何建強，楊振寶，王邊馳

（商洛學院電子信息與電氣工程學院，陜西商洛 726000）

火災給全國人民的生命和財產安全造成了巨大的損失，且火災發(fā)生率還在逐年攀升[1]。根據我國消防部門公布的數據，近十年來重大火災事故近千人死亡，造成財產損失近5億元[2]。隨著人民生活水平的逐步提高，各種電器設備也在逐年增加，發(fā)生重大火災的概率也會增加，如何有效地保護和提高家庭用電安全，預防火災發(fā)生是人們必須面對的問題。傳統(tǒng)的消防系統(tǒng)是有線網絡進行傳輸，成本高、難鋪設、易老化，對災情信息發(fā)現(xiàn)不及時，火災蔓延時不能準確地發(fā)現(xiàn)重大災情，錯過寶貴的消防聯(lián)動逃生機會和時間，造成重大人員傷亡[3]。本文將物聯(lián)網技術與智能消防技術融合，利用物聯(lián)網數據傳輸快的優(yōu)點，補齊傳統(tǒng)消防系統(tǒng)的短板。利用多個不同傳感器實時采集火災相關信息，隨時將火災信息經過Wifi無線傳輸模塊上傳至服務器中，單片機對當前信息進行有效判斷，將結果反饋到手機APP端。用戶可以隨時從手機端查閱火災信息，一旦發(fā)生火災，單片機會根據感知層感知信息實時報警、斷電、打開滅火系統(tǒng)，為火后安全逃生或營救贏得寶貴時間。

1 系統(tǒng)總體方案設計

物聯(lián)網技術的消防智能控制系統(tǒng)由火災探測模塊、數據傳輸模塊和信息處理模塊組成，火災探測模塊主要檢測是否有可燃氣體和是否存在明火?；馂奶綔y模塊中的傳感器將光電信號轉換為電流信號，并在該電路中完成I/V轉換。得到的電壓信號接入單片機進行模數轉換，得出轉換后的數值。一路通過數據傳輸系統(tǒng)上傳至手機APP，一路通過單片機顯示至顯示屏。最后使用單片機進行判斷是否發(fā)生火災，同時將判斷結果發(fā)送至手機端APP。系統(tǒng)設計總框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)設計總框圖

2 硬件設計

2.1 數據處理系統(tǒng)電路

電路的數據處理系統(tǒng)為STM32最小系統(tǒng)（STM32F103C8T6、復位電路）。以單片機芯片STM32F103C8T6 為核心[3]，加上 1 個 10 μF 電容與1個10 kΩ電阻構成復位電路，如圖2所示。

圖2 數據處理系統(tǒng)電路

2.2 無線傳輸系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)使用ESP8266作為數據傳輸芯片，使用MQTT作為數據傳輸協(xié)議，TXD0和RXD0是該模塊的通訊引腳，與單片機之間進行數據通訊，發(fā)送腳TXD連接單片機IO口PB11，接收腳RXD連接單片機IO口PB10。

2.3 傳感器電路設計

溫濕度傳感器采用DHT11，該傳感器共有四個引腳，其中VDD腳接電源正極，DATA和NC為信號線，接單片機PB0口。

煙霧傳感器選用U4 MQ-9，硬件連接電路如圖3所示。其中1腳與3腳相接實現(xiàn)TTL電平輸出，連接單片機PA3腳；6腳與4腳相接實現(xiàn)模擬量輸出，連接單片機PA4腳；5腳接VCC，2腳接GND。

圖3 煙霧傳感器U4 MQ-9的電路連接

2.4 滅火系統(tǒng)電路設計

整個滅火系統(tǒng)共包括三個部分：火焰和可燃檢測報警[5]、排煙系統(tǒng)和滅火噴淋系統(tǒng)。報警系統(tǒng)是通過單片機控制一個有源蜂鳴器，實現(xiàn)報警功能。排煙系統(tǒng)使用一個12 V，2 W的風扇連接繼電器實現(xiàn)開關實時控制。滅火噴淋系統(tǒng)使用了12 V，2 W的常閉式電磁閥控制消防噴淋管道，并連接繼電器實現(xiàn)開關可控。

3 軟件程序設計

軟件主要針對實現(xiàn)火災探測模塊、數據傳輸模塊和信息處理模塊的功能進行設計?；馂奶綔y模塊主要負責進行數據采集，數據傳輸模塊主要進行信息傳遞和信息交互處理。信息處理模塊是用戶基于感知層信息的不同應用做出的反應，即手機端對于系統(tǒng)的控制，從而使用物聯(lián)網實現(xiàn)智能化控制。

3.1 火災探測模塊

火災探測模塊主要為溫濕度檢測和火焰檢測。系統(tǒng)根據傳感器檢測到的信息判斷是否發(fā)生火災，并將傳感器檢測到的信息傳給網絡層，通過網絡層將傳感器實時檢測信息通過服務器傳送至手機端，為用戶的下一步決斷提供判斷依據。火災探測流程如圖4所示。

圖4 火災探測流程圖

3.2 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊是整個系統(tǒng)的網絡層，主要進行各個模塊之間的信息傳遞和信息交互、處理。通過MQTT傳輸協(xié)議將感知層采集的信息進行發(fā)送傳遞[6]。程序流程如圖5所示。

圖5 無線傳輸流程圖

3.3 滅火系統(tǒng)

滅火系統(tǒng)是通過繼電器控制排煙扇、家用空開控制器和噴淋系統(tǒng)，當火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到明火時，蜂鳴器開始報警，用戶可以通過手機端APP控制繼電器模塊實現(xiàn)斷電，打開噴淋系統(tǒng)和排煙扇等滅火操作。滅火系統(tǒng)程序控制流程如圖6所示。

圖6 滅火系統(tǒng)控制流程圖

3.4 手機端APP設計

APP簡要控制流程如圖7所示。

圖7 手機APP簡要控制邏輯流程圖

手機APP的設計使用APP Interver2。它是一款全中文的APP在線設計網站，采用中文邏輯圖進行控制，簡單易用，操作方便[7]。下位機將采集到的數據通過無線模塊傳輸至服務器，手機APP讀取服務器信息[8]，并完成顯示。

3.5 手機端APP設計實現(xiàn)

用戶根據所反饋的實時信息，決定打開或關閉某些應用。根據APP的設計邏輯，對其所實現(xiàn)的邏輯功能進行統(tǒng)計，記錄其是否實現(xiàn)，并根據統(tǒng)計數據對APP進行改進[9]。APP設計邏輯圖如圖8所示，制作完成的手機APP界面如圖9所示。

圖8 APP設計邏輯圖

圖9 手機APP界面

4 系統(tǒng)測試

各模塊設計完成后，聯(lián)調整個系統(tǒng)，測試各部分功能是否正常[10]，數據是否合理。硬件實物模型如圖10所示，各個模塊測試如表1所示。

圖10 硬件實物模型

表1 智能消防控制系統(tǒng)測試

5 結論

本文給出了一種簡單易行的智能消防解決辦法。設計主要以ESP8266為核心，通過采用模塊化、層次化的電路設計，以硬件設計為主，軟件程序編寫為輔，并且采用主流火焰檢測傳感器與無線通訊模塊實現(xiàn)對實時信號的檢測與傳輸，再運用單片機STM32F103C8T6進行數據分析和處理，為顯示電路提供信號，達到了測量溫度、濕度、可燃氣體的目的，實現(xiàn)了相關參數的自動監(jiān)測，消防聯(lián)動的功能。