摘 要:為加強(qiáng)對(duì)消防安全隱患的監(jiān)測(cè)和處理,減少消防安全事故的發(fā)生,實(shí)現(xiàn)消防監(jiān)測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)化管理,設(shè)計(jì)一種基于OneNET云平臺(tái)的消防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STM32作為控制核心,集成了多種傳感器以實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù),并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,一旦發(fā)現(xiàn)消防安全隱患,立即觸發(fā)報(bào)警機(jī)制。系統(tǒng)通過(guò)4G通信模塊與OneNET云平臺(tái)建立連接,使得用戶(hù)能夠通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)頁(yè)便捷地查看環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等相關(guān)信息。此外,系統(tǒng)還支持屏幕查看、語(yǔ)音交流等多種交互方式,進(jìn)一步提升了設(shè)備管理的便捷性和效率。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明,該消防檢測(cè)系統(tǒng)具備響應(yīng)快、穩(wěn)定性高、易于管理的優(yōu)點(diǎn),可以有效地監(jiān)測(cè)并識(shí)別環(huán)境中的多種安全隱患,為消防安全提供有力的技術(shù)保障。
關(guān)鍵詞:消防安全監(jiān)測(cè);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);STM32;OneNET云平臺(tái);4G通信模塊;人機(jī)交互
中圖分類(lèi)號(hào):TP277;TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2025)03-00-04
0 引 言
隨著城市化進(jìn)程的加快和人口密度的增加,城市建筑物發(fā)生火災(zāi)的頻率正不斷攀升。全球范圍內(nèi)每年發(fā)生的火災(zāi)數(shù)量高達(dá)數(shù)百萬(wàn)起,給民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。因此,消防安全監(jiān)測(cè)技術(shù)作為守護(hù)民眾安全的關(guān)鍵防線(xiàn),其重要性日益凸顯。近年來(lái),隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,基于云平臺(tái)的消防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受到了廣泛的關(guān)注。
傳統(tǒng)的消防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要依賴(lài)硬件設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè),然而它們?cè)跀?shù)據(jù)傳輸便捷性、數(shù)據(jù)處理效能及監(jiān)測(cè)覆蓋范圍上均存在一定缺陷。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,基于云平臺(tái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控與分析,顯著提升了消防安全監(jiān)測(cè)的時(shí)效性和精確度[1-2]。
本文設(shè)計(jì)了一種基于OneNET云平臺(tái)[3-4]的消防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)以STM32為主控系統(tǒng),通過(guò)多種傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境相關(guān)指標(biāo)。該系統(tǒng)憑借其實(shí)時(shí)性、高精確度和高可靠性等特性,可以有效地監(jiān)測(cè)建筑物內(nèi)部的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并進(jìn)行警報(bào)處理,同時(shí)還可以將數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊上傳至云平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)化管理。該系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用,不僅能夠有效提升消防安全監(jiān)測(cè)的效率,還能顯著降低火災(zāi)事故的發(fā)生概率,為人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全提供更加堅(jiān)實(shí)的保障。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 基本原理
本系統(tǒng)基于火災(zāi)的典型指標(biāo),通過(guò)感知、檢測(cè)和分析環(huán)境中的變化來(lái)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)結(jié)合傳感器、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和通信等技術(shù),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù),并在火災(zāi)發(fā)生前提供預(yù)警信號(hào)。
1.2 系統(tǒng)架構(gòu)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6作為控制核心,集成了環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備檢測(cè)、交互、報(bào)警及通信等多個(gè)功能模塊。其中,環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)模塊包括可燃?xì)怏w傳感器、一氧化碳傳感器和溫濕度傳感器,負(fù)責(zé)采集并轉(zhuǎn)換與消防安全緊密相關(guān)的環(huán)境參數(shù)。設(shè)備檢測(cè)模塊包括陀螺儀傳感器和狀態(tài)檢測(cè)電路,負(fù)責(zé)采集設(shè)備傾斜角度和檢測(cè)設(shè)備盒體是否被打開(kāi)。交互模塊包括串口屏、語(yǔ)音識(shí)別模塊和語(yǔ)音播報(bào)模塊,可以為用戶(hù)提供直觀(guān)的管理頁(yè)面以及便捷的語(yǔ)音交互體驗(yàn)。報(bào)警模塊包括警示燈和喇叭,負(fù)責(zé)在警報(bào)模式下提供聲光報(bào)警指示。通信模塊的核心為4G模塊,負(fù)責(zé)與OneNET云平臺(tái)的連接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云。
ARM控制器負(fù)責(zé)接收環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并判斷所監(jiān)測(cè)環(huán)境是否存在異常情況,一旦檢測(cè)到異常情況,立即觸發(fā)報(bào)警模塊發(fā)出聲光指示。STM32控制器定時(shí)接收設(shè)備檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù),綜合判斷設(shè)備狀態(tài),并通過(guò)通信模塊連接至OneNET云平臺(tái),集中管理和監(jiān)控整個(gè)消防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。管理者可以通過(guò)可視化頁(yè)面進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,在出現(xiàn)異常情況時(shí)會(huì)收到來(lái)自平臺(tái)的警報(bào)郵件。此外,系統(tǒng)還支持直接交互模式,用戶(hù)可以借助屏幕和語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)便捷的人機(jī)交互。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。
2 各部分模塊電路設(shè)計(jì)
2.1 電源電路設(shè)計(jì)
在電源方面,本系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源或鋰電池組的供電方案。將5 V的供電接入電源保護(hù)電路和電源濾波電路,確保系統(tǒng)得到紋波較小的輸入電壓。
本系統(tǒng)的穩(wěn)壓電路采用DC-DC方案,相較于LDO方案,DC-DC方案在效率、功耗及功率方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)的穩(wěn)壓電路選用德州儀器出品的TPS562200芯片,該芯片適應(yīng)4.5~17 V的電壓輸入,可以通過(guò)對(duì)芯片電路進(jìn)行調(diào)整,輸出0.76~7 V的電壓。TPS562200芯片的可靠性較高,可提供穩(wěn)定的輸出電壓。在本系統(tǒng)中,控制器的供電電壓為3.3 V,故需要調(diào)整芯片TPS562200的外圍電路,使穩(wěn)壓電路的輸出為3.3 V。
2.2 主控制器電路
主控制器作為系統(tǒng)的核心,是協(xié)調(diào)各部件協(xié)同運(yùn)作以及進(jìn)行系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵器件,需要滿(mǎn)足高穩(wěn)定性、高性能以及豐富外設(shè)接口的需求。
本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的STM32F103C8T6作為主控制器。該控制器為中密度性能系列,具備卓越的處理速度。其內(nèi)置的Cortex-M3內(nèi)核能夠提供高達(dá)72 MHz的工作頻率,足以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)繁重的數(shù)據(jù)運(yùn)算任務(wù)。此外,該控制器還配備了包括I2C、SPI和USART在內(nèi)的多種外設(shè)接口。這些接口通過(guò)兩條APB總線(xiàn),能夠連接多種增強(qiáng)型I/O口和豐富的外設(shè)資源,進(jìn)一步提升了控制器的擴(kuò)展性和靈活性。同時(shí),該控制器還內(nèi)置了12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和通用的16位定時(shí)器[5],為系統(tǒng)提供了更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和時(shí)間控制功能。
2.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)電路和設(shè)備檢測(cè)電路
本文系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的可燃?xì)怏w、一氧化碳等與消防安全相關(guān)的危險(xiǎn)氣體的體積分?jǐn)?shù),并通過(guò)主控制器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)估,以判斷環(huán)境中是否存在消防安全風(fēng)險(xiǎn)。選用MQ-2、MQ-7以及DHT11三款傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
MQ-2煙霧傳感器適用于包括烷類(lèi)氣體、苯、液化石油氣在內(nèi)的多種可燃?xì)怏w的探測(cè),具有穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。MQ-2煙霧傳感器基于半導(dǎo)體氣敏電阻原理,傳感器中的二氧化錫氣敏材料會(huì)和監(jiān)測(cè)環(huán)境中的可燃?xì)怏w發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致材料表面的電阻率發(fā)生變化,傳感器通過(guò)測(cè)量電阻率的變化,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)的精準(zhǔn)測(cè)量。MQ-7傳感器適用于對(duì)于一氧化碳?xì)怏w的探測(cè),同樣具備靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。MQ-7傳感器基于電化學(xué)原理,傳感器中的一氧化碳敏感電極在接觸一氧化碳時(shí)會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致敏感電極的電阻值發(fā)生變化,傳感器通過(guò)測(cè)量電阻變化,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)一氧化碳?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)的測(cè)量[6-7]。
溫濕度傳感器選用DHT11傳感器,該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,主要由8位控制器、NTC感溫元件和電阻式感濕元件構(gòu)成。該傳感器采用單總線(xiàn)通信協(xié)議,并通過(guò)阻值為4.7 kΩ的上拉電阻與主控制器的通用I/O接口連接[8]。
系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)電路主要由MPU6050陀螺儀傳感器和狀態(tài)檢測(cè)電路構(gòu)成,能夠監(jiān)測(cè)設(shè)備的傾斜狀態(tài)、異常振動(dòng)以及設(shè)備外殼的狀態(tài),進(jìn)而判斷設(shè)備是否正常工作或遭受破壞,及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并采取相應(yīng)措施。
MPU6050陀螺儀模塊集成了3 軸MEMS 陀螺儀和3軸加速度計(jì),具有高精度、低功耗和成本低等特點(diǎn)。該模塊采用I2C通信協(xié)議,與主控制器的I2C接口連接;狀態(tài)檢測(cè)電路主要由行程開(kāi)關(guān)構(gòu)成,與主控制器通過(guò)通用I/O口連接。
2.4 交互電路和聲光指示電路設(shè)計(jì)
交互電路系統(tǒng)主要由淘晶馳的JC8048X550_011串口屏、飛云音電子的YS-LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊、迪為電子的DY-SV17F語(yǔ)音播報(bào)模塊構(gòu)成。串口屏與控制器通過(guò)串行接口連接,通過(guò)串口屏設(shè)定的指令格式進(jìn)行通信。主控制器與語(yǔ)音識(shí)別模塊通過(guò)串行接口連接,采用組合I/O接口的方式控制語(yǔ)音識(shí)別模塊,并通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)的交互模式,以降低系統(tǒng)功耗。
聲光指示電路由警示燈和語(yǔ)音播報(bào)模塊構(gòu)成,警示燈的亮滅由繼電器構(gòu)成的控制電路進(jìn)行控制,主控制器通過(guò)通用I/O口連接控制電路。
2.5 通信模塊
通信模塊采用移遠(yuǎn)EC600N-CN 4G模塊,相較于其他類(lèi)型的通信模塊,EC600N-CN具有穩(wěn)定性高、速度快和覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。該模塊與主控制器通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)了主控制器與OneNET云平臺(tái)之間的通信[9]。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 主控制器軟件設(shè)計(jì)
主控制器程序流程如圖2所示。系統(tǒng)上電后,首先進(jìn)行系統(tǒng)的配置和初始化,包括對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘以及外設(shè)接口,如通用I/O口、串口、ADC、I2C及定時(shí)器等的配置和初始化,并測(cè)試4G模塊的指令收發(fā)是否正常。陀螺儀傳感器進(jìn)行自檢。
為降低設(shè)備能耗以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理,設(shè)定系統(tǒng)在未處于警報(bào)狀態(tài)時(shí),每隔一段時(shí)間將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。設(shè)置主控制器STM32F103C8T6的定時(shí)器2每隔1 s中斷一次,每次中斷定時(shí)計(jì)數(shù)位加1,通過(guò)設(shè)置定時(shí)計(jì)數(shù)位,實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的定時(shí)上傳。故系統(tǒng)在完成初始化后,打開(kāi)定時(shí)器2。
系統(tǒng)從MQ-2、MQ-7、DHT11等傳感器中獲取當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù),將其轉(zhuǎn)化為特定格式并儲(chǔ)存在全局變量數(shù)組中,作為監(jiān)測(cè)環(huán)境的指標(biāo)。隨后,系統(tǒng)會(huì)判斷當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)是否達(dá)到設(shè)定的閾值。若達(dá)到閾值,將標(biāo)志位Process_Flag置為警報(bào)數(shù)值,執(zhí)行警報(bào)相關(guān)程序,包括開(kāi)啟警示燈、播放警報(bào)聲,并將相關(guān)指標(biāo)上傳至云服務(wù)器。
當(dāng)相關(guān)指標(biāo)處于安全范圍內(nèi),系統(tǒng)會(huì)判斷定時(shí)是否結(jié)束。定時(shí)結(jié)束后,系統(tǒng)記錄當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù),并獲取設(shè)備數(shù)據(jù),包括傳感器MPU6050、行程開(kāi)關(guān)的輸出,然后將環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)一同上傳至云服務(wù)器。若定時(shí)尚未結(jié)束,系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)交互開(kāi)關(guān)是否被按下。若開(kāi)關(guān)被按下,則會(huì)在串口屏上顯示人機(jī)交互界面,并開(kāi)始檢測(cè)是否有語(yǔ)音指令。若開(kāi)關(guān)未被按下,回到采集環(huán)境數(shù)據(jù)的進(jìn)程。
3.2 通信模塊軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)與OneNET云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)4G模塊實(shí)現(xiàn)。主控制器通過(guò)串行接口發(fā)送AT指令控制并調(diào)試4G模塊。在初始化進(jìn)程中,主控制器依次向4G模塊發(fā)送一系列指令,以查詢(xún)4G模塊的SIM卡狀態(tài)、CS業(yè)務(wù)狀態(tài)、PS業(yè)務(wù)狀態(tài),并配置模塊使用v3.1.1版本的MQTT協(xié)議進(jìn)行通信。隨后發(fā)送指令“AT+QMTOPEN=lt;服務(wù)編號(hào)gt;,lt;服務(wù)器地址gt;,lt;服務(wù)器端口gt;”來(lái)打開(kāi)MQTT客戶(hù)端網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)發(fā)送指令“AT+QMTCONN=lt;服務(wù)編號(hào)gt;,lt;設(shè)備IDgt;,lt;用戶(hù)名gt;,lt;密碼gt;”,4G模塊連接至云服務(wù)器。在發(fā)送指令后,系統(tǒng)會(huì)在限定時(shí)間內(nèi)等待服務(wù)端回復(fù)“OK”,收到該標(biāo)識(shí)后系統(tǒng)才會(huì)繼續(xù)發(fā)送下一條指令。
數(shù)據(jù)更新通過(guò)指令“AT+QMTPUBEX=lt;客戶(hù)端標(biāo)識(shí)符gt;,lt;數(shù)據(jù)包消息標(biāo)識(shí)符gt;,lt;QoS 等級(jí)gt;,lt;服務(wù)器是否保存該消息gt;,lt;待發(fā)布主題gt;,lt;數(shù)據(jù)長(zhǎng)度gt;”實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)更新程序中,主控制器會(huì)先將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)以JSON格式進(jìn)行封裝,并獲取數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度;在發(fā)送上述指令后,等待服務(wù)端回復(fù)“gt;”標(biāo)識(shí),收到該標(biāo)識(shí)后系統(tǒng)才會(huì)發(fā)送封裝好的數(shù)據(jù)[10]。
3.3 交互界面及網(wǎng)頁(yè)軟件設(shè)計(jì)
當(dāng)系統(tǒng)的交互開(kāi)關(guān)被按下后,串口屏顯示人機(jī)交互界面,該界面能夠?qū)崟r(shí)顯示相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)以及環(huán)境指標(biāo)等信息。交互界面還提供設(shè)備情況、記錄查詢(xún)和閾值設(shè)置等功能,管理人員還可查看近5次的數(shù)據(jù)記錄以及設(shè)備傾角和盒體閉合情況,并能夠在輸入密碼后設(shè)置相關(guān)閾值。系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖3所示。
系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺(tái)后,管理者可以借助OneNET平臺(tái)的OneNET View 3.0服務(wù),以清晰直觀(guān)的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析。系統(tǒng)管理端頁(yè)面如圖4所示,管理者通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)指定網(wǎng)站,即可登錄管理端網(wǎng)頁(yè)界面,進(jìn)而查看用戶(hù)信息、環(huán)境指標(biāo)以及設(shè)備狀態(tài)等詳細(xì)內(nèi)容。系統(tǒng)通過(guò)OneNET云平臺(tái)的觸發(fā)器管理功能實(shí)現(xiàn)警報(bào)提示。
4 測(cè) 試
在完成消防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與樣機(jī)制作后,對(duì)相關(guān)功能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到環(huán)境中危險(xiǎn)氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到設(shè)定閾值時(shí),可以及時(shí)執(zhí)行警報(bào)相關(guān)程序,并將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺(tái),綁定的郵箱可收到來(lái)自O(shè)neNET平臺(tái)的警報(bào)郵件。管理端網(wǎng)頁(yè)會(huì)更新相關(guān)內(nèi)容,設(shè)備的串口屏可以顯示交互界面并提供環(huán)境指標(biāo)、設(shè)備指標(biāo)等相關(guān)信息。OneNET云平臺(tái)多協(xié)議接入頁(yè)面如圖5所示。
5 結(jié) 語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的基于OneNET云平臺(tái)的消防安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測(cè)環(huán)境異常情況并檢測(cè)設(shè)備狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化管理與可視化分析。經(jīng)過(guò)測(cè)試,系統(tǒng)性能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),展現(xiàn)出了較高的實(shí)際應(yīng)用潛力與價(jià)值。
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