王 力，殷明宇

（南通職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南通 226007）

大學(xué)生公寓作為高校人群的密集場(chǎng)所，其室內(nèi)防火安全問題日益突出。盡管學(xué)校從技術(shù)上、管理上和宣傳上對(duì)防火安全進(jìn)行了監(jiān)督檢查，如宿舍禁止吸煙、禁止使用明火和電器，但是存在部分學(xué)生違規(guī)吸煙、使用違規(guī)電器的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)室內(nèi)冒濃煙、火災(zāi)等嚴(yán)重事件。針對(duì)這一現(xiàn)象，不管是人工檢查還是視頻監(jiān)控巡查都極大地浪費(fèi)了人力和財(cái)力資源，并且效果也不好。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有火災(zāi)預(yù)警功能，主要以煙霧報(bào)警為主，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫濕度、火情動(dòng)態(tài)并及時(shí)做出處理。如何快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，并根據(jù)險(xiǎn)情的等級(jí)制定出合理的解決方案，是預(yù)警系統(tǒng)亟待解決的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的宗旨在于防范險(xiǎn)情，系統(tǒng)設(shè)備采用煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、溫度傳感器與ESP8266[1]連接，采集環(huán)境信息，提前預(yù)知監(jiān)測(cè)火災(zāi)的發(fā)生，并通過WiFi發(fā)送數(shù)據(jù)，上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。首先監(jiān)測(cè)宿舍內(nèi)是否存在煙霧，當(dāng)煙霧濃度達(dá)到設(shè)定值后報(bào)警。當(dāng)室內(nèi)使用明火時(shí)，云平臺(tái)能檢測(cè)到火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)值變化，并發(fā)布警告消息。當(dāng)物體燃燒后，必然導(dǎo)致宿舍溫度升高，當(dāng)檢測(cè)到溫度超過35℃時(shí)，網(wǎng)絡(luò)端檢測(cè)到溫度傳感器數(shù)值變化，Arduino對(duì)繼電器模塊進(jìn)行控制，模擬室內(nèi)水箱閥門啟動(dòng)，噴水滅火。

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，系統(tǒng)由電源模塊、傳感器電路模塊、單片機(jī)模塊、WiFi模塊、顯示屏模塊和控制模塊等電路組成。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

目前的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[2]有很多，本系統(tǒng)選擇阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；該平臺(tái)為設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力，支持設(shè)備采集數(shù)據(jù)上傳到平臺(tái)，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供接入物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的一整套基礎(chǔ)設(shè)施和強(qiáng)大的在線配置，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景應(yīng)用。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的功能模塊有“產(chǎn)品設(shè)備的創(chuàng)建和管理”，可以快速定義產(chǎn)品和設(shè)備模型等信息。

阿里云平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，傳感器電路采集數(shù)據(jù)通過ESP8266上傳，通過數(shù)據(jù)模式存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍險(xiǎn)情事件的檢測(cè)和預(yù)警，平臺(tái)實(shí)現(xiàn)以圖表形式呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

微消息隊(duì)列MQTT協(xié)議是阿里云推出的一款面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的輕量級(jí)消息中間件，主要承擔(dān)移動(dòng)端連接接入、連接管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等工作，相當(dāng)于一個(gè)具備無(wú)線擴(kuò)展能力的連接網(wǎng)關(guān)；支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議MQTT協(xié)議，方便用于連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)Pub異步通信。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

電源適配器輸出直流電壓為9 V，經(jīng)過7805穩(wěn)壓電路得到5 V電壓后，再選用AMS1117芯片的降壓模塊電路得到3.3 V電源，提供液晶顯示屏、煙霧傳感器電路模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、溫濕度傳感器和ESP8266供電。電路如圖2所示，設(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電。

圖2 電源電路圖

2.2 傳感器電路

溫濕度傳感器采用DHT11溫濕度復(fù)合傳感器，DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的傳感器，具有抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高的優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)使用數(shù)字端口，單線總線數(shù)據(jù)格式，一次通信時(shí)間為4 ms左右，能同時(shí)測(cè)量到溫度數(shù)據(jù)和空氣濕度數(shù)據(jù)。

煙霧傳感器采用MQ-2，對(duì)煙霧的靈敏度高，是一款低成本的傳感器。單片機(jī)通過ADC模塊來(lái)讀取煙霧傳感器的輸出值，當(dāng)監(jiān)測(cè)到附近有煙霧時(shí)數(shù)據(jù)變化。煙霧傳感器的電路設(shè)計(jì)為比較器電路，設(shè)置數(shù)字量輸出，用于判斷是否有煙霧。

火焰?zhèn)鞲衅鞑捎秒妷罕容^電路模塊，可以檢測(cè)火焰或者在760～1 100 nm范圍的光源，用打火機(jī)測(cè)試火焰距離為80 cm，靈敏度可調(diào)。電路模塊有輸出數(shù)字量端口和模擬電壓輸出端口。本系統(tǒng)采用數(shù)字量端口，采集室內(nèi)環(huán)境的火焰靈敏度高。

電路可以采用LED燈報(bào)警，當(dāng)室內(nèi)有火焰和濃煙產(chǎn)生時(shí)，可以啟動(dòng)繼電器模擬控制裝置，以有效預(yù)警室內(nèi)的火災(zāi)險(xiǎn)情，為學(xué)生的生活帶來(lái)安全保障。

2.3 顯示電路

OLED（Organic Light-Emitting Diode，有機(jī)發(fā)光二極管）顯示技術(shù)具有自發(fā)光的特性，不需要背光源；模塊通電后，有機(jī)材料就會(huì)發(fā)光，OLED顯示屏幕的可視角度大、功耗低、視角廣、反應(yīng)速度快，可以顯示漢字、圖案等。本系統(tǒng)中OLED與ESP8266采用I2C通信，如圖3所示，SCL連接單片機(jī)的D1引腳，SDA連接單片機(jī)的D2引腳。接通電源適配器，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備供電，然后使用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓，當(dāng)電壓輸出正確時(shí)，斷電，將各傳感器模塊安裝好，再次通電，若OLED屏上顯示傳感器的數(shù)據(jù)正常，則可以說(shuō)明電路的焊接正確。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 物聯(lián)模塊程序設(shè)計(jì)

如圖3所示，ESP8266采集3種傳感器的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用最新版本的開源軟件Arduino[3]IDE軟件進(jìn)行編程，調(diào)用了DHT11庫(kù)文件，火焰?zhèn)鞲衅鞑捎脭?shù)字量端口；煙霧傳感器采用模擬量端口，并通過顯示屏OLED實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。

圖3 傳感器電路圖

3.2 WiFi程序設(shè)計(jì)

無(wú)線連接點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)名稱和密碼需要在程序中進(jìn)行配置。如圖4所示，WiFi初始化函數(shù)用于無(wú)線連接調(diào)試，判斷是否聯(lián)網(wǎng)；在串口監(jiān)視器中查看有錯(cuò)誤，需要修改一下MQTT源文件的配置參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)連接成功。

圖4 WiFi串口調(diào)試程序

3.3 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的接入

使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)首先要注冊(cè)賬號(hào)，可以免費(fèi)試用企業(yè)版一個(gè)月。賬號(hào)注冊(cè)成功后，創(chuàng)建產(chǎn)品，并定義物聯(lián)模型，然后創(chuàng)建設(shè)備，與產(chǎn)品綁定，獲取設(shè)備配置的信息。

本系統(tǒng)是基于PubSubClient庫(kù)的底層連接，上層采用阿里云SDK封裝，可以方便發(fā)送數(shù)據(jù)和訂閱遠(yuǎn)程指令，傳感器感知環(huán)境溫度、濕度、煙霧濃度和火勢(shì)情況，并上報(bào)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過云平臺(tái)集中管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控學(xué)生公寓內(nèi)的情況，可以預(yù)警，將消息發(fā)送給釘釘群。程序編寫需要下載相關(guān)的開源庫(kù)文件AliyunIoTSDK、ArduinoJson等。如圖4所示，云平臺(tái)的產(chǎn)品ID、設(shè)備名稱和設(shè)備密鑰，及時(shí)配置和修改。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的使用，在程序編寫時(shí)，調(diào)用AliyunIoTSK可以直接使用組裝數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)綁定并且會(huì)自動(dòng)合并數(shù)據(jù)，將設(shè)備配置信息寫入代碼，燒錄到單片機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到平臺(tái)的上傳了。

3.4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

根據(jù)電路圖2和圖3手工焊接電路板[4]，將傳感器液晶屏模塊，ESP8266模塊組裝通電，程序設(shè)計(jì)調(diào)試后，打開手機(jī)熱點(diǎn)，通過WiFi接入互聯(lián)網(wǎng)，然后登陸阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，打開IoT Hub控制臺(tái)，可以看到設(shè)備已經(jīng)接入成功，實(shí)時(shí)查看室內(nèi)環(huán)境的情況，有火焰和煙霧情況下，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)有顯示，云平臺(tái)還可以設(shè)置報(bào)警規(guī)則，以短信、郵件和釘釘機(jī)器人的方式發(fā)送給聯(lián)系人。

打開手機(jī)APP[5]可以成功查看室內(nèi)情況。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以增加預(yù)警功能，設(shè)置傳感器的上限值，當(dāng)數(shù)據(jù)超過數(shù)值后，會(huì)反饋給手機(jī)消息和釘釘通知。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了大學(xué)生公寓環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)誤差，精度非常高。本系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于密集的大學(xué)生公寓環(huán)境系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控，并且具有禁煙、防火和報(bào)警的功能。將學(xué)生公寓建設(shè)成網(wǎng)絡(luò)化的管理技術(shù)將深受學(xué)生的歡迎，讓未來(lái)的生活更科學(xué)、美好。