張孟媛，張瑩

（1.山東英才學(xué)院工學(xué)院，山東濟(jì)南，250104；2.濟(jì)南幼兒師范高等?？茖W(xué)校，山東濟(jì)南，250307）

0 引言

火災(zāi)預(yù)警裝置是人類(lèi)同火災(zāi)斗爭(zhēng)必不可少的有力武器，在現(xiàn)代建筑防火中具有極其重要的作用。在所有災(zāi)難中，火災(zāi)是危害公共安全和社會(huì)發(fā)展的最常見(jiàn)的重大災(zāi)害之一，在新標(biāo)準(zhǔn)中，火災(zāi)被定義為時(shí)間和空間不受控制的燃燒。其中的家庭火災(zāi)常常因?yàn)槭掳l(fā)突然，無(wú)法得到迅速的救援，而造成無(wú)法挽回的損失。

對(duì)于火災(zāi)而言，預(yù)防遠(yuǎn)比災(zāi)后補(bǔ)救重要的多，但由于目前火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)仍存在成本、技術(shù)等問(wèn)題，應(yīng)用不廣泛。本裝置目的旨在火災(zāi)還未發(fā)生時(shí)或者發(fā)生的早期，通過(guò)準(zhǔn)確地判斷火情、預(yù)報(bào)火警，最大限度的保障人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全，有效降低城市火災(zāi)發(fā)生率以及帶來(lái)的損失,提高城市火災(zāi)救援效率和消防服務(wù)水平。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由信息收集、數(shù)據(jù)中心和傳輸警報(bào)三部分構(gòu)成。本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)合ZigBee傳感技術(shù)、GSM（全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)）、蜂 窩移動(dòng)通訊技術(shù)與可動(dòng)態(tài)化監(jiān)控的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，達(dá)到提前預(yù)警，以降低火災(zāi)帶來(lái)?yè)p失的目的。本項(xiàng)目計(jì)劃利用ZigBee低功耗的特點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)，使其將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳送到總裝置處，提高工作效率，降低使用成本，可有效延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間；利用GSM，通過(guò)在系統(tǒng)中安放的SIM卡實(shí)現(xiàn)與手機(jī)通信，保證在第一時(shí)間獲取相關(guān)信息，用戶可以通過(guò)短信及手機(jī)連接的動(dòng)態(tài)化監(jiān)控裝置了解火災(zāi)情況，以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)火災(zāi)的充分掌控；在必要時(shí)，利用蜂窩移動(dòng)通訊技術(shù)，可直接將用戶獲知的信息發(fā)送給消防中心，極大程度改善了因用戶語(yǔ)言障礙、情緒波 動(dòng)而導(dǎo)致火警獲取信息有誤，造成更大的損失。工作流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制板塊

采用51單片機(jī)設(shè)計(jì)方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，修改或擴(kuò)充都較為方便，具有規(guī)整性、靈活性、可維護(hù)性高的優(yōu)點(diǎn)，并利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)（由一個(gè)協(xié)調(diào)器以及多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備組成）進(jìn)行檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的傳輸，并匯總至總節(jié)點(diǎn)。

2.2 環(huán)境火災(zāi)檢測(cè)板塊

它主要由遠(yuǎn)程紅外火焰?zhèn)鞲衅?、雙金屬溫度傳感器和煙霧探測(cè)器組成?；鹧鏌舻牟ㄩL(zhǎng)760～1100nm，紅外傳感器檢測(cè)到700nm～1000nm范圍內(nèi)的紅外光，與火焰高度一致。因此，紅外線炎癥可以將紅外線外部強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化。A/D轉(zhuǎn)換器反映值在0和255之間的變化。外部紅外線越強(qiáng)，值越低。紅外線越弱，值越高。然后，隨著火災(zāi)的發(fā)生，溫度在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了很大的變化。使用雙金屬溫度傳感器，金屬材料比其他金屬具有更大的可擴(kuò)展性，這使得折疊板材并將彎曲曲率轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)成為可能。此外，當(dāng)沒(méi)有煙霧時(shí)，即探測(cè)器工作，當(dāng)離子流平衡時(shí)，其參考輸出相對(duì)穩(wěn)定。如果有煙霧，電流將發(fā)生變化，參考點(diǎn)電位將根據(jù)-160置換煙霧的大小發(fā)生變化；改變可能性以評(píng)估煙霧的存在并執(zhí)行自動(dòng)煙霧監(jiān)測(cè)。這三種裝置具有較高的靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性，廣泛應(yīng)用于各種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中[1]。

溫度傳感器模塊電路圖如圖2所示。

圖2 溫度傳感器電路

本次設(shè)計(jì)的煙霧監(jiān)測(cè)原理圖如圖3所示。

圖3 煙霧傳感器電路圖

2.3 監(jiān)測(cè)及定位裝置板塊

各測(cè)量節(jié)點(diǎn)處裝有攝像頭，必要時(shí)用戶可選擇打開(kāi)攝像裝置進(jìn)行觀測(cè)，滿足用戶離家時(shí)，及時(shí)了解家中情況的需求。在總結(jié)點(diǎn)處存放用戶家庭住址信息，在必要時(shí)便于消防員獲取，進(jìn)行搶救。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板塊

這一裝置中存在特定的數(shù)值（如煙霧濃度、溫度），在總節(jié)點(diǎn)處再次對(duì)各分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的讀取分析，預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警判斷條件是數(shù)據(jù)值大于等于一項(xiàng)存儲(chǔ)在總節(jié)點(diǎn)處的正常范圍，在超過(guò)的情況下觸發(fā)警報(bào)。這一板塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和火災(zāi)監(jiān)測(cè)，判斷是否有火情的發(fā)生，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存。

2.5 傳輸報(bào)警板塊

測(cè)定值超過(guò)正常范圍后，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送聲音警報(bào)信息，GSM模塊向預(yù)先設(shè)定的電話號(hào)碼發(fā)送警報(bào)信息[2]，用戶可根據(jù)需要使用平臺(tái)軟件打開(kāi)攝像頭，一觸即發(fā)出警報(bào)設(shè)備可以通過(guò)蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)將主節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的位置信息傳遞到火災(zāi)報(bào)警中心（包括防火點(diǎn)位置、樓層防火圖等）。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，用戶可以使用平臺(tái)軟件打開(kāi)攝像頭，必要時(shí)按一鍵報(bào)警按鈕，按下取消按鈕即可取消警報(bào)，該裝置可以發(fā)送存儲(chǔ)在主節(jié)點(diǎn)中的位置信息（包括防火點(diǎn)位置、樓層防火圖等）。火災(zāi)報(bào)警中心采用蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，經(jīng)業(yè)主同意，消防隊(duì)員可使用相機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，傳感器檢測(cè)人的紅外信號(hào)，消防隊(duì)員可進(jìn)行應(yīng)急救援[3]。

2.6 主控制器

檢測(cè)裝置主要由遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅?、雙金屬溫度傳感器以及煙霧檢測(cè)電路構(gòu)成，這三種傳感器電路利用導(dǎo)線連接在同一塊電路板上，同時(shí)工作、傳輸數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)火警系統(tǒng)中通常只含有單一的測(cè)量傳感裝置，可能存在無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情的情況發(fā)生，本裝置采用三種傳感測(cè)量器，極大程度上提高了及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情的幾率，同時(shí)由于三種傳感裝置一起工作，在一定程度上減少了火情誤判的可能。

微型計(jì)算機(jī)單片機(jī)是通用名為英特爾8051的單片機(jī)教學(xué)系統(tǒng)，為U380單片機(jī)命名為Magnum 12290。Intel 8051單機(jī)控制端壁12290在單片機(jī)指令系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。51單片機(jī)的指令系統(tǒng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，8051單片機(jī)通常至少具備以下功能和外設(shè)：8位CPU、程序存儲(chǔ)器（ROM），尋址空間64KiB、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），尋址空間64KiB、4組8位共32個(gè)輸入輸出口、5至6個(gè)中斷源，分2個(gè)優(yōu)先級(jí)、全雙工串行口。

2.7 ZigBee板塊

ZigBee是一系列短距離運(yùn)行的低數(shù)據(jù)傳輸速率電子設(shè)備的新無(wú)線通信技術(shù)，因?yàn)闊o(wú)線ZigBee通信技術(shù)允許基于特定無(wú)線節(jié)點(diǎn)的數(shù)千個(gè)微傳感器之間的協(xié)調(diào)通信該技術(shù)通常被稱為RF Lite家庭無(wú)線技術(shù)和Firex無(wú)線技術(shù)[4]。無(wú)線ZigBee通信技術(shù)還用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)裝置與一系列數(shù)字裝置之間的電纜，以相互通信或利用因特網(wǎng)還可以應(yīng)用于基于無(wú)線通信的小型控制和自動(dòng)化，其可以在不同的數(shù)字設(shè)備之間建立無(wú)線連接。

本次單片機(jī)系統(tǒng)采用5V直流電源進(jìn)行供電，圖4是其硬件電路原理圖。

圖4 系統(tǒng)硬件原理圖

2.8 復(fù)位按鍵

本次設(shè)計(jì)是按鍵復(fù)位方式，此電路是當(dāng)按鍵被按下時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)上電復(fù)位；當(dāng)按鍵壓下時(shí)，RST端通過(guò)電阻和+5V的電源相連，保證提供寬度的閥值電壓來(lái)的完成復(fù)位。單片機(jī)最小系統(tǒng)由3個(gè)部分構(gòu)成，即電源電路單片機(jī)和晶振電路，但是不可忽視的是復(fù)位電路的重要組成部分是復(fù)位電路。單片機(jī)啟動(dòng)時(shí)，必須復(fù)位。實(shí)際上，復(fù)位也可以理解為從零開(kāi)始執(zhí)行的單芯片機(jī)器程序。因?yàn)閳?zhí)行程序的話，單片機(jī)不會(huì)像人一樣思考，不會(huì)根據(jù)命令處理數(shù)據(jù)或中斷數(shù)。據(jù)單片機(jī)的初始化，實(shí)際上是從一開(kāi)始就執(zhí)行程序。我們經(jīng)常能看到電腦崩潰的現(xiàn)象，需要重新啟動(dòng)電源。可以將CPU或其他功能設(shè)為原來(lái)的模式，從單片機(jī)的主要功能開(kāi)始工作。執(zhí)行程序時(shí)，需要初始化8051芯片機(jī)器。實(shí)際上，在記述程序的時(shí)候，很多模塊和芯片在記述程序的時(shí)候需要記述初始化。這不僅僅是整理之前放置的數(shù)據(jù)。因此，單片機(jī)復(fù)位看起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，但實(shí)際上是非常復(fù)雜的操作過(guò)程。每個(gè)芯片機(jī)器都有復(fù)位功能，電源切斷后也需要復(fù)位。例如，當(dāng)應(yīng)用程序被執(zhí)行到問(wèn)題映射中時(shí)，通常需要使用開(kāi)啟設(shè)置和關(guān)鍵設(shè)置重置按鍵操作。這個(gè)設(shè)計(jì)是重置模式。程序執(zhí)行后，可以將CPU直接控制為啟動(dòng)重置模式。與接通時(shí)的復(fù)位電流對(duì)應(yīng)，RST端由電阻器與+5V電源連接，確保寬度的閾值電壓，完成復(fù)位。按鍵復(fù)位電路如圖5所示

圖5 復(fù)位電路圖

3 結(jié)論

火災(zāi)是威脅公眾安全和社會(huì)發(fā)展的主要災(zāi)害之一，由于目前火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)仍存在成本、技術(shù)等問(wèn)題，應(yīng)用不廣泛。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的無(wú)線火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)不僅可以檢測(cè)用戶火情，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患和火災(zāi)，通過(guò)警報(bào)方式提醒用戶，并在有需求時(shí)進(jìn)行一鍵報(bào)警；還可以利用視頻功能對(duì)房屋進(jìn)行動(dòng)態(tài)化監(jiān)控和定位功能在火災(zāi)發(fā)生后大大縮短搜救時(shí)間，在最大程度上減少人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。通過(guò)該系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi), 實(shí)時(shí)掌握火災(zāi)發(fā)生位置, 還可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)部門(mén)及個(gè)人的聯(lián)動(dòng).該系統(tǒng)通信成本低、電池壽命長(zhǎng), 而且可有效地降低城市火災(zāi)發(fā)生率, 提高城市火災(zāi)救援效率和消防服務(wù)水平。