基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的禁煙防火預(yù)警系統(tǒng)

王 力，殷明宇

（南通職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南通 226007）

大學(xué)生公寓作為高校人群的密集場所，其室內(nèi)防火安全問題日益突出。盡管學(xué)校從技術(shù)上、管理上和宣傳上對防火安全進行了監(jiān)督檢查，如宿舍禁止吸煙、禁止使用明火和電器，但是存在部分學(xué)生違規(guī)吸煙、使用違規(guī)電器的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)室內(nèi)冒濃煙、火災(zāi)等嚴(yán)重事件。針對這一現(xiàn)象，不管是人工檢查還是視頻監(jiān)控巡查都極大地浪費了人力和財力資源，并且效果也不好。本項目設(shè)計的系統(tǒng)具有火災(zāi)預(yù)警功能，主要以煙霧報警為主，可以實時監(jiān)測室內(nèi)溫濕度、火情動態(tài)并及時做出處理。如何快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)險情，并根據(jù)險情的等級制定出合理的解決方案，是預(yù)警系統(tǒng)亟待解決的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)的宗旨在于防范險情，系統(tǒng)設(shè)備采用煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、溫度傳感器與ESP8266[1]連接，采集環(huán)境信息，提前預(yù)知監(jiān)測火災(zāi)的發(fā)生，并通過WiFi發(fā)送數(shù)據(jù)，上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。首先監(jiān)測宿舍內(nèi)是否存在煙霧，當(dāng)煙霧濃度達到設(shè)定值后報警。當(dāng)室內(nèi)使用明火時，云平臺能檢測到火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)值變化，并發(fā)布警告消息。當(dāng)物體燃燒后，必然導(dǎo)致宿舍溫度升高，當(dāng)檢測到溫度超過35℃時，網(wǎng)絡(luò)端檢測到溫度傳感器數(shù)值變化，Arduino對繼電器模塊進行控制，模擬室內(nèi)水箱閥門啟動，噴水滅火。

系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖1所示，系統(tǒng)由電源模塊、傳感器電路模塊、單片機模塊、WiFi模塊、顯示屏模塊和控制模塊等電路組成。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案

目前的物聯(lián)網(wǎng)平臺[2]有很多，本系統(tǒng)選擇阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺；該平臺為設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力，支持設(shè)備采集數(shù)據(jù)上傳到平臺，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺提供接入物聯(lián)網(wǎng)場景的一整套基礎(chǔ)設(shè)施和強大的在線配置，實現(xiàn)大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)場景應(yīng)用。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的功能模塊有“產(chǎn)品設(shè)備的創(chuàng)建和管理”，可以快速定義產(chǎn)品和設(shè)備模型等信息。

阿里云平臺是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，傳感器電路采集數(shù)據(jù)通過ESP8266上傳，通過數(shù)據(jù)模式存儲，實現(xiàn)對宿舍險情事件的檢測和預(yù)警，平臺實現(xiàn)以圖表形式呈現(xiàn)動態(tài)變化的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。

微消息隊列MQTT協(xié)議是阿里云推出的一款面向移動互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的輕量級消息中間件，主要承擔(dān)移動端連接接入、連接管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等工作，相當(dāng)于一個具備無線擴展能力的連接網(wǎng)關(guān)；支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議MQTT協(xié)議，方便用于連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)Pub異步通信。

2 電路設(shè)計

2.1 電源電路

電源適配器輸出直流電壓為9 V，經(jīng)過7805穩(wěn)壓電路得到5 V電壓后，再選用AMS1117芯片的降壓模塊電路得到3.3 V電源，提供液晶顯示屏、煙霧傳感器電路模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、溫濕度傳感器和ESP8266供電。電路如圖2所示，設(shè)計的電路實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的供電。

圖2 電源電路圖

2.2 傳感器電路

溫濕度傳感器采用DHT11溫濕度復(fù)合傳感器，DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的傳感器，具有抗干擾能力強、性價比極高的優(yōu)點。單片機對采集數(shù)據(jù)使用數(shù)字端口，單線總線數(shù)據(jù)格式，一次通信時間為4 ms左右，能同時測量到溫度數(shù)據(jù)和空氣濕度數(shù)據(jù)。

煙霧傳感器采用MQ-2，對煙霧的靈敏度高，是一款低成本的傳感器。單片機通過ADC模塊來讀取煙霧傳感器的輸出值，當(dāng)監(jiān)測到附近有煙霧時數(shù)據(jù)變化。煙霧傳感器的電路設(shè)計為比較器電路，設(shè)置數(shù)字量輸出，用于判斷是否有煙霧。

火焰?zhèn)鞲衅鞑捎秒妷罕容^電路模塊，可以檢測火焰或者在760～1 100 nm范圍的光源，用打火機測試火焰距離為80 cm，靈敏度可調(diào)。電路模塊有輸出數(shù)字量端口和模擬電壓輸出端口。本系統(tǒng)采用數(shù)字量端口，采集室內(nèi)環(huán)境的火焰靈敏度高。

電路可以采用LED燈報警，當(dāng)室內(nèi)有火焰和濃煙產(chǎn)生時，可以啟動繼電器模擬控制裝置，以有效預(yù)警室內(nèi)的火災(zāi)險情，為學(xué)生的生活帶來安全保障。

2.3 顯示電路

OLED（Organic Light-Emitting Diode，有機發(fā)光二極管）顯示技術(shù)具有自發(fā)光的特性，不需要背光源；模塊通電后，有機材料就會發(fā)光，OLED顯示屏幕的可視角度大、功耗低、視角廣、反應(yīng)速度快，可以顯示漢字、圖案等。本系統(tǒng)中OLED與ESP8266采用I2C通信，如圖3所示，SCL連接單片機的D1引腳，SDA連接單片機的D2引腳。接通電源適配器，對系統(tǒng)設(shè)備供電，然后使用萬用表測量輸出電壓，當(dāng)電壓輸出正確時，斷電，將各傳感器模塊安裝好，再次通電，若OLED屏上顯示傳感器的數(shù)據(jù)正常，則可以說明電路的焊接正確。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 物聯(lián)模塊程序設(shè)計

如圖3所示，ESP8266采集3種傳感器的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用最新版本的開源軟件Arduino[3]IDE軟件進行編程，調(diào)用了DHT11庫文件，火焰?zhèn)鞲衅鞑捎脭?shù)字量端口；煙霧傳感器采用模擬量端口，并通過顯示屏OLED實時顯示數(shù)據(jù)。

圖3 傳感器電路圖

3.2 WiFi程序設(shè)計

無線連接點的網(wǎng)絡(luò)名稱和密碼需要在程序中進行配置。如圖4所示，WiFi初始化函數(shù)用于無線連接調(diào)試，判斷是否聯(lián)網(wǎng)；在串口監(jiān)視器中查看有錯誤，需要修改一下MQTT源文件的配置參數(shù)，最終實現(xiàn)連接成功。

圖4 WiFi串口調(diào)試程序

3.3 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的接入

使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺首先要注冊賬號，可以免費試用企業(yè)版一個月。賬號注冊成功后，創(chuàng)建產(chǎn)品，并定義物聯(lián)模型，然后創(chuàng)建設(shè)備，與產(chǎn)品綁定，獲取設(shè)備配置的信息。

本系統(tǒng)是基于PubSubClient庫的底層連接，上層采用阿里云SDK封裝，可以方便發(fā)送數(shù)據(jù)和訂閱遠程指令，傳感器感知環(huán)境溫度、濕度、煙霧濃度和火勢情況，并上報物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過云平臺集中管理和遠程監(jiān)控學(xué)生公寓內(nèi)的情況，可以預(yù)警，將消息發(fā)送給釘釘群。程序編寫需要下載相關(guān)的開源庫文件AliyunIoTSDK、ArduinoJson等。如圖4所示，云平臺的產(chǎn)品ID、設(shè)備名稱和設(shè)備密鑰，及時配置和修改。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的使用，在程序編寫時，調(diào)用AliyunIoTSK可以直接使用組裝數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)綁定并且會自動合并數(shù)據(jù)，將設(shè)備配置信息寫入代碼，燒錄到單片機，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)到平臺的上傳了。

3.4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

根據(jù)電路圖2和圖3手工焊接電路板[4]，將傳感器液晶屏模塊，ESP8266模塊組裝通電，程序設(shè)計調(diào)試后，打開手機熱點，通過WiFi接入互聯(lián)網(wǎng)，然后登陸阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，打開IoT Hub控制臺，可以看到設(shè)備已經(jīng)接入成功，實時查看室內(nèi)環(huán)境的情況，有火焰和煙霧情況下，物聯(lián)網(wǎng)平臺有顯示，云平臺還可以設(shè)置報警規(guī)則，以短信、郵件和釘釘機器人的方式發(fā)送給聯(lián)系人。

打開手機APP[5]可以成功查看室內(nèi)情況。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺可以增加預(yù)警功能，設(shè)置傳感器的上限值，當(dāng)數(shù)據(jù)超過數(shù)值后，會反饋給手機消息和釘釘通知。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計成功實現(xiàn)了大學(xué)生公寓環(huán)境的實時監(jiān)測，無誤差，精度非常高。本系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于密集的大學(xué)生公寓環(huán)境系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了遠程無線監(jiān)控，并且具有禁煙、防火和報警的功能。將學(xué)生公寓建設(shè)成網(wǎng)絡(luò)化的管理技術(shù)將深受學(xué)生的歡迎，讓未來的生活更科學(xué)、美好。