基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能消防控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何建強(qiáng)，楊振寶，王邊馳

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

火災(zāi)給全國(guó)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的損失，且火災(zāi)發(fā)生率還在逐年攀升[1]。根據(jù)我國(guó)消防部門公布的數(shù)據(jù)，近十年來(lái)重大火災(zāi)事故近千人死亡，造成財(cái)產(chǎn)損失近5億元[2]。隨著人民生活水平的逐步提高，各種電器設(shè)備也在逐年增加，發(fā)生重大火災(zāi)的概率也會(huì)增加，如何有效地保護(hù)和提高家庭用電安全，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生是人們必須面對(duì)的問(wèn)題。傳統(tǒng)的消防系統(tǒng)是有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，成本高、難鋪設(shè)、易老化，對(duì)災(zāi)情信息發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，火災(zāi)蔓延時(shí)不能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)重大災(zāi)情，錯(cuò)過(guò)寶貴的消防聯(lián)動(dòng)逃生機(jī)會(huì)和時(shí)間，造成重大人員傷亡[3]。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能消防技術(shù)融合，利用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸快的優(yōu)點(diǎn)，補(bǔ)齊傳統(tǒng)消防系統(tǒng)的短板。利用多個(gè)不同傳感器實(shí)時(shí)采集火災(zāi)相關(guān)信息，隨時(shí)將火災(zāi)信息經(jīng)過(guò)Wifi無(wú)線傳輸模塊上傳至服務(wù)器中，單片機(jī)對(duì)當(dāng)前信息進(jìn)行有效判斷，將結(jié)果反饋到手機(jī)APP端。用戶可以隨時(shí)從手機(jī)端查閱火災(zāi)信息，一旦發(fā)生火災(zāi)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)感知層感知信息實(shí)時(shí)報(bào)警、斷電、打開滅火系統(tǒng)，為火后安全逃生或營(yíng)救贏得寶貴時(shí)間。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的消防智能控制系統(tǒng)由火災(zāi)探測(cè)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和信息處理模塊組成，火災(zāi)探測(cè)模塊主要檢測(cè)是否有可燃?xì)怏w和是否存在明火。火災(zāi)探測(cè)模塊中的傳感器將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，并在該電路中完成I/V轉(zhuǎn)換。得到的電壓信號(hào)接入單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得出轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。一路通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)上傳至手機(jī)APP，一路通過(guò)單片機(jī)顯示至顯示屏。最后使用單片機(jī)進(jìn)行判斷是否發(fā)生火災(zāi)，同時(shí)將判斷結(jié)果發(fā)送至手機(jī)端APP。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)電路

電路的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為STM32最小系統(tǒng)（STM32F103C8T6、復(fù)位電路）。以單片機(jī)芯片STM32F103C8T6 為核心[3]，加上 1 個(gè) 10 μF 電容與1個(gè)10 kΩ電阻構(gòu)成復(fù)位電路，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)電路

2.2 無(wú)線傳輸系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)使用ESP8266作為數(shù)據(jù)傳輸芯片，使用MQTT作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，TXD0和RXD0是該模塊的通訊引腳，與單片機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，發(fā)送腳TXD連接單片機(jī)IO口PB11，接收腳RXD連接單片機(jī)IO口PB10。

2.3 傳感器電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器采用DHT11，該傳感器共有四個(gè)引腳，其中VDD腳接電源正極，DATA和NC為信號(hào)線，接單片機(jī)PB0口。

煙霧傳感器選用U4 MQ-9，硬件連接電路如圖3所示。其中1腳與3腳相接實(shí)現(xiàn)TTL電平輸出，連接單片機(jī)PA3腳；6腳與4腳相接實(shí)現(xiàn)模擬量輸出，連接單片機(jī)PA4腳；5腳接VCC，2腳接GND。

圖3 煙霧傳感器U4 MQ-9的電路連接

2.4 滅火系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

整個(gè)滅火系統(tǒng)共包括三個(gè)部分：火焰和可燃檢測(cè)報(bào)警[5]、排煙系統(tǒng)和滅火噴淋系統(tǒng)。報(bào)警系統(tǒng)是通過(guò)單片機(jī)控制一個(gè)有源蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。排煙系統(tǒng)使用一個(gè)12 V，2 W的風(fēng)扇連接繼電器實(shí)現(xiàn)開關(guān)實(shí)時(shí)控制。滅火噴淋系統(tǒng)使用了12 V，2 W的常閉式電磁閥控制消防噴淋管道，并連接繼電器實(shí)現(xiàn)開關(guān)可控。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件主要針對(duì)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)探測(cè)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和信息處理模塊的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。火災(zāi)探測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸模塊主要進(jìn)行信息傳遞和信息交互處理。信息處理模塊是用戶基于感知層信息的不同應(yīng)用做出的反應(yīng)，即手機(jī)端對(duì)于系統(tǒng)的控制，從而使用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化控制。

3.1 火災(zāi)探測(cè)模塊

火災(zāi)探測(cè)模塊主要為溫濕度檢測(cè)和火焰檢測(cè)。系統(tǒng)根據(jù)傳感器檢測(cè)到的信息判斷是否發(fā)生火災(zāi)，并將傳感器檢測(cè)到的信息傳給網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層將傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)信息通過(guò)服務(wù)器傳送至手機(jī)端，為用戶的下一步?jīng)Q斷提供判斷依據(jù)。火災(zāi)探測(cè)流程如圖4所示。

圖4 火災(zāi)探測(cè)流程圖

3.2 無(wú)線傳輸模塊

無(wú)線傳輸模塊是整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層，主要進(jìn)行各個(gè)模塊之間的信息傳遞和信息交互、處理。通過(guò)MQTT傳輸協(xié)議將感知層采集的信息進(jìn)行發(fā)送傳遞[6]。程序流程如圖5所示。

圖5 無(wú)線傳輸流程圖

3.3 滅火系統(tǒng)

滅火系統(tǒng)是通過(guò)繼電器控制排煙扇、家用空開控制器和噴淋系統(tǒng)，當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到明火時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警，用戶可以通過(guò)手機(jī)端APP控制繼電器模塊實(shí)現(xiàn)斷電，打開噴淋系統(tǒng)和排煙扇等滅火操作。滅火系統(tǒng)程序控制流程如圖6所示。

圖6 滅火系統(tǒng)控制流程圖

3.4 手機(jī)端APP設(shè)計(jì)

APP簡(jiǎn)要控制流程如圖7所示。

圖7 手機(jī)APP簡(jiǎn)要控制邏輯流程圖

手機(jī)APP的設(shè)計(jì)使用APP Interver2。它是一款全中文的APP在線設(shè)計(jì)網(wǎng)站，采用中文邏輯圖進(jìn)行控制，簡(jiǎn)單易用，操作方便[7]。下位機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊傳輸至服務(wù)器，手機(jī)APP讀取服務(wù)器信息[8]，并完成顯示。

3.5 手機(jī)端APP設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

用戶根據(jù)所反饋的實(shí)時(shí)信息，決定打開或關(guān)閉某些應(yīng)用。根據(jù)APP的設(shè)計(jì)邏輯，對(duì)其所實(shí)現(xiàn)的邏輯功能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，記錄其是否實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)APP進(jìn)行改進(jìn)[9]。APP設(shè)計(jì)邏輯圖如圖8所示，制作完成的手機(jī)APP界面如圖9所示。

圖8 APP設(shè)計(jì)邏輯圖

圖9 手機(jī)APP界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

各模塊設(shè)計(jì)完成后，聯(lián)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)，測(cè)試各部分功能是否正常[10]，數(shù)據(jù)是否合理。硬件實(shí)物模型如圖10所示，各個(gè)模塊測(cè)試如表1所示。

圖10 硬件實(shí)物模型

表1 智能消防控制系統(tǒng)測(cè)試

5 結(jié)論

本文給出了一種簡(jiǎn)單易行的智能消防解決辦法。設(shè)計(jì)主要以ESP8266為核心，通過(guò)采用模塊化、層次化的電路設(shè)計(jì)，以硬件設(shè)計(jì)為主，軟件程序編寫為輔，并且采用主流火焰檢測(cè)傳感器與無(wú)線通訊模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)的檢測(cè)與傳輸，再運(yùn)用單片機(jī)STM32F103C8T6進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，為顯示電路提供信號(hào)，達(dá)到了測(cè)量溫度、濕度、可燃?xì)怏w的目的，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，消防聯(lián)動(dòng)的功能。