覃春武 朱劍鋒 李檳材 謝好 常梅芳

摘 要：為解決傳統(tǒng)安防系統(tǒng)存在的成本大與功耗大等問題，提出一種智能實(shí)用型的防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)由APP、管理終端、煙霧報(bào)警器組成;在APP可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)公寓樓每個(gè)房間的火情，根據(jù)火情溫度變化進(jìn)行智能預(yù)測(cè)生成安全的逃生路線;管理終端采用UPS不間斷電源實(shí)現(xiàn)掉電保持正常運(yùn)行。煙霧報(bào)警器自帶電池，由ZigBee定時(shí)采集數(shù)據(jù)并傳輸。該設(shè)計(jì)具有功耗低、實(shí)用性強(qiáng)、安裝便捷等特點(diǎn)，能為公寓樓提供高效的安全保障。

關(guān)鍵詞：防火監(jiān)測(cè);煙霧報(bào)警器;ZigBee;UPS不間斷電源;

1 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與高層建筑物的不斷增加，對(duì)公寓樓的智能防火監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。火災(zāi)事故的發(fā)生會(huì)對(duì)生命安全造成威脅，所以選擇一個(gè)智能的防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分重要。市面上的防火系統(tǒng)多數(shù)采用有線式，安裝及改造成本較大、維護(hù)難度高;雖然市面上也有采用無(wú)線式，但存在實(shí)用性較差、功耗高、短時(shí)間內(nèi)停電無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問題。本系統(tǒng)正好解決了這些問題，煙霧報(bào)警器采用光電檢測(cè)方式使其制造成本低與安裝便捷等優(yōu)點(diǎn) [3]。系統(tǒng)可在APP實(shí)時(shí)定位火情;系統(tǒng)均采用電池供電達(dá)到掉電運(yùn)行功能，具有功耗低、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其該系統(tǒng)更具有發(fā)展前景。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)管理終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由APP端、系統(tǒng)管理終端、煙霧報(bào)警器三部分組成。

系統(tǒng)管理終端也為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到多個(gè)煙霧報(bào)警器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，再通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)及手機(jī)端APP進(jìn)行顯示。當(dāng)采集到某房間的煙霧報(bào)警器節(jié)點(diǎn)發(fā)生煙霧彌漫或溫度超過(guò)閾值時(shí)蜂鳴器高聲報(bào)警，管理終端會(huì)通過(guò)GSM模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撥打電話給房東或小區(qū)物業(yè)管理，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理;可以根據(jù)公寓樓多個(gè)室內(nèi)溫度變化進(jìn)行智能預(yù)測(cè)生成安全逃生路線。系統(tǒng)管理終端采用UPS不間斷電源實(shí)現(xiàn)掉電運(yùn)行功能，當(dāng)市電停電后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的切換為備用電源來(lái)供電保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行，通過(guò)電壓檢測(cè)電路測(cè)量電池電量，防止電池過(guò)度放電導(dǎo)致?lián)p壞;當(dāng)市電恢復(fù)后則自動(dòng)的切換為市電供電，再自動(dòng)為電池進(jìn)行充電，充滿時(shí)自動(dòng)停止，有利于延長(zhǎng)電池使用的壽命。

手機(jī)端APP主要實(shí)現(xiàn)與安防管理終端的數(shù)據(jù)交互，用戶可以通過(guò)手機(jī)查詢公寓樓的煙霧與溫度情況，當(dāng)發(fā)生火情時(shí)可以快速查看火情位置以便從安全的路線快速逃生。煙霧報(bào)警器采用ZigBee作為無(wú)線傳輸煙霧與溫度數(shù)據(jù)，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集煙霧、溫度數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)的ZigBee協(xié)調(diào)器，從而傳輸至主控制器通過(guò)WiFi與云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)到手機(jī)端APP。

2.1.1 主控制器

智能安防系統(tǒng)的主控制器采用ST公司的STM32主流單片機(jī)，具有先進(jìn)的Cortex-M3架構(gòu)，數(shù)據(jù)處理快、傳輸速率高，具有ADC、DAC、DMA等豐富的內(nèi)部資源，比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)性價(jià)比高，因此開發(fā)起來(lái)較為便利，能夠快速地完成開發(fā)和投入市場(chǎng)。

2.1.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

系統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)傳輸均采用集成模塊，主要由WiFi、ZigBee、GSM無(wú)線模塊組成。

ESP8266無(wú)線模組，是由安信可自主開發(fā)的高性價(jià)比WiFi SoC模組，該系列模組擁有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/協(xié)議，并內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧。該模塊既可用以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的連接，也可以形成自己的網(wǎng)絡(luò)控制器，支持AT指令開發(fā)和SDK開發(fā)[1]。

ZigBee無(wú)線模塊使用億佰特電子公司自主研發(fā)的ZigBee自組網(wǎng)模塊E18-MS1， E18-MS1模塊采用TI公司的CC2530射頻芯片，內(nèi)部具備8051單片機(jī)及無(wú)線收發(fā)器，出廠自帶固件基于ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)的串口數(shù)據(jù)透?jìng)鳎褂肬ART通訊接口進(jìn)行串口指令通信，可以快速實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，具有自組網(wǎng)靈活、超低功耗等特點(diǎn)，低功耗模式下待機(jī)功耗小于2uA[2]。使用ZigBee技術(shù)的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)均具有功耗低、成本低、延時(shí)短、大容量、可靠性高等特點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)安防檢測(cè)的需求[2]。

GSM無(wú)線模塊采用SIM808模塊，該模塊是一款工業(yè)級(jí)且高性能的GSM、GPRS、GPS多功能模塊，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信、彩信、數(shù)據(jù)的傳輸[3]。模塊板載USB轉(zhuǎn)TTL串口電路并支持單獨(dú)TTL串口連接，使用AT指令進(jìn)行二次開發(fā)，具有移植性高、開發(fā)效率快等特點(diǎn)[4]。

2.2煙霧報(bào)警器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煙霧報(bào)警器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由電源穩(wěn)壓電路、STM32L0單片機(jī)、ZigBee模塊、傳感器檢測(cè)電路、指示燈與蜂鳴器報(bào)警電路組成。主控制器采用STM32L051C8T6單片機(jī)低功耗系列處理器，主控制器通過(guò)串口與ZigBee模塊進(jìn)行通訊，定時(shí)控制ZigBee模塊切換工作模式，當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)喚醒進(jìn)入工作模式，當(dāng)無(wú)需傳輸數(shù)據(jù)時(shí)則進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。為減少系統(tǒng)不必要的功耗，系統(tǒng)方案基本都采用低功耗方案設(shè)計(jì)，使得煙霧報(bào)警器可以超長(zhǎng)待機(jī)。

2.2.1 煙霧檢測(cè)方案

煙霧檢測(cè)采用紅外光電式檢測(cè)方案，采用紅外對(duì)射管實(shí)現(xiàn)光電式反射檢測(cè)原理，當(dāng)發(fā)射紅外光源時(shí)，處于正常情況下，紅外接收頭是無(wú)法接收到紅外光源的;當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙霧粒子進(jìn)入煙霧迷宮，光源就會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，從而導(dǎo)致紅外接收管的模擬電壓發(fā)生變化，煙霧越濃，模擬信號(hào)變化越大，從而能檢測(cè)出煙霧的濃度[5-10]。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)管理終端網(wǎng)關(guān)設(shè)備程序設(shè)計(jì)

安防系統(tǒng)的管理終端程序流程圖如圖3所示，系統(tǒng)初始化后開始控制ZigBee協(xié)調(diào)器建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，以及定時(shí)10秒采集電池電壓，防止電池過(guò)度放電導(dǎo)致?lián)p壞。使WiFi模塊連接至路由器與云平臺(tái)服務(wù)器，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接成功后將ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度智能預(yù)測(cè)，把檢測(cè)結(jié)果顯示在LCD屏幕并通過(guò)WiFi上傳至云平臺(tái)及手機(jī)端APP。電池電量采集部分采用節(jié)能式采集方法，當(dāng)需要測(cè)量電壓時(shí)再使能采集電路，采集完電壓后再斷開測(cè)量電路，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)節(jié)能采集，減少產(chǎn)生不必要的耗電。

3.2煙霧報(bào)警器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

安防系統(tǒng)的煙霧報(bào)警器程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示，系統(tǒng)初始化后即加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，主控STM32單片機(jī)采集煙霧、溫度、電池電壓等數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)管理終端的ZigBee協(xié)調(diào)器，如果采集的數(shù)據(jù)存在閾值異常，則啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警;采集與上傳數(shù)據(jù)后系統(tǒng)是處于空閑狀態(tài)，所以此時(shí)主控控制ZigBee模塊進(jìn)入待機(jī)模式，主控也進(jìn)入STOP模式，使用內(nèi)部RTC定時(shí)喚醒功能，定時(shí)3S喚醒與ZigBee模塊再次進(jìn)入數(shù)據(jù)采集上傳任務(wù)，以此輪詢實(shí)現(xiàn)低功耗的煙霧檢測(cè)功能。

4結(jié)論

本設(shè)計(jì)結(jié)合了電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)等結(jié)合實(shí)現(xiàn)了一套智能防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)管理終端采用UPS不間斷電源，以確保系統(tǒng)斷電也能正常的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，完成了低功耗的無(wú)線遠(yuǎn)程煙霧實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，智能預(yù)測(cè)室內(nèi)溫度變化，以實(shí)現(xiàn)火情智能逃生路線的實(shí)用功能。使用煙感與溫感雙重檢測(cè)火情，使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性與可靠性等優(yōu)勢(shì)，且系統(tǒng)的功耗低、實(shí)用性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可為公寓樓提供高效的安全保障。

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作者簡(jiǎn)介：

覃春武（2000-），男，壯族，廣西宜州人，北部灣大學(xué)本科在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)

通訊作者簡(jiǎn)介：

朱劍鋒（1986-），男，漢族，廣西陸川人，碩士，講師，研究方向：傳感技術(shù)及信號(hào)處理

基金項(xiàng)目：2021年廣西壯族自治區(qū)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：S202111607033）。