談敏,萬濱源
(江陰職業(yè)技術學院電子信息工程系,江蘇江陰,214405)
當火災發(fā)生時,正壓送風系統(tǒng)能夠?qū)μ由ǖ浪腿胱銐蛐迈r的空氣,使其氣壓高于外部氣壓,著火時產(chǎn)生的煙霧被排到樓梯外,使人員不會因為吸入有害的煙霧而窒息傷亡。建筑施工單位的住宿區(qū),由于是簡易工棚生活區(qū),不適合做永久、固定式的正壓送風消防安全設施,但是工人的生活水平隨著社會發(fā)展在逐步提高,生活區(qū)內(nèi)的各式生活用電設備的數(shù)量和種類也在逐年不斷地增加,因此,安全隱患也隨之而日益明顯。在建筑施工單位的管理過程中,若缺乏一套強有力的消防安全管理系統(tǒng)與科學的消防控制策略,則會產(chǎn)生大量的問題,進而影響施工的順利開展。本文結(jié)合適合的煙霧報警傳感器模塊與控制器等電路模塊設計的基于WIFI技術的移動正壓送風系統(tǒng),能夠?qū)づ锷顓^(qū)等簡易建筑的火警火情進行全天候有效地實施監(jiān)控,來確保消防安全。
本系統(tǒng)按照設備可分為下位機與上位機兩部分,上、下位機借助無線路由器構成局域網(wǎng),完成整個系統(tǒng)的無線連接成網(wǎng)。下位機由STC15單片機電路、MQ-2煙霧探測模塊、繼電器控制電路模塊、ESP8266WIFI無線傳輸模塊電路組成;上位機以電腦為載體,開發(fā)基于LabVIEW的應用軟件,進行上、下位機交互即遠程監(jiān)測控制[1]。系統(tǒng)整體結(jié)構框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構框圖
上位機即遠程報警及監(jiān)控端,使用電腦登陸無線路由器,通過TCP/IP協(xié)議接收來自單片機系統(tǒng)內(nèi)WIFI模塊向上位機所發(fā)送的采集信號;同時,上位機監(jiān)控軟件根據(jù)實時監(jiān)測狀況,通過無線路由器發(fā)送相應的控制指令,再借助 WIFI 模塊發(fā)送至單片機系統(tǒng),通過繼電器模塊控制相應電氣回路。為了實現(xiàn)遠程監(jiān)控及控制功能,則要采用ESP8266WiFi模塊。該無線傳輸模塊是一種嵌入式串口通信方式的WIFI 模塊產(chǎn)品,在物聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)可作組網(wǎng)之用。
通常,在設備系統(tǒng)運行過程中,代碼越復雜、繁瑣,常常會因為漏洞的純在而導致運行出現(xiàn)錯誤。為防止系統(tǒng)運行中出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象,本次設計的硬件電路遵循簡約的宗旨,已完成系統(tǒng)功能要求所需最少電路為原則。因此,在選擇核心部分時,將報警設備的可靠、穩(wěn)定作為選擇的最重要衡量指標之一。本設計采用STC15W4K56S4單片機作為報警及控制端,因為其為增強型8051CPU,速度快,內(nèi)置10位高速ADC,性價比非常高的,且能低電壓工作,耗較低,適合小型智能化設備的開發(fā)[2]。
ESP8266WiFi 模塊的供電電源為3.3V單電源,其內(nèi)置32位處理器,具有強大的處理和存儲能力,可以實現(xiàn)串口無線傳輸?shù)裙δ?,亦具有超低功耗的特點。本項目通過對WIFI模塊GPIO 引腳控制,將其應用于傳感器數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點。
WIFI 模塊原理圖如圖2所示,CHPD引腳接P3.5口,RET引腳接P3.6口,UTXD和URXD接P4.6和P4.7口即串口2。
煙霧傳感器能實現(xiàn)火災防范的重要依據(jù)是其能監(jiān)測煙霧的濃度值。目前,煙霧傳感器類型主要可分為:離子型和光電型兩大類煙霧傳感器型號。其中,前者的檢測原理是根據(jù)其內(nèi)部的電離子因煙霧粒子影響而造成其動態(tài)平衡電流發(fā)生變化而進行報警;后者的檢測原理是火災產(chǎn)生的煙霧粒子對其內(nèi)部的紅外光造成反射、折射進而產(chǎn)生報警。綜合比較上述兩者的特點,相較于光電式煙霧報警傳感器,離子煙霧報警傳感器對于體積相對較小的煙霧產(chǎn)生的顆粒靈敏度更高。
圖2 WIFI 模塊原理圖
此次設計采用了 MQ-2 離子型煙霧傳感器,其探測范圍相對較廣,穩(wěn)定性較好、靈敏度較高,且與系統(tǒng)的控制器接口電路相對簡易。煙霧傳感器模塊原理圖如圖3所示,數(shù)據(jù)引腳接穩(wěn)定輸出的上拉電阻后接P1.0口。
圖3 煙霧傳感器模塊原理圖
通常,工作電壓低的單片機控制系統(tǒng)其工作電流較小,因而,無法直接對大功率的用電設備進行驅(qū)動,所以,常常用繼電器作為單片機與用電設備的接口連接電路。通過控制單片機的輸出口的高、低控制電平,即可控制繼電器的連通,從而控制與其連接的電氣設備與回路。繼電器驅(qū)動模塊原理圖如圖4所示,單片機P2.6口控制繼電器通斷。
圖4 繼電器驅(qū)動模塊
本次設計為了配合相關硬件電路的工作,還與之配套地設計了上、下位機的相關軟件程序。下位機的軟件程序部分包含單片機系統(tǒng)程序、MQ-2 煙霧監(jiān)測器采集程序、WIFI 模塊的通信以及繼電器驅(qū)動程序。同時為了使本次設計有更好的人機對話和交互體驗,還自主設計了基于LabVIEW技術的火災自動報警監(jiān)測控制上位機軟件系統(tǒng)[3]。
ESP8266通過路由器連接上位機的實現(xiàn),連接上位機時ESP8266使用到的指令:
(1)將8266設置為STA模式: AT+CWMODE=1
(2)設置完之后重啟: AT+RST
(3)8266連接路由器發(fā)出的WiFi:AT+CWJAP=“WiFi名”,“WiFi密碼”
(4)啟動多連接: AT+CIPMUX=1
(5)建立server: AT+CIPSERVER=1
(6)通過協(xié)議、IP和端口連接服務器:
AT+CIPSTART=0,“TCP”,“192.168.1.1”,5000
(7)發(fā)送數(shù)據(jù)的長度: AT+CIPSEND=0,8
(8)發(fā)送數(shù)據(jù): 12345678
借助網(wǎng)絡調(diào)試助手,服務器可以通過監(jiān)聽窗口看到接收到的“12345678”字符串。至此,ESP8266WiFi 模塊連接到了由路由器構建的局域網(wǎng)中[4]。
下位機主流程圖如圖5所示。首先開始系統(tǒng)初始化,完成相關端口配置,同時將ESP8266WiFi模塊設置為服務器模式。
圖5 下位機程序主流程圖
系統(tǒng)終端采集的煙霧數(shù)據(jù)經(jīng)STC15單片機處理后,相關數(shù)據(jù)由串口2利用WIFI模塊通過無線路由傳輸給上位機正壓送風監(jiān)控系統(tǒng)。上位機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)實時顯示、記錄,同時根據(jù)閾值設定情況發(fā)送相應控制命令,STC15單片機接收并處理相關控制命令,如此循環(huán)往復[5]。下位機主流程
圖6 上位機拓撲結(jié)構圖
圖如圖5所示。
配合本系統(tǒng)工作的遠程火災自動監(jiān)測與控制在系統(tǒng)后臺內(nèi)置IP地址設置,以連接相應的路由器,并與各采集終端聯(lián)網(wǎng)構成采集系統(tǒng)網(wǎng)絡。主要工作界面包括閾值設置、當前采集數(shù)據(jù)顯示、煙霧報警顯示、數(shù)據(jù)存儲、調(diào)控等幾個方面。將當前系統(tǒng)時間和煙霧濃度進行顯示,并定時發(fā)送采集到的煙霧濃度數(shù)據(jù)。如果煙霧濃度過高則發(fā)出報警信號,即可控制風機與風門,進行正壓送風。并將煙霧濃度數(shù)據(jù)記錄在文本中[6]。上位機拓撲結(jié)構圖如圖6所示。
該系統(tǒng)以單片機為控制核心,一方面通過煙霧傳感器采集煙霧濃度參數(shù),另一方面通過WIFI模塊傳輸數(shù)據(jù)和接收控制命令。監(jiān)測與報警的工作流程是:煙霧傳感器采集濃度數(shù)據(jù),由單片機處理后,相關參數(shù)經(jīng)過 WIFI 模塊和無線路由器接入工作站,上位機客戶端應用軟件將下位機所采集到的煙霧濃度數(shù)值實時地進行波形顯示并進行文本記錄,當前煙霧濃度超過所預先設定的報警閾值時,上位機進行報警指示,應用軟件發(fā)送控制指令控制相應電氣回路工作,控制流程為,控制指令經(jīng)過無線路由器、WIFI模塊至下位機,下位機控制繼電器驅(qū)動正壓送風控制電氣回路動作,開啟相應的電氣設備。系統(tǒng)的工作運行圖如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)運行圖
當前系統(tǒng)采集的煙霧數(shù)值為236,高于系統(tǒng)設置的閾值230,上限報警燈亮起,同時同步發(fā)送了控制命令,接通繼電器模塊,開啟了正壓送風系統(tǒng),反之,則系統(tǒng)不動作。
同時,系統(tǒng)將相關的采集數(shù)據(jù)以文本形式記錄,以備日后查閱和調(diào)取。記錄格式如圖8所示。
圖8 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)記錄
本項目設計的基于WIFI的移動正壓送風系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng),其成本低廉,僅需 ESP8266WiFi模塊配合單片機外接煙霧傳感器,就可以很好地實現(xiàn)變復雜的工程布線為簡易的無線通信配置,硬件控制電路簡化,非常適合非固定式場所如簡易工棚等的移動消防所需,同時配合上位機監(jiān)控軟件可以實時、高效和準確的監(jiān)測。該系統(tǒng)可對火災做出有效控制,將火災損害降低,并能很好地克服了目前的固定式樓宇正壓送風系統(tǒng)的存在的應用局限性問題,對今后的智能樓宇的消防監(jiān)測以及疏散指示等系統(tǒng)的設計有很好的借鑒意義。