基于STM32芯片的樓宇火災(zāi)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

楊彥偉 雒志秀 鄭肖宇 亢麗變 方舟

摘要：在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)高速發(fā)展的今天，各種現(xiàn)代化樓宇對火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警提出了更高的要求。本設(shè)計(jì)是在STM32為主控芯片的基礎(chǔ)上，通過NRF24L01無線收發(fā)裝置，使LCD1602顯示災(zāi)情并在同一時(shí)刻蜂鳴器響，從而達(dá)到遠(yuǎn)程報(bào)警的目的。本次設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)樓宇火災(zāi)報(bào)警的方便，對保護(hù)人身安全和財(cái)產(chǎn)安全具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：NRF24L01無線射頻收發(fā)器，自動(dòng)報(bào)警

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.024

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，火災(zāi)問題成為了社會(huì)一大安全隱患，而在這其中高樓建筑因?yàn)槠渑c人們生活息息相關(guān)，倍受人們關(guān)注。在我們的生活中有許多家用電器（電視機(jī)、電冰箱、空調(diào)等）、裝潢材料、甚至于我們經(jīng)常穿的衣服，一不小心都有可能引發(fā)高樓建筑起火，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致人員大面積傷亡，造成嚴(yán)重?fù)p失。由此可知，火災(zāi)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)，在高樓建筑中的應(yīng)用是有光明前景的。

現(xiàn)代社會(huì)，無線遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)中是使用煙霧傳感器，煙霧傳感器將采集的濃度變化傳送至控制器，控制器做出相應(yīng)反應(yīng)，這一過程同時(shí)進(jìn)行，速度快，以此來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警。傳統(tǒng)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警由開關(guān)量報(bào)警器來實(shí)現(xiàn)報(bào)警，不僅效率低下，而且很可能誤報(bào)警，產(chǎn)生社會(huì)恐慌。無線遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警與傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相比較下，可以明顯感知：將開關(guān)量報(bào)警器改為煙霧傳感器與單片機(jī)的結(jié)合，使系統(tǒng)確定火災(zāi)發(fā)生的數(shù)據(jù)以及智能化處理更加準(zhǔn)確，使錯(cuò)誤報(bào)警發(fā)生的概率降低。在微處理器高速發(fā)展的今天，低價(jià)位、低功耗、高性能的單片機(jī)處處可見。使用單片機(jī)以后，更加方便了我們的設(shè)計(jì)，許多以前必須要硬件來完成的功能，現(xiàn)在可以通過控制軟件程序來實(shí)現(xiàn)，測量的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，硬件部分更好控制，連接電路結(jié)構(gòu)更加簡單，增加了電路的可靠性。如今，火災(zāi)報(bào)警方面新技術(shù)發(fā)展的越來越快，技術(shù)越來越成熟，在整體電路設(shè)計(jì)不做大調(diào)整的前提下，使用更新報(bào)警新技術(shù)，加入最新的火災(zāi)報(bào)警新技術(shù)，從而改變部分程序，更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，使火災(zāi)報(bào)警更加準(zhǔn)確，性能更加可靠。

本設(shè)計(jì)是使用STM32單片機(jī)結(jié)合NRF24L01無線射頻收發(fā)技術(shù)而開發(fā)的報(bào)警系統(tǒng)。本文主要針對火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分分別進(jìn)行介紹。本文設(shè)計(jì)的火災(zāi)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能有效的防止和減少火災(zāi)危害，解決傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)不能解決的問題，對保護(hù)人身安全和財(cái)產(chǎn)安全具有實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)總體功能

本設(shè)計(jì)主要以STM32單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，通過NRF24L01無線收發(fā)模塊和煙霧傳感器對現(xiàn)場探測進(jìn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測，來控制LCD1602液晶顯示器顯示安全或危險(xiǎn)、蜂鳴器報(bào)警和通知消防人員。系統(tǒng)主要由STM32主控芯片模塊、煙霧傳感器模塊、無線收發(fā)模塊、液晶顯示器模塊、蜂鳴器模塊五部分組成。主控模塊主要判斷火災(zāi)采集煙塵等的濃度作出相應(yīng)指令，即在液晶顯示器上顯示災(zāi)情，蜂鳴器警示火災(zāi)發(fā)生；無線收發(fā)模塊主要讓消防部門知曉災(zāi)情發(fā)生，實(shí)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警。具體硬件連接框圖如下圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分主要由主控芯片、無線收發(fā)模塊、蜂鳴器、液晶顯示器、煙霧傳感器五部分組成。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括信息采集部分與信息接受部分、液晶顯示與蜂鳴器部分。

2.1 系統(tǒng)硬件部分

1）主控芯片的選取

STM32單片機(jī)具有穩(wěn)定性，低功耗、低成本、程序模塊化的特點(diǎn)。其接口較為簡單。芯片內(nèi)部具有可編程FLASH存儲(chǔ)器，具有最大的集成度復(fù)位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等；簡單的結(jié)構(gòu)和易用的工具，并且該款產(chǎn)品被眾多工業(yè)級(jí)別的嵌入式控制系統(tǒng)所采用，為其提供高靈活性和高可靠的工作性能。相對于5 1單片機(jī)功能更加強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)的功能更多。

2）無線收發(fā)模塊的選取

NRF24L01具有極低的電流消耗，在發(fā)射模式下工作時(shí)，當(dāng)功率為0時(shí)，發(fā)射的電流與接受的電流都極低。并且在多功率模式（掉電和空閑模式）下更利于節(jié)能。可直接與單片機(jī)接口連接，外接原件口少方便快捷。在無障礙情況傳輸距離達(dá)到240m。NRF24L01無線射頻收發(fā)器是工作在2.4GHz頻段的。

3）煙霧傳感器的選取

煙霧傳感器采用低功耗CMOS微處理器；內(nèi)部采用離子式煙霧傳感；光學(xué)迷宮；可以感知環(huán)境中待測氣體的濃度變化，可以單獨(dú)的測一種氣體，排除其他氣體，抗干擾能力強(qiáng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用獨(dú)特的超薄式結(jié)構(gòu)，牢固的同時(shí)，降低了成本；煙霧傳感器的性能穩(wěn)定，不容易損壞；使用特殊材料防潮、防塵，在使用情況下避免非因素條件的干擾。

4）液晶顯示器的選取

LCD1602液晶顯示器具有多種顯示形式，例如可以顯示數(shù)字、字母等。可以識(shí)別英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字、日本片假名。液晶顯示器的功耗比其他顯示器消耗電量要少得多，價(jià)格便宜。LCD1602的顯示內(nèi)容豐富多彩，顯示質(zhì)量高。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超薄輕巧，從而使體積減小，制作成本減少，方便操作。在我們所用的單片機(jī)中就可見。

5）蜂鳴器的選取

無源蜂鳴器的理想信號(hào)是方波，內(nèi)部沒有震蕩源，需要驅(qū)動(dòng)的電流才能發(fā)生，必須用2K～5K的方波去驅(qū)動(dòng)它。而它程序控制方便，用起來省事，價(jià)格便宜，聲音頻率可控，可以做出“多來米發(fā)索拉西”的效果。在一些特例中，可以與LED復(fù)用一個(gè)控制口。

2.2 系統(tǒng)信息采集與信息接受部分

采集部分：這個(gè)部分我們使用煙霧傳感器采集環(huán)境內(nèi)的煙霧濃度，煙霧傳感器有較好的靈敏度，能有效的檢測環(huán)境中煙霧的濃度，如二氧化碳、煙塵等的濃度變化，將數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行處理，將數(shù)值傳送到NRF24L01無線發(fā)送端，完成信息的采集。正是由于煙霧傳感器的高靈敏度，使得我們在剛發(fā)生災(zāi)情的情況下就可以了解災(zāi)情。

接收部分：NRF24L01無線接收端接受來自NRF24L01無線發(fā)送端傳來的煙霧濃度值，傳送至單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行信息處理。在這過程中必須檢測數(shù)據(jù)是否接收，之后進(jìn)行判斷是否達(dá)到也報(bào)警濃度范圍。整個(gè)系統(tǒng)在這一過程中都在運(yùn)行。

這兩部分的完成使消防人員可以很快的接受災(zāi)情報(bào)告，并及時(shí)援助。

2.3 液晶顯示與蜂鳴器

煙霧傳感器采集到的煙霧濃度變化值經(jīng)單片機(jī)判斷，若沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值蜂鳴器不響，LCD1602顯示“OK”字樣；超過設(shè)定范圍，進(jìn)行報(bào)警操作，蜂鳴器響，LCD1602顯示“Dangerous”。主要實(shí)現(xiàn)人員對于環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序介紹

系統(tǒng)的主程序要完成STM32單片機(jī)系統(tǒng)的初始化、設(shè)置各模塊的程序，調(diào)用各個(gè)處理子程序，然后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的程序，如延時(shí)函數(shù)等的調(diào)用、數(shù)據(jù)的采集與處理。在其中，“數(shù)據(jù)的采集”我們寄存器來判斷數(shù)據(jù)是否接受完成燈，“采集的濃度”我們通過控制電位器阻值來實(shí)現(xiàn)，使液晶顯示器顯示與蜂鳴器響應(yīng)。系統(tǒng)流程圖如圖2。

3.2 “亮點(diǎn)應(yīng)用”24L01的程序介紹

24L01無線收發(fā)模塊的程序由接收程序與發(fā)送程序組成，從而實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)送與傳輸。首先，要對24L01進(jìn)行初始化設(shè)置，在整個(gè)程序中運(yùn)用到延時(shí)函數(shù)的調(diào)用、寄存器數(shù)值的讀取、變量的設(shè)置等。必須注意的是：在這過程中要檢測數(shù)據(jù)是否接受或發(fā)送。

接收程序與發(fā)送程序兩者具有共同的程序，使編程過程簡單了許多。24L01的程序主要包括以下幾個(gè)：

（1） nrf2401_init（）； （2）nrf_rx_mode（）； （3）uart_init（）； （4）delaylOOms（）；

4 結(jié)論

經(jīng)過單片機(jī)的處理，若在設(shè)定的范圍內(nèi)，蜂鳴器不響，LCD1602液晶“OK”字樣；超過設(shè)定范圍，進(jìn)行報(bào)警操作，蜂鳴器響，LCD1602液晶顯示“Dangerous”字樣。基于STM32芯片的火災(zāi)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能夠正確傳送信息，在第一時(shí)間通知相關(guān)部門災(zāi)情情況，實(shí)現(xiàn)求援助的功能。使用STM32單片機(jī)，經(jīng)過NRF24L01無線收發(fā)模塊的信息傳輸，使整個(gè)過程的效率提升，并且提高了樓宇生活的安全系數(shù)，人們的生活更加有保障，具有廣泛的應(yīng)用前景。