一種智能實用型公寓樓防火監(jiān)測系統(tǒng)

覃春武 朱劍鋒 李檳材 謝好 常梅芳

摘 要：為解決傳統(tǒng)安防系統(tǒng)存在的成本大與功耗大等問題，提出一種智能實用型的防火監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由APP、管理終端、煙霧報警器組成;在APP可實時遠程監(jiān)測公寓樓每個房間的火情，根據(jù)火情溫度變化進行智能預測生成安全的逃生路線;管理終端采用UPS不間斷電源實現(xiàn)掉電保持正常運行。煙霧報警器自帶電池，由ZigBee定時采集數(shù)據(jù)并傳輸。該設計具有功耗低、實用性強、安裝便捷等特點，能為公寓樓提供高效的安全保障。

關鍵詞：防火監(jiān)測;煙霧報警器;ZigBee;UPS不間斷電源;

1 引 言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展與高層建筑物的不斷增加，對公寓樓的智能防火監(jiān)測報警系統(tǒng)的要求也越來越高。火災事故的發(fā)生會對生命安全造成威脅，所以選擇一個智能的防火監(jiān)測系統(tǒng)十分重要。市面上的防火系統(tǒng)多數(shù)采用有線式，安裝及改造成本較大、維護難度高;雖然市面上也有采用無線式，但存在實用性較差、功耗高、短時間內停電無法實時監(jiān)測等問題。本系統(tǒng)正好解決了這些問題，煙霧報警器采用光電檢測方式使其制造成本低與安裝便捷等優(yōu)點 [3]。系統(tǒng)可在APP實時定位火情;系統(tǒng)均采用電池供電達到掉電運行功能，具有功耗低、實用性強等優(yōu)點，使其該系統(tǒng)更具有發(fā)展前景。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1系統(tǒng)管理終端結構設計

防火監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由APP端、系統(tǒng)管理終端、煙霧報警器三部分組成。

系統(tǒng)管理終端也為網(wǎng)關設備，通過ZigBee網(wǎng)絡采集到多個煙霧報警器節(jié)點的數(shù)據(jù)，再通過WiFi網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳到云平臺及手機端APP進行顯示。當采集到某房間的煙霧報警器節(jié)點發(fā)生煙霧彌漫或溫度超過閾值時蜂鳴器高聲報警，管理終端會通過GSM模塊實現(xiàn)自動撥打電話給房東或小區(qū)物業(yè)管理，以便及時發(fā)現(xiàn)并處理;可以根據(jù)公寓樓多個室內溫度變化進行智能預測生成安全逃生路線。系統(tǒng)管理終端采用UPS不間斷電源實現(xiàn)掉電運行功能，當市電停電后，系統(tǒng)會自動的切換為備用電源來供電保障系統(tǒng)的正常運行，通過電壓檢測電路測量電池電量，防止電池過度放電導致?lián)p壞;當市電恢復后則自動的切換為市電供電，再自動為電池進行充電，充滿時自動停止，有利于延長電池使用的壽命。

手機端APP主要實現(xiàn)與安防管理終端的數(shù)據(jù)交互，用戶可以通過手機查詢公寓樓的煙霧與溫度情況，當發(fā)生火情時可以快速查看火情位置以便從安全的路線快速逃生。煙霧報警器采用ZigBee作為無線傳輸煙霧與溫度數(shù)據(jù)，ZigBee終端節(jié)點定時采集煙霧、溫度數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關的ZigBee協(xié)調器，從而傳輸至主控制器通過WiFi與云平臺轉發(fā)到手機端APP。

2.1.1 主控制器

智能安防系統(tǒng)的主控制器采用ST公司的STM32主流單片機，具有先進的Cortex-M3架構，數(shù)據(jù)處理快、傳輸速率高，具有ADC、DAC、DMA等豐富的內部資源，比傳統(tǒng)的8051單片機性價比高，因此開發(fā)起來較為便利，能夠快速地完成開發(fā)和投入市場。

2.1.2 無線網(wǎng)絡通訊模塊

系統(tǒng)無線網(wǎng)絡傳輸技術傳輸均采用集成模塊，主要由WiFi、ZigBee、GSM無線模塊組成。

ESP8266無線模組，是由安信可自主開發(fā)的高性價比WiFi SoC模組，該系列模組擁有國際標準的IEEE802.11b/g/協(xié)議，并內置了TCP/IP協(xié)議棧。該模塊既可用以實現(xiàn)設備的連接，也可以形成自己的網(wǎng)絡控制器，支持AT指令開發(fā)和SDK開發(fā)[1]。

ZigBee無線模塊使用億佰特電子公司自主研發(fā)的ZigBee自組網(wǎng)模塊E18-MS1， E18-MS1模塊采用TI公司的CC2530射頻芯片，內部具備8051單片機及無線收發(fā)器，出廠自帶固件基于ZigBee協(xié)議實現(xiàn)的串口數(shù)據(jù)透傳，使用UART通訊接口進行串口指令通信，可以快速實現(xiàn)二次開發(fā)，具有自組網(wǎng)靈活、超低功耗等特點，低功耗模式下待機功耗小于2uA[2]。使用ZigBee技術的感應節(jié)點及協(xié)調節(jié)點均具有功耗低、成本低、延時短、大容量、可靠性高等特點，能夠滿足系統(tǒng)安防檢測的需求[2]。

GSM無線模塊采用SIM808模塊，該模塊是一款工業(yè)級且高性能的GSM、GPRS、GPS多功能模塊，可以低功耗實現(xiàn)語音、短信、彩信、數(shù)據(jù)的傳輸[3]。模塊板載USB轉TTL串口電路并支持單獨TTL串口連接，使用AT指令進行二次開發(fā)，具有移植性高、開發(fā)效率快等特點[4]。

2.2煙霧報警器節(jié)點硬件結構設計

煙霧報警器節(jié)點硬件結構框圖如圖2所示，主要由電源穩(wěn)壓電路、STM32L0單片機、ZigBee模塊、傳感器檢測電路、指示燈與蜂鳴器報警電路組成。主控制器采用STM32L051C8T6單片機低功耗系列處理器，主控制器通過串口與ZigBee模塊進行通訊，定時控制ZigBee模塊切換工作模式，當需要采集數(shù)據(jù)時喚醒進入工作模式，當無需傳輸數(shù)據(jù)時則進入低功耗待機模式。為減少系統(tǒng)不必要的功耗，系統(tǒng)方案基本都采用低功耗方案設計，使得煙霧報警器可以超長待機。

2.2.1 煙霧檢測方案

煙霧檢測采用紅外光電式檢測方案，采用紅外對射管實現(xiàn)光電式反射檢測原理，當發(fā)射紅外光源時，處于正常情況下，紅外接收頭是無法接收到紅外光源的;當發(fā)生火災時，煙霧粒子進入煙霧迷宮，光源就會發(fā)生反射現(xiàn)象，從而導致紅外接收管的模擬電壓發(fā)生變化，煙霧越濃，模擬信號變化越大，從而能檢測出煙霧的濃度[5-10]。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1系統(tǒng)管理終端網(wǎng)關設備程序設計

安防系統(tǒng)的管理終端程序流程圖如圖3所示，系統(tǒng)初始化后開始控制ZigBee協(xié)調器建立ZigBee網(wǎng)絡，以及定時10秒采集電池電壓，防止電池過度放電導致?lián)p壞。使WiFi模塊連接至路由器與云平臺服務器，當網(wǎng)絡連接成功后將ZigBee網(wǎng)絡采集到的節(jié)點數(shù)據(jù)進行溫度智能預測，把檢測結果顯示在LCD屏幕并通過WiFi上傳至云平臺及手機端APP。電池電量采集部分采用節(jié)能式采集方法，當需要測量電壓時再使能采集電路，采集完電壓后再斷開測量電路，通過程序實現(xiàn)節(jié)能采集，減少產(chǎn)生不必要的耗電。

3.2煙霧報警器節(jié)點程序設計

安防系統(tǒng)的煙霧報警器程序設計流程圖如圖4所示，系統(tǒng)初始化后即加入ZigBee網(wǎng)絡，主控STM32單片機采集煙霧、溫度、電池電壓等數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸?shù)较到y(tǒng)管理終端的ZigBee協(xié)調器，如果采集的數(shù)據(jù)存在閾值異常，則啟動蜂鳴器進行報警;采集與上傳數(shù)據(jù)后系統(tǒng)是處于空閑狀態(tài)，所以此時主控控制ZigBee模塊進入待機模式，主控也進入STOP模式，使用內部RTC定時喚醒功能，定時3S喚醒與ZigBee模塊再次進入數(shù)據(jù)采集上傳任務，以此輪詢實現(xiàn)低功耗的煙霧檢測功能。

4結論

本設計結合了電子技術、單片機技術、無線通訊技術等結合實現(xiàn)了一套智能防火監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)管理終端采用UPS不間斷電源，以確保系統(tǒng)斷電也能正常的實時監(jiān)測，完成了低功耗的無線遠程煙霧實時監(jiān)測功能，智能預測室內溫度變化，以實現(xiàn)火情智能逃生路線的實用功能。使用煙感與溫感雙重檢測火情，使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性與可靠性等優(yōu)勢，且系統(tǒng)的功耗低、實用性強、成本低等優(yōu)點，可為公寓樓提供高效的安全保障。

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[10] 程俊紅.基于單片機的煙霧報警器設計[J].信息通信，2014（02）：61.

作者簡介：

覃春武（2000-），男，壯族，廣西宜州人，北部灣大學本科在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)

通訊作者簡介：

朱劍鋒（1986-），男，漢族，廣西陸川人，碩士，講師，研究方向：傳感技術及信號處理

基金項目：2021年廣西壯族自治區(qū)大學生實踐創(chuàng)新訓練項目（項目編號：S202111607033）。