高曉靈，陳世義，唐紅濤，周 林

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

隨著人們生活水平的提高，消防安全的意識不斷完善，商業(yè)建筑和工業(yè)建筑對于防火閉門器的需求不斷增長。防火閉門器功能類似一個彈簧液壓器，通過一定的機械結構，開門時能存儲彈簧壓縮的能量，關門時，只要一點力使它釋放彈簧存儲的能量就能夠達到關門的效果[1-2]。它主要應用于商業(yè)建筑和公共建筑，實際作用是發(fā)生火災時用來隔絕火災現(xiàn)場，限制建筑物的通風，有效減小火勢。步入21世紀以來，在許多公共建筑中的各個重要關口的門上，都有必要配置閉門器來隔絕煙霧和防止火災的擴散，然而很多建筑并沒有安裝。因此，閉門器無論是翻新還是安裝在新的門上，都有巨大的潛在市場[3]。

目前在防火閉門器的控制領域大多還停留在單純的機械與簡單電路控制階段，而遠程控制才剛剛起步。國內外學者對閉門器的遠程控制展開研究，取得了一些成果[4-5]，但大多沒有以移動客戶端作為控制平臺，難以隨時隨地監(jiān)控閉門器的狀態(tài)，導致突發(fā)火災時，由于種種原因沒來得及關門，造成不必要的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此本設計將閉門器與移動互聯(lián)網(wǎng)技術結合，利用移動客戶為操作平臺，研發(fā)了一套能在移動端遠程監(jiān)控的防火閉門器系統(tǒng)，推動了閉門器領域的升級，促進了遠程智能化控制的完善。

1 閉門器系統(tǒng)的總體方案設計

筆者以閉門器為控制對象，利用Android移動客戶端[6]作為操作控制平臺，通過WiFi傳輸[7]控制命令和數(shù)據(jù)信息，利用STM32單片機芯片為核心的控制電路處理WiFi傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，實現(xiàn)對閉門器的遠程智能控制[8]，實時獲取閉門器的狀態(tài)，將其反饋到移動客戶端并顯示。

閉門器系統(tǒng)包括移動客戶端的控制界面設計、手機與WiFi模塊通信，串口/WiFi模塊配置，單片機控制電路，閉門器硬件等。系統(tǒng)的總體控制方案如圖1所示。

圖1 閉門器總體控制方案

閉門器端，主要分為閉門器本體和輔助部件。其中，底座和滑塊構成閉門器本體，連桿、滑槽和固定裝置構成輔助部件。控制模塊主要由電源模塊供電，WiFi模塊通過串口來傳送數(shù)據(jù)到單片機電路，單片機根據(jù)接收的信息來改變輸出端口的電平，最后控制繼電器的通斷電。移動客戶端的開發(fā)要求為操作者提供一個良好的人機交互界面以及與WiFi模塊的實時通信，最終實現(xiàn)在移動端遠程監(jiān)控閉門器。

2 閉門器基本結構

閉門器基本結構主要分為閉門器本體、連桿、滑槽和固定裝置，總體結構如圖2所示。

圖2 閉門器的總體結構

滑塊固定在滑槽里，滑槽固定在門框上。由滑塊連接的連桿與門板相連，開門時門板帶動連桿，連桿帶動滑塊運動。閉門器底座由電磁鐵、凸臺、彈簧、吸板和固定塊等組成，如圖3所示。

圖3 閉門器本體的底座

閉門器滑塊中有一個小凹槽，當滑塊滑動到某個位置時，凹槽和凸臺咬合，就能保持閉門器的常開。當需要關門時，遠程控制發(fā)出指令，控制繼電器失電，使得電磁鐵失去吸力，從而松掉底座上面的鐵板。與鐵板相連的凸臺在彈簧力的作用下會往上運動，使得它脫離凹槽，滑塊可以在滑槽滑動，從而使得門關閉。另外，閉門器底座的凸臺右側并不是完全垂直的，有一定的角度，這樣是當人使用不大的外力時，也可以使凸臺和滑塊脫離咬合狀態(tài)，這樣就能實現(xiàn)外力關門的功能。閉門器滑塊和凸臺的咬合示意圖如圖4所示。

圖4 閉門器滑塊和凸臺咬合示意圖

3 閉門器控制模塊設計

本研究設計了一個以單片機芯片為控制核心，用串口/WiFi模塊來通信，以繼電器為閉門器的動作發(fā)生器的控制模塊。單片機芯片選用STM32單片機芯片，與51單片機芯片相比，功能更加強大，一次能處理32位的數(shù)據(jù)，處理速度快，還具有更快的實施應用和聯(lián)網(wǎng)設備同步通信的響應速度。WiFi模塊選用的是USR-215WiFi模塊，它與一般WiFi模塊相比，體積小功率低，只需要簡單配置，即可實現(xiàn)UART設備聯(lián)網(wǎng)功能。

控制模塊的控制原理是WiFi模塊接收到從手機APP上發(fā)來的信號，經(jīng)過WiFi模塊處理后，按要求通過串口發(fā)送字符串”close”或”open”，然后配置STM32f103c8t6芯片串口1與一個D0腳，通過串口1接收串口信號，處理后給出改變該D0口電平，以此電平信號來改變繼電器的線圈得電、失電狀態(tài)，從而控制外圍電路的開斷情況。控制原理如圖5所示。

圖5 控制模塊的控制原理圖

硬件電路中的電源模塊為整個控制電路供電，它是一個220 VAC轉5 VDC的電源模塊。其5 V輸出作為兩個部分使用，一部分作為繼電器的驅動電源，另一部分是通過一個3.3 V穩(wěn)壓模塊將5 V轉為3.3 V，給WiFi模塊以及STM32f103c8t6芯片供電(所有模塊共一個地線)。

WiFi模塊及其外圍電路如圖6所示，通過WiFi接收來自手機APP的信號，處理后，通過其自帶的串口引腳(5腳-RXD、6腳-TXD)輸出信號，將其引腳與處理芯片的串口(PA9腳-RXD、PA10腳-TXD)連接，使其信號發(fā)送到芯片。

經(jīng)過芯片處理后，通過設定的D0口(PB0)、輸出電平信號，若為高電平(對應close)則繼電器失電，外圍電路斷開，防火門關閉。

繼電器及其驅動電路如圖7所示。繼電器配置的驅動電路，根據(jù)芯片的D0口的輸出電平來動作，若繼電器失電，與其連接的電磁鐵失去吸力，在彈簧力的作用下帶動凸臺上升，從而門由開啟狀態(tài)變?yōu)殛P閉。

圖6 WiFi模塊及其外圍電路

圖7 繼電器及其驅動電路

4 閉門器軟件控制的實現(xiàn)

閉門器軟件控制的實現(xiàn)分為Android移動客戶端的開發(fā)和控制模塊中的STM32單片機的程序開發(fā)?；赪iFi模塊通信服務端的數(shù)據(jù)傳輸，Android移動客戶端能向控制模塊發(fā)送遠程控制指令，從而實現(xiàn)閉門器的遠程智能控制。單片機程序主要包括功能模塊的數(shù)據(jù)初始化配置和處理相應的移動客戶端發(fā)出的指令，然后輸出高低電平來控制閉門器。

為了實現(xiàn)移動客戶端和WiFi模塊的遠程數(shù)據(jù)接收以及指令發(fā)送，通信采用Socket編程，通信協(xié)議為TCP協(xié)議，利用該函數(shù)與協(xié)議完成發(fā)送指令以及數(shù)據(jù)接收的功能。在信息傳輸?shù)倪^程中有通信服務的建立、數(shù)據(jù)的交換和通信連接的釋放3個主要階段。

Android客戶端界面如圖8所示。主界面為控制界面，能實時監(jiān)控常開閉門器，該界面設有閉門器當前狀態(tài)欄和故障信息欄。連接界面通過輸入IP地址能實現(xiàn)與WiFi模塊的通信，擴展界面能完成一些個性化設置并支持第三方擴展功能。

圖8 Android客戶端界面

編寫STM32單片機程序使其能讀取WiFi模塊通過串口傳輸?shù)腁PP操作指令，并將該指令以高低電平的形式輸出。

在單片機程序設計中，遵循程序設計思路的一般規(guī)律，采用模塊化設計思想對程序進行分模塊設計。程序的編寫主要包括串口的初始化配置，UART模塊的配置，波特率參數(shù)的設定，串口數(shù)據(jù)傳輸過程中中斷配置和一些外設引腳的設置等。相應的部分程序如下：

int main(void)

{

Rx_Count = 0;

memcpy(ReceiveDate,"0x00",1024);

SystemInit(); //系統(tǒng)時鐘配置

Init_NVIC(); //中斷向量表注冊函數(shù)

Init_LED(); //各個外設引腳配置

Init_Usart(); //串口引腳配置

Usart_Configuration(115200); //串口配置；設置波特率為115200

JDQ = 0;

while(1) {

if(Rx_Count)

{

if(strcmp(open,(const char*)ReceiveDate)==0)

{

JDQ = 1;

}

if(strcmp(close,(const char*)ReceiveDate)==0)

{

JDQ = 0;

}

memcpy(ReceiveDate,"0x00",1024);

Rx_Count = 0;

}

Delay_Ms(200);

}

}

5 結論

針對閉門器監(jiān)控系統(tǒng)做整體設計架構并對其做詳細分析，完成了基于移動互聯(lián)網(wǎng)閉門器系統(tǒng)的硬件和軟件設計，主要有閉門器的機械結構設計，硬件電路設計，Android客戶端的開發(fā)以及單片機程序的編寫。調試結果達到了預期的效果，在手機移動客戶端上對閉門器實現(xiàn)遠程控制以及狀態(tài)的監(jiān)控，完成了單個的點對點控制。本文進行的基于移動互聯(lián)網(wǎng)的防火閉門器結構和監(jiān)控系統(tǒng)設計，不僅僅是對閉門器領域的升級，更是對智能化管理的促進和完善。