吳曉紅 石麗梅 黃振興

摘? 要：為有效預(yù)防和監(jiān)控電動(dòng)車充電樁的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的火災(zāi)情況，文章設(shè)計(jì)了一種以STM32F103C8T6單片機(jī)平臺(tái)為核心，通過系統(tǒng)處理顯示具體環(huán)境，當(dāng)傳感器模塊獲得的信息值超過系統(tǒng)設(shè)定的安全閾值，驅(qū)動(dòng)模塊會(huì)通過液晶顯示屏顯示當(dāng)前溫度、火焰、煙霧等信息，并及時(shí)地通過LED燈和蜂鳴器進(jìn)行提醒，然后再把數(shù)據(jù)通過Wi-Fi傳到上位機(jī)觀察，完成整個(gè)火災(zāi)監(jiān)控和報(bào)警的過程。

關(guān)鍵詞：STM32F103C8T6單片機(jī);火災(zāi);煙霧報(bào)警

中圖分類號(hào)：TN873;TP368.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）01-0171-04

Design and Implementation of Fire Alarm System Based on STM32F103C8T6 Single Chip Microcomputer

WU Xiaohong，SHI Limei，HUANG Zhenxing

（Guangdong Ocean University，Zhanjiang? 524088，China）

Abstract：In order to effectively prevent and monitor the fire situation in the practical application environment of electric vehicle charging pile. In this paper，a STM32F103C8T6 single chip microcomputer platform is designed as the core，and the specific environment is displayed through the system processing. When the information value obtained by the sensor module exceeds the safety threshold set by the system，the driver module will display the current temperature，flame，smoke and other information through the LCD，and timely remind through the LED light and buzzer，then the data is transmitted to the upper computer for observation through Wi-Fi to complete the whole process of fire monitoring and alarm.

Keywords：STM32F103C8T6 single chip microcomputer;fire;smoke alarm

0? 引? 言

隨著電動(dòng)車的不斷普及，我國電動(dòng)車充電樁數(shù)量呈現(xiàn)出翻倍增長趨勢。而充電樁在充電過程中起火事件頻頻發(fā)生，特別是在無人監(jiān)控的區(qū)域或夜晚，一旦發(fā)生將會(huì)對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來重大隱患。目前火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用較少，特別是在居民區(qū)、學(xué)校等區(qū)域的電動(dòng)車充電樁特別容易出現(xiàn)問題[1]。更不用說針對(duì)這些區(qū)域?qū)﹄妱?dòng)車充電樁火災(zāi)進(jìn)行報(bào)警的系統(tǒng)，因此為了規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、提前發(fā)現(xiàn)和預(yù)防火災(zāi)，這里設(shè)計(jì)了一款用于監(jiān)測電動(dòng)車充電樁在充電過程中是否發(fā)生火災(zāi)以及發(fā)生火災(zāi)時(shí)及時(shí)報(bào)警的系統(tǒng)，這對(duì)于預(yù)防火災(zāi)是非常有意義的。

1? 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

基于STM32F103C8T6單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是以電動(dòng)車充電樁為實(shí)際應(yīng)用背景，它具有應(yīng)用場景更廣、功能更加完善、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢，不僅可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，還可以通過一定技術(shù)處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)監(jiān)測進(jìn)行閾值調(diào)整的功能，故本產(chǎn)品具有很好的發(fā)展前景和實(shí)際應(yīng)用意義。根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用背景和應(yīng)用需求進(jìn)行總體功能分析，可以分兩個(gè)應(yīng)用場景進(jìn)行描述：

（1）在未出現(xiàn)火災(zāi)的正常情況下，顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度、煙霧、火焰值，并且綠色提示燈一直保持亮著的狀態(tài)，Wi-Fi模塊保持通信，還可以通過按鍵實(shí)時(shí)設(shè)置報(bào)警值。所以，為了實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的功能，就必然需要用到煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、溫度傳感器、液晶顯示器、Wi-Fi模塊。因?yàn)闊熿F傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中煙霧濃度變化的感知，火焰?zhèn)鞲衅骺梢詫?duì)環(huán)境中的火焰大小進(jìn)行識(shí)別，還有溫度傳感器也是必不可少的。

（2）當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地識(shí)別火災(zāi)，同時(shí)顯示屏可以顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度、火焰、煙霧實(shí)時(shí)變化的值，并且紅色提示燈會(huì)亮，蜂鳴器會(huì)響，Wi-Fi模塊可以保持通信。除此之外，系統(tǒng)還需要一個(gè)可以通過按鍵進(jìn)行調(diào)整火災(zāi)報(bào)警的閾值的功能。

2? 系統(tǒng)整體模塊設(shè)計(jì)

為了更快、更精確地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和對(duì)火災(zāi)進(jìn)行及時(shí)有效的報(bào)警，系統(tǒng)功能需求由多個(gè)子模塊協(xié)作完成。通過對(duì)系統(tǒng)的整體功能進(jìn)行分析得出，系統(tǒng)子模塊需要由STM32F103C8T6單片機(jī)小系統(tǒng)模塊、液晶顯示模塊、溫度傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、煙霧傳感器模塊、ESP8266模塊、蜂鳴提示模塊、LED指示燈模塊等共同組成。系統(tǒng)整體模塊設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

通過系統(tǒng)的整體模塊設(shè)計(jì)可以看出，系統(tǒng)需要將溫度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞑杉降男畔⒆鳛閿?shù)據(jù)輸入到STM32F103C8T6單片機(jī)控制處理器，STM32F103C8T6單片機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，驅(qū)動(dòng)液晶顯示屏進(jìn)行顯示，通過LED燈和蜂鳴器進(jìn)行有效的報(bào)警，然后再把數(shù)據(jù)通過Wi-Fi傳到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)控和報(bào)警的過程。

3? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要綜合考慮方案可行性、成本、耐用性、操作性等因素。這里只介紹部分硬件電路設(shè)計(jì)。

3.1? 單片機(jī)控制電路

STM32系列單片機(jī)具有高性能、高速率、低成本、低功耗，集成度高、工具易用、可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛使用[2]。所以系統(tǒng)選擇使用STM32F103C8T6單片機(jī)作為系統(tǒng)控制處理器，配合使用其他各種功能模塊進(jìn)而實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的各種功能。STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主要包括STM32F103C8T6芯片、晶振電路、復(fù)位電路、啟動(dòng)模式電路[3]等。

3.2? 火焰?zhèn)鞲衅麟娐?/p>

在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中火焰?zhèn)鞲衅餍枰獫M足可以識(shí)別火焰的功能，要求準(zhǔn)確性要高。此外還需要注意現(xiàn)實(shí)中常見的火焰波長在880 nm左右，因此在選擇火焰?zhèn)鞲袝r(shí)，其感應(yīng)到的火焰大小值需要包含該值[4]。本系統(tǒng)選用的MH-Sensor-Series火焰?zhèn)鞲衅髌鋬r(jià)格低，探測波長為700～1 000 nm、探測角度為60度、可以有效地識(shí)別火焰，具有較好的穩(wěn)定性?；鹧?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測電路如圖2所示。

當(dāng)靠近火焰時(shí)，紅外發(fā)射管導(dǎo)通，此時(shí)VCC經(jīng)過電阻R1后經(jīng)過紅外發(fā)射管后直接接地，那么到達(dá)引腳3處AC端的電壓值變小，INA+變小，反之當(dāng)遠(yuǎn)離火焰或者火焰強(qiáng)度變小時(shí)，紅外發(fā)射管慢慢斷開，此時(shí)相當(dāng)于電源VCC經(jīng)過一個(gè)電阻后直接接到引腳3處，此時(shí)AC端得到的電壓比較大，那么INA+變大，從而輸出到STM32單片機(jī)的值就會(huì)變大。

3.3? 煙霧模塊監(jiān)測電路

系統(tǒng)煙霧傳感器需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地采集到環(huán)境中煙霧濃度。系統(tǒng)選用的MQ-2煙霧傳感器模塊具有響應(yīng)速度快、壽命長、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛使用[5]。系統(tǒng)監(jiān)控MQ-2煙霧濃度電路如圖3所示。

MQ-2器件的引腳4和引腳6為輸出信號(hào)引腳，RL3為MQ-2的內(nèi)部電阻。當(dāng)氣體濃度上升時(shí)，電阻RL3將變小。而電阻RL3的減小則使得MQ-2的引腳4和引腳6對(duì)地輸出的電壓變大。所以隨著氣體濃度慢慢變大時(shí)，其輸出的電壓也會(huì)跟著增大，當(dāng)氣體濃度降低時(shí)，其輸出的電壓會(huì)變小。最后這些模擬量再經(jīng)過ADC0832芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，最后傳回給單片機(jī)處理器。

4? 軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)驗(yàn)證

4.1? 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心，同時(shí)要兼顧系統(tǒng)的功能需求、實(shí)時(shí)性、安全性和可拓展性等。

系統(tǒng)在進(jìn)入工作模式之后，首先會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后就直接進(jìn)入一個(gè)無限循環(huán)中，在循環(huán)狀態(tài)中系統(tǒng)不斷檢測是否有按鍵中斷發(fā)生：

（1）當(dāng)無中斷發(fā)生時(shí)，調(diào)用子函數(shù)獲取火焰、煙霧、溫度的值，在這個(gè)過程中，需要檢測系統(tǒng)是否發(fā)生火災(zāi)報(bào)警異常，當(dāng)獲取的數(shù)據(jù)值都沒有超過界限值時(shí)，系統(tǒng)就保持正常狀態(tài)，液晶顯示屏顯示表1無火災(zāi)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù);當(dāng)獲取的數(shù)據(jù)超過界限值時(shí)，系統(tǒng)就保持異常的狀態(tài)，液晶顯示屏顯示表0著火后的實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

（2）當(dāng)有按鍵終端發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)按鍵子函數(shù)功能進(jìn)行調(diào)整溫度、煙霧、火焰的預(yù)警閾值。系統(tǒng)警報(bào)界限值可進(jìn)行靈活調(diào)整，這里通過按鍵設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)界限值，正常無火災(zāi)情況下，火災(zāi)指示燈綠燈一直保持亮著的狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)指示燈紅燈會(huì)亮。本設(shè)計(jì)不僅可以應(yīng)用于模擬火災(zāi)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際復(fù)雜的環(huán)境，工作人員可以通過按鍵調(diào)整報(bào)警值，這樣更加適合復(fù)雜的外界環(huán)境。

系統(tǒng)的主流程如圖4所示。

本系統(tǒng)為了使用多種應(yīng)用場景和實(shí)際復(fù)雜的工作環(huán)境，使用人員可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行多次測試而得到適應(yīng)具體環(huán)境的溫度值、火焰值、煙霧值等，這樣使得系統(tǒng)的兼容性更好。

4.2? 系統(tǒng)驗(yàn)證

基于STM32單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是通過溫度、火焰、煙霧傳感器模塊采集當(dāng)前環(huán)境的溫度、火焰、煙霧的數(shù)據(jù)值與預(yù)先設(shè)置好的安全閾值進(jìn)行比較，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)，超過預(yù)先設(shè)定的安全閾值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，反之則不會(huì)報(bào)警，只是顯示正常環(huán)境參數(shù)的值。當(dāng)沒有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集環(huán)境中的數(shù)據(jù)參數(shù)并進(jìn)行系統(tǒng)顯示，無火災(zāi)系統(tǒng)正常工作情況如圖5所示。

為了更好地對(duì)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證，這里通過打火機(jī)制造火焰來模擬火災(zāi)發(fā)生的情況。通過模擬環(huán)境中火焰的變化來驗(yàn)證是否達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。當(dāng)環(huán)境中的火焰值超過設(shè)定的閾值，系統(tǒng)會(huì)開啟火焰報(bào)警功能，有火焰報(bào)警情況如圖6所示。

同理，通過當(dāng)前環(huán)境中煙霧濃度的變化，來模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙霧濃度的變化情況，進(jìn)一步判斷是否發(fā)生火災(zāi)。當(dāng)環(huán)境中的煙霧值超過設(shè)定的閾值，系統(tǒng)會(huì)開啟煙霧報(bào)警功能，有煙霧報(bào)警情況如圖7所示。

基于STM32單片機(jī)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可以將當(dāng)前環(huán)境的溫度、火焰、煙霧相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后可以通過ESP8266 Wi-Fi模塊傳回到電腦端進(jìn)行查看，可以進(jìn)行有效地遠(yuǎn)程監(jiān)控環(huán)境是否發(fā)生火災(zāi)。例如有火焰報(bào)警情況Wi-Fi傳回?cái)?shù)據(jù)如圖8所示。

同理，可以通過ESP8266 Wi-Fi模塊傳回其他情況環(huán)境的溫度、火焰、煙霧等信息，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控火災(zāi)。

5? 結(jié)? 論

本系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測電動(dòng)車充電樁的火災(zāi)報(bào)警的系統(tǒng)，它通過多種傳感器模塊采集當(dāng)前環(huán)境的煙霧、火焰、溫度等信息，當(dāng)采集的參數(shù)值超過設(shè)定的閾值，則系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)可經(jīng)過多次對(duì)現(xiàn)實(shí)火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，采集發(fā)生火災(zāi)時(shí)的數(shù)據(jù)，根據(jù)采集發(fā)生火災(zāi)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理后設(shè)置合適的閾值，故本系統(tǒng)可以做到準(zhǔn)確地預(yù)防和避免火災(zāi)的發(fā)生，降低了因?yàn)殡妱?dòng)車充電引起火災(zāi)造成的損失。

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作者簡介：吳曉紅（1995—），女，漢族，廣東湛江人，本科，工學(xué)學(xué)士，研究方向：通信工程;通訊作者：石麗梅（1986—），女，漢族，吉林四平人，講師，碩士;研究方向：移動(dòng)互聯(lián)，通信工程。