基于物聯網技術的火災預警系統設計

張孟媛，張瑩

（1.山東英才學院工學院，山東濟南，250104；2.濟南幼兒師范高等專科學校，山東濟南，250307）

0 引言

火災預警裝置是人類同火災斗爭必不可少的有力武器，在現代建筑防火中具有極其重要的作用。在所有災難中，火災是危害公共安全和社會發展的最常見的重大災害之一，在新標準中，火災被定義為時間和空間不受控制的燃燒。其中的家庭火災常常因為事發突然，無法得到迅速的救援，而造成無法挽回的損失。

對于火災而言，預防遠比災后補救重要的多，但由于目前火災預警系統仍存在成本、技術等問題，應用不廣泛。本裝置目的旨在火災還未發生時或者發生的早期，通過準確地判斷火情、預報火警，最大限度的保障人民的生命、財產安全，有效降低城市火災發生率以及帶來的損失,提高城市火災救援效率和消防服務水平。

1 系統整體設計

本系統主要由信息收集、數據中心和傳輸警報三部分構成。本項目旨在設計一個結合ZigBee傳感技術、GSM（全球移動通訊系統）、蜂 窩移動通訊技術與可動態化監控的火災預警系統，達到提前預警，以降低火災帶來損失的目的。本項目計劃利用ZigBee低功耗的特點，通過無線組網通訊技術，使其將數據準確傳送到總裝置處，提高工作效率，降低使用成本，可有效延長系統工作時間；利用GSM，通過在系統中安放的SIM卡實現與手機通信，保證在第一時間獲取相關信息，用戶可以通過短信及手機連接的動態化監控裝置了解火災情況，以實現用戶對火災的充分掌控；在必要時，利用蜂窩移動通訊技術，可直接將用戶獲知的信息發送給消防中心，極大程度改善了因用戶語言障礙、情緒波 動而導致火警獲取信息有誤，造成更大的損失。工作流程如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 控制板塊

采用51單片機設計方便，結構簡單，修改或擴充都較為方便，具有規整性、靈活性、可維護性高的優點，并利用ZigBee網絡（由一個協調器以及多個路由器和多個終端設備組成）進行檢測節點數據之間的傳輸，并匯總至總節點。

2.2 環境火災檢測板塊

它主要由遠程紅外火焰傳感器、雙金屬溫度傳感器和煙霧探測器組成。火焰燈的波長760～1100nm，紅外傳感器檢測到700nm～1000nm范圍內的紅外光，與火焰高度一致。因此，紅外線炎癥可以將紅外線外部強度的變化轉化為電流的變化。A/D轉換器反映值在0和255之間的變化。外部紅外線越強，值越低。紅外線越弱，值越高。然后，隨著火災的發生，溫度在短時間內發生了很大的變化。使用雙金屬溫度傳感器，金屬材料比其他金屬具有更大的可擴展性，這使得折疊板材并將彎曲曲率轉換為輸出信號成為可能。此外，當沒有煙霧時，即探測器工作，當離子流平衡時，其參考輸出相對穩定。如果有煙霧，電流將發生變化，參考點電位將根據-160置換煙霧的大小發生變化；改變可能性以評估煙霧的存在并執行自動煙霧監測。這三種裝置具有較高的靈敏度、穩定性和可靠性，廣泛應用于各種火災報警系統中[1]。

溫度傳感器模塊電路圖如圖2所示。

圖2 溫度傳感器電路

本次設計的煙霧監測原理圖如圖3所示。

圖3 煙霧傳感器電路圖

2.3 監測及定位裝置板塊

各測量節點處裝有攝像頭，必要時用戶可選擇打開攝像裝置進行觀測，滿足用戶離家時，及時了解家中情況的需求。在總結點處存放用戶家庭住址信息，在必要時便于消防員獲取，進行搶救。

2.4 數據存儲板塊

這一裝置中存在特定的數值（如煙霧濃度、溫度），在總節點處再次對各分節點進行傳感器數據的讀取分析，預警系統報警判斷條件是數據值大于等于一項存儲在總節點處的正常范圍，在超過的情況下觸發警報。這一板塊主要負責數據的存儲和火災監測，判斷是否有火情的發生，并將數據實時保存。

2.5 傳輸報警板塊

測定值超過正常范圍后，系統自動發送聲音警報信息，GSM模塊向預先設定的電話號碼發送警報信息[2]，用戶可根據需要使用平臺軟件打開攝像頭，一觸即發出警報設備可以通過蜂窩移動通信技術將主節點存儲的位置信息傳遞到火災報警中心（包括防火點位置、樓層防火圖等）。發生火災時，用戶可以使用平臺軟件打開攝像頭，必要時按一鍵報警按鈕，按下取消按鈕即可取消警報，該裝置可以發送存儲在主節點中的位置信息（包括防火點位置、樓層防火圖等）。火災報警中心采用蜂窩移動通信技術，經業主同意，消防隊員可使用相機進行動態監測，傳感器檢測人的紅外信號，消防隊員可進行應急救援[3]。

2.6 主控制器

檢測裝置主要由遠紅外火焰傳感器、雙金屬溫度傳感器以及煙霧檢測電路構成，這三種傳感器電路利用導線連接在同一塊電路板上，同時工作、傳輸數據。傳統火警系統中通常只含有單一的測量傳感裝置，可能存在無法及時發現火情的情況發生，本裝置采用三種傳感測量器，極大程度上提高了及時發現火情的幾率，同時由于三種傳感裝置一起工作，在一定程度上減少了火情誤判的可能。

微型計算機單片機是通用名為英特爾8051的單片機教學系統，為U380單片機命名為Magnum 12290。Intel 8051單機控制端壁12290在單片機指令系統中的實現。51單片機的指令系統、內部結構相對簡單，8051單片機通常至少具備以下功能和外設：8位CPU、程序存儲器（ROM），尋址空間64KiB、數據存儲器（RAM），尋址空間64KiB、4組8位共32個輸入輸出口、5至6個中斷源，分2個優先級、全雙工串行口。

2.7 ZigBee板塊

ZigBee是一系列短距離運行的低數據傳輸速率電子設備的新無線通信技術，因為無線ZigBee通信技術允許基于特定無線節點的數千個微傳感器之間的協調通信該技術通常被稱為RF Lite家庭無線技術和Firex無線技術[4]。無線ZigBee通信技術還用于存儲計算機裝置與一系列數字裝置之間的電纜，以相互通信或利用因特網還可以應用于基于無線通信的小型控制和自動化，其可以在不同的數字設備之間建立無線連接。

本次單片機系統采用5V直流電源進行供電，圖4是其硬件電路原理圖。

圖4 系統硬件原理圖

2.8 復位按鍵

本次設計是按鍵復位方式，此電路是當按鍵被按下時，相當于一個上電復位；當按鍵壓下時，RST端通過電阻和+5V的電源相連，保證提供寬度的閥值電壓來的完成復位。單片機最小系統由3個部分構成，即電源電路單片機和晶振電路，但是不可忽視的是復位電路的重要組成部分是復位電路。單片機啟動時，必須復位。實際上，復位也可以理解為從零開始執行的單芯片機器程序。因為執行程序的話，單片機不會像人一樣思考，不會根據命令處理數據或中斷數。據單片機的初始化，實際上是從一開始就執行程序。我們經常能看到電腦崩潰的現象，需要重新啟動電源。可以將CPU或其他功能設為原來的模式，從單片機的主要功能開始工作。執行程序時，需要初始化8051芯片機器。實際上，在記述程序的時候，很多模塊和芯片在記述程序的時候需要記述初始化。這不僅僅是整理之前放置的數據。因此，單片機復位看起來相對簡單，但實際上是非常復雜的操作過程。每個芯片機器都有復位功能，電源切斷后也需要復位。例如，當應用程序被執行到問題映射中時，通常需要使用開啟設置和關鍵設置重置按鍵操作。這個設計是重置模式。程序執行后，可以將CPU直接控制為啟動重置模式。與接通時的復位電流對應，RST端由電阻器與+5V電源連接，確保寬度的閾值電壓，完成復位。按鍵復位電路如圖5所示

圖5 復位電路圖

3 結論

火災是威脅公眾安全和社會發展的主要災害之一，由于目前火災預警系統仍存在成本、技術等問題，應用不廣泛。本系統設計了一種基于物聯網技術下的無線火災智能預警系統，通過該系統不僅可以檢測用戶火情，及時發現火災隱患和火災，通過警報方式提醒用戶，并在有需求時進行一鍵報警；還可以利用視頻功能對房屋進行動態化監控和定位功能在火災發生后大大縮短搜救時間，在最大程度上減少人員傷亡與財產損失。通過該系統能夠及時發現火災, 實時掌握火災發生位置, 還可以實現多個部門及個人的聯動.該系統通信成本低、電池壽命長, 而且可有效地降低城市火災發生率, 提高城市火災救援效率和消防服務水平。