基于arduino的室內無線火災監測系統

姜棗

【摘要】 本系統是基于arduino平臺的火災自動偵測預警系統，使用可燃氣體濃度傳感器，溫度傳感器以及濕度傳感器，捕捉火災發生后火光、煙霧、熱能的變化，然后反饋給監測人員，并發出警報。利用多節點無線傳輸聯動機制，闡述了多點聯動無線火災檢測系統的軟硬件流程。測試結果顯示本系統可有效檢測到火災發生時的物理化學信號，并及時準確地發出警報。

【關鍵詞】 arduino 無線傳輸 火災監測

據世界火災統計及歐洲共同體研究測算，火災直接損失占國民經濟總產值的2‰，火災總損失占國民經濟總產值的10‰。現代社會經濟空前發展，積累巨額財富。尤其城市社區密集，建筑設施鱗次櫛比，一旦發生火災，嚴重危害人民的生命財產安全，造成慘重損失。火災危害不亞于地震洪水危害，不僅嚴重影響經濟發展和人類的正常生活，還污染了大氣，破壞了生態環境。火災的早期發現，是充分利用滅火措施、減少火災損失、保護生命財產的重要保證[1]。選擇合適的火災探測器來探測火情是一個首要問題，因為要考慮探測原理、適用場合、環境適應性及局限性，才能有效地發揮各種探測器的作用[2]。本系統是基于arduino控制板的多點聯動無線火災監測系統，對可燃氣體濃度、環境溫度和濕度進行實時檢測，多種傳感器進行多點多樣布置，對各傳感器發出的物理化學信號信息進行綜合計算并發出聲光警報，同時由于本系統采用多點聯動機制，還可以有效防止誤報警。

一、系統組成

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。它構建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板；軟件部分是程序開發環境Arduino IDE。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環境。本系統基于arduino的多點聯動無線檢測火災的發生。

該系統通過多個可燃氣體濃度傳感器、濕度傳感器以及溫度傳感器捕捉火災發生后火光、煙霧、熱能的變化，并發送給arduino控制板，通過計算判斷是否有火情，如果系統判斷發生火情則發出聲光警報。

本系統由可燃氣體濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、無線串口發射模塊、arduino控制板、報警燈和蜂鳴器組成，系統架構如圖1所示。

二、系統硬件設計

Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，為Arduino平臺的參考標準模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時具有14路數字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB接口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。既可以通過外部直流電源插入直流插座供電，又可以通過USB接口供電，還可以通過電池連接VIN和GND引腳供電，使用范圍廣，應用靈活，能夠滿足多種環境的需求。

2.1 傳感器模塊

2.1.1 可燃氣體濃度傳感器

采用TGS5342 CO氣體傳感器。TGS5342是費加羅研發的可電池驅動的電化學式傳感器，與現有的電化學式傳感器相比，具有以下優勢：電解質是環保型的，沒有電解液泄漏的危險；一氧化碳可檢測濃度高達1%；操作使用溫度范圍廣；對干擾氣體的靈敏度很低。這種傳感器具有使用壽命長、穩定性好、精度高的特點，通過每個傳感器的條形碼可以單獨打印傳感器的數據，使用戶可以避免昂貴的氣體校準程序，還允許對個別傳感器進行追蹤。

2.1.2 溫度傳感器

采用STT-W壁掛式溫度傳感器。STT-W系列溫度傳感器采用ABS外殼防護，側面帶有通氣孔，測量環境溫度迅速準確，適用于氣象、房間等環境溫度的測量。

2.1.3 濕度傳感器

采用電容型HS1101濕度傳感器，該傳感器具有全互換性，在標準環境下不需校正，長時間飽和情況下能夠快速脫濕等特性。由于其固態聚合物結構，可提供線性電壓或頻率輸出，反應快速，具有高可靠性與長時間穩定性。

2.2 無線通信模塊

本系統采用APC220 - 43模塊。該模塊是一款多通道嵌入式無線數傳模塊，可設置頻道，步進精度為 1Khz，發射功率高達20 MW，但是仍然具有較低的功耗。模塊采用了高效的循環交織糾檢錯編碼，最大可以糾正24bits連續突發錯誤，其編碼增益高達3dBm。模塊外部接口采用透明數據傳輸方式，能適應標準的用戶協議，所接收的數據就是所發送的數據。

2.3 供電系統

由于Arduino UNO的特點，既可以通過外部5v直流電源插入直流插座供電，又可以通過5v電池連接VIN和GND引腳供電，還可以通過USE接口連接大容量電池進行供電，因此使用范圍廣，應用靈活，能夠滿足多種環境的需求。

2.4 傳感器節點布置方案

根據本系統所采用的傳感器自身特點，探測區域的每個房間至少應設置一只火災探測器。一個探測區域內所需設置的探測器數量，不應小于下式的計算值：

N = S ÷ A × K

式中：N-探測器數量（只），N應取整數；S-該探測區域面積（㎡）；A-探測器的保護面積（㎡）；K-修正系數，特級保護對象宜取0.7～0.8，一級保護對象宜取0.8～0.9，二級保護對象宜取0.9～1.0。節點周圍5m范圍內不能有強電磁干擾源。

三、系統軟件設計

火災報警系統控制器上采用Arduino UNO作為主控芯片，其主要功能包括邏輯判斷處理、語音報警和數據采樣等，該部分是火災報警系統智能化的集中體現。

為了便于系統維護，在火災報警系統的軟件設計中采用了模塊化程序設計方法，系統各個模塊的具體功能都是通過子程序調用實現的[3]。這既使得程序結構清晰，又便于以后進一步擴展其功能。本系統主要包括主程序、溫度煙霧數據采集子程序、火災判斷與報警子程序等。系統程序流程圖如圖7所示。

系統溫度濕度煙霧信號采集程序流程圖如圖8所示：

四、實驗測試

經實驗測試表明，系統開始運行后，各傳感器及上位機運行正常，各傳感器采集到的溫度、濕度及煙霧信號可實時傳送至上位機，采集溫濕度及煙霧信號與真實值相當，檢測到的數據準確，誤差小。由于實驗場所在室內，受風力等環境因素影響較小。各傳感器在不同時間采集到的數據值變化在允許范圍之內，當某傳感器信號超出預警值時，系統可迅速準確地發出警報。

五、結論

本系統是在對煙霧、溫度傳感器和濕度傳感器進行細致選擇的基礎上，全面比較國內外同類產品的技術特點，合理地確定系統的設計方案，經實驗能滿足室內場所的火災報警功能。整個系統實現了預期的目標。

本系統通過設計一個以Arduino UNO為核心的火災報警器，可以實現聲光報警、溫度顯示、濕度、煙霧氣體濃度顯示、報警設置等功能。是一種結構簡單、性能穩定、使用方便、價格低廉、智能化的火災報警器，具有一定的實用價值。本報警器結構簡單、可維護性好。由于實現了對普通環境中溫濕度和煙霧的實時監控，因此具有非常普遍的意義，能廣泛應用于居民家庭、企事業單位等室內場所多方面的安全防范。

參 考 文 獻

[1] 范維澄. 中國火災科學基礎研究概況[J]. 火災科學，2005，6：57～ 62.

[2] 吳龍標，袁宏永. 火災探測與控制工程[M]. 合肥：中國科學技術大學出版社，1999.11：1～ 20.

[3] 王釗. 智能型火災報警系統的設計與研究.（碩士學位論文）. 西安理工大學，2009.