基于多傳感器家居火災報警系統的設計

郭澤琛

（惠州經濟職業技術學院，廣東惠州，516006）

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對家居的安全性方面提出了新的要求。家居火災的事件時有發生，給人們的生命財產造成不可估量的損失，因此防火成了家居安防的重要組成部分。目前家居火災探測主要是采用單一傳感器探測，可測氣體種類少、誤報率較高[1]。隨著互聯網的普及，軟硬件技術的不斷發展，家居防火設備逐步升級。人們通過手機APP隨時隨地可以了解家庭火災特征的各環境參數信息，在環境參數超標時可實現現場報警和遠程提醒，同時采取一定的應急措施，從而讓家居火災在萌芽狀態或是早期階段及時發現處理，避免生命財產的損失。

1 系統設計方案

家庭火災常伴隨著溫度、煙霧濃度、C0氣體濃度的升高。家居防火監測系統通過探測相關參數并進行融合判斷，得出家庭是否有火災的結論。該系統包括了上位機和下位機，上下位機信息交換通過WIFI無線網絡實現。下位機通過功能引腳獲取傳感器采集到的溫度、煙霧濃度、CO氣體濃度等與火災發生的特征參數信息，并對采集到的數據進行處理，當參數超標時，則進行應急處理，同時現場進行聲音報警。WiFi模塊通過串口獲取到的下位機的環境參數，并上傳至云端，上位機通過手機APP對火災的特征參數進行顯示。當參數超標時，WiFi模塊會發送相關動作指令，使手機振動與微信公眾號信息推送進行提醒。在無網絡或弱網絡時，只會影響上位機的動作，下位機的聲音報警和應急動作并不會受其影響，確保電路在離線狀態的時候能夠正常保持原有的保護措施。家居火災監控報警系統的組成框圖如圖1所示。

圖1 火災報警系統的硬件框圖

2 下位機設計

家居防火監控報警系統下位機以8位STM8S單片機為核心，通過傳感器對家居環境的CO氣體、溫度、濕度、煙霧濃度進行檢測，外接風扇驅動電路和LED驅動電路，從而實現環境參數的探測、現場報警和相關應急措施。

■2.1 煙霧傳感器

家居火災的發生通常會伴隨煙霧的產生。MQ-2煙霧傳感器對丙烷、煙霧等有良好的靈敏度，而且測量范圍寬，壽命長、低成本、驅動電路簡單[2]。本系統先用此型號傳感器進行煙霧探測。測試傳感器時，加熱器電壓（VH）交直流電源均可，但測試電壓（VC）必須要用直流電源。當檢測一定范圍內的易燃、有毒氣體濃度超過閾值時，電路的蜂鳴器與風扇將會工作，手機端也會收到震動與微信公眾號消息的推送提醒，直到濃度降低到閾值以下才會停止蜂鳴器與風扇，有效避免氣體中毒和家居因煤氣或天然氣泄漏造成的火災或中毒事件。

■2.2 一氧化碳傳感器

火災發生時，CO氣體濃度會升高，本系統選用MQ-7一氧化碳傳感器對該參數進行探測。該傳感器會根據環境一氧化碳的濃度改變電導率，通過外接電路實現CO氣體的探測[4]。該傳感器的測試電路注意事項與MQ-2相同。

■2.3 溫濕度傳感器模塊

火災發生的另一個重要特征參數是溫度的升高，濕度的降低。環境溫濕度的檢測選用的是數字化采集的DHT11傳感器[3]。這是一款溫度與濕度兼備測量的復合傳感器，其溫濕度的精度和量程范圍非常適合家居環境的檢測，且干擾性強，外圍電路簡單，單片機通過單總線就可與DHT11通訊，讀取其溫濕度的數據，但需注意的是兩次測量的間隔最好大于10s。

■2.4 風扇和報警驅動電路模塊

該模塊主要從成本角度出發，選用三極管驅動蜂鳴器與風扇。當可燃性氣體濃度或環境溫度超過閾值時，蜂鳴器就會發聲進行報警，同時啟動風扇，進行排風工作。

■2.5 下位機主控制器

下位機的主控制器選用ST公司的8位單片機STM8S 103F3P6，具有16路GPIO，其中3路可作為PWM輸出，5路可以可用于ADC模擬輸入，性價比高。該單片機提供四種不同的低功耗模式，有效保證產品的低功耗的性能。

■2.6 下位機程序設計

多傳感器家居火災監測報警系統根據傳感器對采集煙霧傳感器和溫濕度傳感器的數據進行轉換，當煙霧傳感器值超過閾值時，將會啟動排風扇，同時進行聲報警，同時會發送指令到WiFi模塊，用于進行上位機提醒動作。程序流程如圖2所示。

圖2 下位機主程序流程圖

3 上位機的設計

多傳感器家居火災報警系統可通過手機端實時查看家居的溫度、濕度、煙霧濃度、CO氣體濃度，風扇運行次數，以及溫度、濕度、煙霧濃度的歷史數據曲線，可顯示1小時/24小時/7天的信息變化。當家居環境異常時通過手機振動與微信公眾號消息推送進行提醒；且手機端APP也可控制家居LED燈狀態。該APP使用點燈科技的物聯平臺開發，該開發平臺提供企業版、專業版和免費版三種技術支持，本系統選用免費版本，該版本支持多種設備接入方式，提供一定的云存儲空間、微信通知等強大的功能接口。家居防火監控系統手機端APP界面如圖3所示，微信公眾號消息推送提醒圖4所示。

4 上下位機的通信

上下位機的信息交換采用WiFi無線通信模式，這是一款由樂鑫公司推出的ESP8266 WiFi芯片[5]，它支持SPI、I2C、UART等通信方式，與單片機電路連接簡單。ESP8266模塊使用了Blinker物聯網接入方案，該方案提供手機APP端、設備端、服務端的支持，提供物聯網開發所需的API接口。

圖3 家居防火監控系統APP界面

圖4 微信公眾號消息提醒

上下位機通道建立后，服務器會馬上發送第一次心跳包確認，之后每30s發送一次，確認下位機設備在線的情況，60s一次的數據上傳更新，其時間間隔在合理的范圍中，可以滿足基本需求，ESP8266會以30s的周期向STM8S獲取當前環境參數。通信程序流程圖如圖5所示。

圖5 WIFI通信程序流程圖

5 小結

本系統主要是實現了家居火災特征參數的數字化監測，主控制器對多個傳感器檢測的數據進行融合判斷家居是否有火情，當環境異常時發出報警信息。經測試，該系統可以實時遠程采集家居環境溫度、濕度、煙霧濃度和CO氣體濃度，手機端APP實時顯示，數據準確，實時性高。當超過閾值時，能夠實現實地的聲音報警和應用端的手機振動與微信公眾號消息推送提醒，并智能起動排風扇，實現了對家庭環境的監控與現場和遠程的報警提醒。