基于單片機和無線數據傳輸模塊的實訓室智能火災報警系統研究

◎張力

基于單片機和無線數據傳輸模塊的實訓室智能火災報警系統研究

◎張力

目前，越來越多的高職院校大力建設實訓場館，還投入了大量的資金購置各種實訓器材與設備，在為目前的專業教學提供便利的同時對教學質量的提升也有積極意義。但是，隨著高職院校各種實訓室數量的增加，其中的安全問題越來越受到關注。本次研究擬設計出一個符合高職院校實訓室的智能火災報警系統，實現實訓室管理質量的進一步提升。

高職院校對實訓室的投資越來越大，數量的快速增長使得高職院校必須加強對實訓室的日常管理。其中，防火問題就是實訓室日常管理的重要環節，不重視防火問題，往往帶來嚴重的后果。以計算機及電子信息等相關專業為例，實訓設備涉及到計算機、服務器、網絡設備、電子元件、電烙鐵等一些可燃易燃物品，并且這些設備具有線路復雜，易老化等特點，這些都容易導致火災事故的發生。因此，如何對實訓室環境進行實時監控，從而快速發現火情，為滅火搶得時間，成為了目前高職院校實訓室管理工作中的重要工作。

圖1 TGS202氣體傳感器電路圖

實訓室智能火災報警系統硬件設計

單片機與報警器。在整個智能火災報警系統中，單片機是整個系統的核心。其作用一方面要接受來自傳感器傳達過來的溫度、煙霧對應的模擬信號，另一方面實現對接受到的信號的處理。由于信號的不斷傳送，要求單片機能夠有一定的運算速度。同時為了考慮到經濟條件，本次研究選用STM32F101系列處理器作為上位機控制核心。系統下位機處理器選用STC89C52RC型單片機，搭配相應傳感器電路進行聲音報警控制。

無線數據傳輸模塊。本次研究擬采用nRF24L01這款芯片，這款芯片功耗低，采用2.4-2.5GHz ISM作為工作頻段，nRF24L01可以通過配置寄存器將nRF24L01配置為發射、接受、掉電、空閑4中不同的工作狀態，工作狀態下其電流僅9mA，接收狀態下工作電流12.3mA。

氣體傳感器控制電路。在發生火災的過程中，主要的氣體煙霧是CO2和CO，利用TGS202氣體傳感器能探測CO2，CO，甲烷，煤氣等多種氣體，它靈敏度高，穩定性好，適合于火災中氣體的探測。電路圖見圖1。

煙霧傳感器和溫度傳感器。智能報警系統其管家在于報警器的靈敏度以及報警準確度，這一點提示系統一定要采用報警準確、性能穩定、價格低廉、使用方便的煙霧傳感器。MQ-2傳感器對煙霧的敏感性高，能夠在火災發生之前實現對煙霧的有效探測，能夠通過煙霧判斷火情，實現提前預報。本次系統中選用AD590電流型二端傳感器。AD590是一款電流型溫度傳感器，其輸出與絕對溫度成正比。

無線發射電路與單片機接口。nRF24L01芯片內置頻率合成器 、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，其優勢在于多種工作模式下其能耗非常小。

實訓室智能火災報警系統軟件設計

發送端。關于發送端的軟件設計，系統發送端通過傳感器采集到相關數據之后通過利用信號調理后傳送至單片機進行數據的處理，然后再由nRF24L01發送到接收端。整個程序流程為：開始→系統初始化→發射握手信號→發送數據包→接受校驗→校驗和檢驗→結束。在這個過程中，需要注意的是不同狀態在實現轉換中的時延問題。可以在數據發送之前將電路設置為發射模式。接受模式轉換為發射模式轉換時間為1ms。

接收端。之所以設置握手信號是為了能夠確保點對點收發機之間大大同步的效果。只有握手信號正確系統才開始接受有效數據包。為了避免數據包出現丟失的可能性，因此需要在這個部分加以控制。針對接收端采用字節奇偶校驗法，通過將需要校驗的內容的每一個字節按照位節異得到校驗字節，方的數據進行字節奇偶校驗，再將校驗位進行比較，這個過程中發射端自動實現重發，一直到校驗正確。

在對氣體的濃度進行采樣的過程中，考慮到尖脈沖干擾的問題，可考慮采用去極值平均濾波法，這種方法可以有效濾去脈沖干擾又可以濾去小的隨機嘎繞，有效保證報警器在檢測煙霧濃度時的準確性，降低誤報、錯報的可能性。

當煙霧濃度或者溫度值超過設定的報警限值，報警器發出警報，提示相關操作人員采取安全對策或者自動控制相關安全裝置，有效保證整個實訓室的安全。為了避免出現誤報的情況，在程序設計的過程中，需要對煙霧濃度以及溫度進行快速重復檢測和延時報警，以區別是否是真實的實訓室出現火災。

系統測試

在實驗室中，將設計好的系統放置密閉容器中，將溫度設置為預警值42℃，煙霧濃度預警等級設置為4級。系統可以根據具體的環境情況對煙霧濃度以及溫度值進行設置，實際上就是根據實訓室內各種計算機、服務器、網絡設備、電子元件、電烙鐵等一些可燃易燃物品制定出更加準確的溫度值，達到更加準確的判斷火災并報警。在測試過程中，通過計算每次發送數據的丟包率，然后對不同距離的10次數據丟包率平均值作為該通信距離的最終數據丟包率，通過實驗發現當通信距離在10m、30m、50m、60m均沒有出現這類情況，當通信距離超過80m開始出現。

智能火災報警器不僅保障實訓室內的各項儀器設備的安全，更多是保障學生安全，最大化的避免火災和爆炸事故等的發生。本次研究在對單片機、無線數據傳播模塊、溫度傳感器、報警技術等進行深入研究的基礎上，全面性的比較了各類產品的技術特點，最終選擇了單片機STM32F101、MQ-2煙霧傳感器、無線模塊nRF24L01、TGS202氣體傳感器、AD590電流型二端溫度傳感器等，組成一個智能火災報警系統，該系統可以實現聲光報警、故障自診斷、報警限設置、延時報警等功能，整個系統結構簡單、性能穩定、使用方便、價格低廉，實用價值明顯。

武漢城市職業學院）