吳秉容

山東交通學院，山東 濟南 250357

0 引言

在日常生活中，水電、天然氣的使用給居民的生活帶來了便利，但隨之而來的潛在危險也應予以關注。相關資料統(tǒng)計顯示，21世紀是我國科學技術發(fā)展的高峰階段，與此同時，火災帶來的損失也有驚人的增長，2001—2010年我國因火災導致的損失年均值為15.4×108元人民幣[1]，是20世紀80年代火災損失的4.8倍[2]。從火災撲救情況來看，54.4%的火災能夠在30 min內撲滅，38.4%的火災能夠在2 h內撲滅，仍有7.1%的火災撲救時間在2 h以上[3]。

基于此，文章設計了基于傳感器的智能家居環(huán)境檢測系統(tǒng)，主要功能是針對室內溫度、可燃氣體或有毒氣體的濃度、火災引起的煙霧濃度進行實時顯示與監(jiān)測，以便能夠及時對火災情況作出相應的反應，為人們提供一個安全、健康的居住環(huán)境。

1 智能家居環(huán)境檢測發(fā)展現(xiàn)狀

國外針對火災預防體系的研究起步較早，火災預防體系內不僅僅涵蓋了火災的預防，同時包括報警、撲救、善后處理等各個階段。大多數(shù)發(fā)達國家的火災預警系統(tǒng)已經(jīng)進入第三階段的高速發(fā)展期，采用計算機進行統(tǒng)一控制，用戶終端傳感器、信號采集器與計算機進行連接。這種運行機制的火災預警系統(tǒng)已經(jīng)在美國、澳大利亞、加拿大、日本、英國、俄羅斯等國家的城市和住宅火災監(jiān)控與自動報警綜合控制系統(tǒng)中穩(wěn)定運行多年。

2 智能家居環(huán)境檢測系統(tǒng)設計

基于傳感器的智能家居環(huán)境檢測系統(tǒng)由溫度傳感器和MQ2、MQ5模塊提供數(shù)據(jù)；終端將采集到的數(shù)據(jù)或經(jīng)過或不經(jīng)過路由器傳送給協(xié)調器；協(xié)調器檢測到的三組數(shù)據(jù)中有兩組超過設置的閾值時，驅動報警模塊報警。系統(tǒng)設計主要分為硬件部分與軟件部分。其中，硬件部分作為整個系統(tǒng)的實現(xiàn)平臺，需要先于軟件部分進行構建。硬件部分又可分為協(xié)調器、終端和路由器。軟件部分主要包含Z-Stack協(xié)議棧，DS18b20、MQ2、MQ5驅動程序和上位機顯示程序。

2.1 硬件系統(tǒng)

該系統(tǒng)硬件部分主要包括CC2530傳輸處理模塊、溫度傳感器、氣體傳感器、煙霧傳感器、顯示模塊以及報警模塊等[4]。

（1）溫度傳感器。DSl820傳感器提供9位（二進制）溫度讀數(shù)，指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口送入DSl820或從DSl820送出。因此，從CPU到DSl820僅需一條線（和地線），DSl820的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，不需要外部電源。

（2）氣體傳感器與煙霧傳感器。氣體傳感器采用MQ5傳感器，煙霧濃度傳感器采用MQ2氣體傳感器。傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體或有毒氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體或有毒氣體濃度的上升而變大[5]。

（3）報警模塊。報警模塊采用蜂鳴器實現(xiàn)，當測量值高于閾值時，蜂鳴器鳴叫，提示安全指標超標或不正常，需采取安全措施改變室內環(huán)境質量。

（4）顯示模塊。不僅需要將采集到的溫度、氣體濃度發(fā)送到計算機上位機顯示，還要在終端節(jié)點的OLED顯示屏上顯示。計算機上位機使用C#語言進行編程，然后通過USB將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。

2.2 軟件系統(tǒng)

該系統(tǒng)的軟件部分由Z-Stack協(xié)議棧作為整體架構，在協(xié)議棧架構中添加并初始化所有需要使用的按鍵I/O口，編寫DS18b20驅動用于溫度采集并整合進Z-Stack協(xié)議棧[6]，并編寫MQ2、MQ5驅動程序整合進協(xié)議棧中。

（1）開發(fā)平臺。IAR開發(fā)平臺是一款優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，可支持眾多微處理器的開發(fā)。使用IAR開發(fā)CC2530可以支持軟硬件調試仿真。

（2）上位機及協(xié)調器。上位機及協(xié)調器如圖1所示。

圖1 上位機及協(xié)調器示意圖

（3）傳感器流程圖。終端及傳感器程序流程如圖2所示。

圖2 終端及傳感器程序流程圖

（4）程序觸發(fā)報警算法。對于一個終端節(jié)點，當采集到的3個數(shù)據(jù)中有2個及以上的數(shù)據(jù)大于所設定的閾值時會觸發(fā)報警模塊報警，另外2個模塊也是如此，3個模塊的工作互不干擾。

3 試驗結果與分析

系統(tǒng)搭建完成后，接通電源并對系統(tǒng)進行試驗。試驗時設置不同的閾值，然后對報警情況進行統(tǒng)計和觀察。試驗測試用表如表1所示。

表1 試驗測試用表

由表1可知，設計了3組不同的閾值進行試驗（試驗采用打火機來的氣體來模擬煙霧以及有害氣體），第一組閾值設定為溫度40 ℃，煙霧濃度30%，丁烷濃度30%，而實際的數(shù)據(jù)為溫度38 ℃，煙霧濃度27%，丁烷濃度23%，所有實際數(shù)據(jù)的值均小于所設定的閾值，試驗現(xiàn)象為蜂鳴器不報警。第二組閾值設定為溫度70 ℃，煙霧濃度50%，丁烷濃度50%，而實際的數(shù)據(jù)為溫度75 ℃，煙霧濃度53%，丁烷濃度48%，前兩項實際數(shù)據(jù)的值大于所設定的閾值，試驗現(xiàn)象為蜂鳴器報警。第三組閾值設定為溫度70 ℃，煙霧濃度60%，丁烷濃度60%，而實際的數(shù)據(jù)為溫度76 ℃，煙霧濃度65%，丁烷濃度64%，所有實際數(shù)據(jù)的值均大于所設定的閾值，試驗現(xiàn)象為蜂鳴器報警。經(jīng)過測試，系統(tǒng)滿足設計要求。

4 結束語

文章將基于傳感器的智能家居環(huán)境檢測系統(tǒng)分為軟件部分與硬件部分，對軟件部分與硬件部分再進行細分，如驅動編寫、硬件模塊細分等。通過對系統(tǒng)的分層，有助于分析系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)的主要功能：（1）用傳感器實時檢測室內溫度、可燃氣體濃度、煙霧濃度，并實時監(jiān)測室內環(huán)境；（2）用蜂鳴器報警功能，在各項環(huán)境參數(shù)變量超過閾值時，實現(xiàn)自動報警功能；（3）LED實時顯示出環(huán)境物理量的變化；（4）在終端節(jié)點和協(xié)調器之間加入了路由模塊，增加了通信距離。