)警,只對(duì)濃度以及溫度檢測(cè)進(jìn)行預(yù)警。

預(yù)警功能是通過設(shè)定預(yù)警值及相應(yīng)的預(yù)警檢測(cè)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)連續(xù)超過預(yù)警值,并在預(yù)警時(shí)間內(nèi)未恢復(fù)正常,則進(jìn)行預(yù)警;當(dāng)在預(yù)警時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常,則不進(jìn)行預(yù)警,下一次預(yù)警重新開始計(jì)時(shí)。

當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過預(yù)設(shè)定的報(bào)警值時(shí),直接通過蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)聲音的報(bào)警聲,直到恢復(fù)正常后停止;若可燃?xì)怏w濃度沒有達(dá)到報(bào)警值,則繼續(xù)檢測(cè)是否達(dá)到預(yù)警值,若達(dá)到預(yù)警值,則開始進(jìn)行計(jì)時(shí)。預(yù)警檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為10 min,在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)若可燃?xì)怏w濃度一直處于預(yù)警值以上報(bào)警值以下的狀態(tài),則發(fā)出相應(yīng)的頻率預(yù)警聲,同時(shí)可以在上位機(jī)監(jiān)測(cè)到預(yù)警的原因;若在預(yù)警檢測(cè)時(shí)間內(nèi)可燃?xì)怏w濃度值超過報(bào)警值,則直接報(bào)警;若在指定時(shí)間內(nèi)環(huán)境恢復(fù)正常,則計(jì)時(shí)器清零,不進(jìn)行預(yù)警;若可燃?xì)怏w濃度未達(dá)到報(bào)警值及預(yù)警值,則繼續(xù)進(jìn)行溫度的檢測(cè)。

溫度檢測(cè)與可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)流程如圖5所示。

圖5 溫度檢測(cè)與可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)流程

明火、溫度、可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)采用不斷循環(huán)的方式進(jìn)行,保證環(huán)境數(shù)據(jù)的及時(shí)采集、處理,當(dāng)危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)及時(shí)報(bào)警,當(dāng)環(huán)境恢復(fù)正常時(shí)報(bào)警隨之停止,完全自動(dòng)處理,無需要人為干預(yù)。

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì),主要完成對(duì)傳感器收集到的環(huán)境信息實(shí)時(shí)顯示以及記錄,同時(shí)當(dāng)環(huán)境存在隱患和危險(xiǎn)時(shí)在上位機(jī)也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境異常的原因?；馂?zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面如圖6所示。當(dāng)危險(xiǎn)或隱患發(fā)生時(shí),相應(yīng)的故障燈會(huì)點(diǎn)亮,同時(shí)在預(yù)警/報(bào)警原因框中會(huì)顯示環(huán)境異常的原因。當(dāng)不使用上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的情況下,節(jié)點(diǎn)仍可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警功能。

圖6 火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

4 試驗(yàn)測(cè)試

節(jié)點(diǎn)通電運(yùn)行后,上位機(jī)可以實(shí)時(shí)接收到各傳感器采集到的數(shù)據(jù),包括溫度、可燃?xì)怏w濃度及有無明火。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

次數(shù)檢測(cè)溫度/℃真實(shí)溫度/℃檢測(cè)濃度/×10-6真實(shí)濃度/×10-612424.323630375522827.853745368332828.0235073679

由表1可知,因?yàn)樯衔粰C(jī)溫度僅顯示整數(shù)部

分,檢測(cè)溫度與真實(shí)溫度相近,檢測(cè)準(zhǔn)確;可燃?xì)怏w濃度受溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境因素影響較大,在不同時(shí)刻數(shù)值容易發(fā)生變化,但變化在允許范圍內(nèi),可滿足節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)環(huán)境的溫度、可燃?xì)鉂舛纫约懊骰疬M(jìn)行相關(guān)的實(shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警,并可對(duì)安全隱患進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)警,在PC上方便查看環(huán)境數(shù)據(jù),同時(shí)系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式,解決了布線以及線路損毀等問題。與現(xiàn)有的傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警節(jié)點(diǎn)相比,整個(gè)節(jié)點(diǎn)具有采集精度高、穩(wěn)定性好、成本低、程序易于開發(fā)等特點(diǎn),滿足火災(zāi)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的要求。

由于火災(zāi)環(huán)境的特殊性,仍有可能存在火災(zāi)誤報(bào)等問題,可通過綜合環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,以提高報(bào)警的準(zhǔn)確度。

[1] 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范:GB 50016—2014[S].

[2] 王覓蕤,馬維金,萬曉飛.家庭廚房安全綜合報(bào)警系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(13):145-147.

[3] 李明亮.Arduino項(xiàng)目DIY[M].北京:清華大學(xué)出版社,2015.

[4] 崔陽,張維華,白云峰.一種基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(4):123-125.

Design of Wireless Fire Monitoring System Based on Arduino

LIU Yunlong

(Institute of Mechanical and Electrical Technology, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Aiming at that the node of traditional fire alarming system can not have the advanced warning of environmental risks and the installation and wiring are inconvenient,this paper designed a kind of wireless node for fire environment monitoring system based on Arduino.The node of fire monitoring system uses the wireless transmission mode and has a warning function.The hardware design and software design process of wireless fire monitoring system were elaborated.The testing results show that the wireless fire monitoring system based on Arduino can real-timely monitor the temperature,combustible gas concentration and open flame,and can meet the warning demands.

wireless fire monitoring system; environment monitoring; wireless transmission; warning

柳云龍(1991—),男,碩士研究生,從事控制技術(shù)與軟件工程方面的工作。

TU 892

B

1674-8417(2016)08-0017-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.08.005

2016-04-15