景區室內無線報警系統應用設計

摘 要：設計一個景區無線報警系統，檢測景區是否有火情；在火災發生時，及時將煙霧、熱量等信號轉變為電信號發送給相關的工作人員，能夠達到報警救火、及時保護人們生命財產安全的目的。系統應用設計以STC89C52單片機作為核心控制器，采用傳感器技術和無線信號傳輸技術實現了景區火災的報警功能。系統具體由火災檢測、信號處理、無線通信、報警顯示等主要模塊組成。演示結果為：當主機和從機都打開電源，從機上火焰傳感器的探頭就開始檢測環境是否著火，如果著火就通過單片機的處理讓JDY-40無線模塊給主機發送火災信號，主機接收信號后則使蜂鳴器響，并在電子屏上顯示發生火災的景區地址，這個過程就完成了報警。系統安裝、調適、運行與后續檢修方便，性價比較高。

關鍵詞：景區消防管理；STC89C52；火焰傳感器；JDY-40無線模塊；OLED模塊；無線報警系統

中圖分類號：TP277；D035.36 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）17-0189-07

0 引 言

我國火災安全預警設備的研發已經走過了由零到多、由簡至繁的發展歷程。許多廠家都在努力開發符合消防行業特征的防火報警與聯網技術，在火災監控和火災救助中發揮著舉足輕重的作用。目前火災報警系統主要在探測器技術和遠程報警系統方面進行改進[1-2]。比如，復合式探測器一般是有超聲波/被動紅外復合式探測器、微波/被動紅外復合式探測器，可以將智能技術和物聯網技術應用到探測器的升級發展中，實現探測智能化、智慧化。遠程報警系統包括有線報警系統、無線報警系統、報警聯防網絡等[3-4]。一般利用電腦連接到用戶端的感應器和用戶端的數據采集裝置，實現對火情的實時監測和遠距離發送。可以將火災自動報警器作為一種公用的報警方式，連接到監測設備上，火災控制中心可以對火災地點、火災類型做出判斷，并及時安排消防救援[5-6]。這里，設計一款實用的景區無線報警器系統，將使用者端與訊號采集裝置相連接，并利用無線電通信技術實現消防訊號的快速、高效和準確共享。

1 景區無線報警系統總體設計方案

設計一個景區無線報警系統，系統整體框架圖如圖1所示。該系統檢測景區建筑物內是否有火情，檢測煙霧、火光、溫度。如果檢測到起火，報警發射機可發出火警以及景點號碼，接收站可以接收到報警信號，此外接收站與檢測火源處的距離不小于120 m。具體要分為兩大板塊，其中一個板塊為報警發射機，比如對應景點A、景點B、景點C等，用以檢測是否著火，若著火就及時發出報警信號；另一個板塊是接收站，其作用為接收景點發出的火警信號并報警，且準確顯示著火的景點號碼。其實現過程為報警器通過火焰傳感器監測環境的溫度、煙霧濃度等信號，并將信號發送給單片機，當檢測到超過預定溫度、煙霧濃度過高則立即啟動無線發送模塊，將信號發送給接收站。該無線報警系統需要有幾大模塊支持，分別為火災檢測模塊、信號處理模塊、無線通信模塊、報警顯示模塊[7-9]。火災檢測模塊即景點傳感器的部分，其功能在于檢測環境的煙霧、火光強度、溫度等信號，將其轉換為電信號傳送給單片機處理；信號調理模塊負責對采集到的數據信號進行處理，包括與報警閾值對比，當超過預先設定的閾值則要通過無線通信模塊將報警信號等信息發送給報警顯示模塊[10-12]。

2 景區無線報警系統硬件設計

2.1 硬件總體電路

硬件總體上分為報警信號發射器與接收站兩個部分，此處設定兩個報警信號發送端，分別代表兩個不同的景點。整個系統主要包括火焰傳感器、單FH+L4VsbFVeOzVABSXkuGZJvJiRz5QQuHWnfQw5uefI=片機STC89C52、LED燈、三極管8550、JDY-40無線模塊、直插式晶振、電阻這些元器件。發送端大致上可以分為電源、火焰傳感器、無線發送、單片機最小系統四個模塊；同時，接收端大致上可以分為電源、無線接收、單片機最小系統、蜂鳴器報警、電子屏顯示等五個模塊。電源模塊使用電池供電，并安裝一個總開關來控制整個報警信號發射器的啟動與關機，主機電路圖與從機電路圖分別如圖2、圖3所示。

2.2 電源模塊

本系統設計要求為電池供電，選用的STC89C52RC單片機的工作電壓在3.3～5.5 V之間，所以電池選用普通的5 V直流電。無限報警系統的發射機與接收機每塊板上都要有一個電源，并且安裝按鍵開關來控制整塊板是工作狀態on還是關機狀態off。當按鍵按下時整個發射機或接收機板塊通電，開始工作。

2.3 單片機最小系統模塊

STC89C52RC單片機是一款高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，用戶程序空間為8 KB，片上集成512字節RAM，有32個通用I/O口，無須專用編程器與專用仿真器，可通過串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下載用戶程序，在本系統的設計通過串口來實現無線信號的發射與接收。

單片機STC89C52RC最小的系統模塊由復位電路和晶振電路組成。復位電路主要是讓電路上電后恢復原來的起始狀態，主要是靠電阻電容RC的充放電完成。因為STC89C52RC單片機是高電平復位，所以只要讓單片機的RST引腳保持一段時間的高電平就能實現復位。當電源一開啟，電容充電，RST高電平，過了一段時間之后，電容充滿則斷開了電源，RST接地為低電平，這樣就完成了復位。

晶振電路是整個系統的心臟，為系統提供基本的信號時鐘。單片機正常工作需要一個時鐘，因此需要在單片機的XTAL1、XTAL2外接晶振。火災報警系統需要串口通信，選擇晶振大小為11.059 2 MHz，因為對于串行通信，設置的波特率誤差為0。如果直接將晶振接到單片機引腳會發生系統工作不穩定，這是因為晶振在起振的一瞬間會產生一個電感，為了消除這個電感所帶來的干擾，在晶振的兩端分別加上了旁路電容，電容另一端共地。

2.4 報警發射機系統模塊

2.4.1 火焰傳感檢測電路

搭建火焰傳感器有兩種方案。

第一種是動手搭建一個簡單的火焰傳感器檢測電路。將紅外接收管和一個10 kΩ的可調電阻串聯，電阻的一端接正極，紅外接收頭的一端接負極，在它們連接的位置引出一根線作為信號線，這樣可以構成一個簡單的火焰傳感器，可調電阻可以調節它的靈敏度。

第二種方案就是買一個火焰傳感器直接連接電路。此處選擇第二方案，因為火焰傳感器模塊使用方便，觀察直觀，方便安裝，便于調節，靈敏度和精確度更高一些，對火焰光譜特別敏感。火焰傳感器模塊可以檢測火焰或者波長在760～1 100 nm范圍內的光源，靈敏度可調，對火焰的探測距離更靈敏度和火焰強度有關，一般10 m以內適用。該模塊還有兩種輸出形式，一個是模擬量電壓輸出，另一個是數字開關量輸出，也就是輸出0和1。

火焰傳感器模塊的引腳接口有三個，分別為電源VCC，外接3.3～5 V電壓、GND接地、D0為數字量輸出接口。D0與單片機的P1.0直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測環境的溫度改變。當模塊在環境火焰光譜或者光源達不到設定閾值時，D0口輸出高電平；當外界環境火焰光譜或者光源達到設定閾值時，D0口輸出低電平。電路中還將LED燈與一個1 kΩ的電阻串聯接在單片機的P1.1口，當火焰傳感器D0口輸出低電平，經過單片機處理，使P1.1口為低電平，則LED燈亮，說明火焰傳感器檢測到環境中有火情，要向接收站發出報警信號。

2.4.2 無線模塊發射端電路

JDY-40無線模塊發射端電路主要是由JDY-40無線模塊構成的，它是一個2.4G模塊，視距120 m，可以實現系統設計的要求即無線傳輸距離在120 m以內，串口半雙工通信，窗口寫入數據無字節限制，使用很方便，只需與單片機的串口相連就能完成數據的傳輸。JDY-40無線模塊有14個引腳，其功能如表1所示。

JDY-40無線模塊的通信是要靠AT指令來執行的，模塊與模塊之間的通信需要設置一些功能與參數，大多數出廠時，模塊配置參數都已經設定好它的默認值，波特率默認為9 600，無線ID默認值為8 899，設備ID默認值為1 122，頻道為001，發送功率為+10 dB，設備類型為A0。AT指令有很多種類，查詢JDY-40無線模塊的使用手冊可以獲得設置/查詢-CLSS類型，具體指令及功能如表2所示。

在JDY-40無線發射電路搭建中，JDY-40無線模塊的串口透傳可實現單片機與單片機之間的無線傳輸。采用串口半雙工方式實現雙向透傳，收發一體。它支持串口連續寫入，接收數據串口收發數據無字節限制。JDY-40無線模塊的引腳功能由表1可知CS低電平喚醒，故接地；SET引腳高電平透傳，低電平AT指令，它與單片機的IO口連接可以受單片機的控制，接收信號到底是高電平還是低電平，以實現收發功能，在電路中直接懸空置于高電平使它實現的功能是透傳；引腳TXD與單片機的P3.0/RXD引腳連接；引腳RXD與單片機的P3.1/TXD引腳連接。需要注意的是電源應該是3.3 V電壓，如果用5 V電壓就容易壞，出現亂碼等錯誤。由表2可知串口透傳CLSS類型為A0指令，即AT+CLSSA0，JDY-40可以實現透傳。出廠時CLSS類型默認為A0，所以可以不用特意重新設置。

2.5 接收站系統模塊

2.5.1 無線模塊接收端

無線模塊接收端的設置與發射端的一樣，電路的連接也是與無線模塊發射端電路一樣。要實現無線信號的傳輸，JDY-40無線模塊的CS引腳要為低電平，將它接地；SET引腳要為高電平，直接將其懸空一直置于高電平。串口輸入引腳和串口輸出引腳分別與單片機的串口輸出引腳和單片機的串口輸入引腳連接。

2.5.2 蜂鳴器報警

蜂鳴器廣泛應用于計算機、打印機、報警器等電子產品中作發聲器件。按照驅動方式的不同可以分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器，這里的有源和無源不是指電源，而是震蕩源。此處使用有源蜂鳴器。有源蜂鳴器的使用要搭配一個三極管，用來放大電流，因為單片機輸出的電流是毫安級別的，無法直接驅動蜂鳴器。比如，三極管8550是電子電路中常用到的小功率PNP型硅晶體三極管。其工作原理是用E到B的電流控制E到C的電流，發射極電位最高，且正常放大時通常集電極電位最低，電壓大小VC<VB<VE。當基極為高電平時，集電極與發射極開路；當基極為低電平時，集電極與發射極短路，說明三極管導通，開始工作；當三極管8550的基極為低電平時，整個三極管導通，處于工作狀態，經過放大的電流流過蜂鳴器，蜂鳴器報警。

2.5.3 電子屏顯示

OLED為有機發光二極管，又稱有機電激光顯示。OLED顯示模塊由于同時具備自發光、不需背光源、對比度高、分辨率高、視角廣、反應速度快、構造及制程較簡單等優異特性，它比一般的LCD顯示模塊、點陣顯示模塊顯示效果要好一些。OLED一般有五種接口方式，可選擇IIC接口方式，因為只需要2根線就可以控制OLED，操作起來更方便快捷。IIC接口模塊的引腳有四個，分別為GND：電源地；VCC：電源正；SCL：OLED的D0腳，在IIC通信中為時鐘管腳；SAD：OLED的D1腳，在IIC通信中為數據管腳。比如，選用OLED模塊是由128個列和64個行組成的顯示面板，在軟件部分寫入顯示字符時很重要，每一個行和列交叉的小點就對應電子屏上的行和列交叉的發光二極管，也就是一個小燈，每個小燈的負極共地，所以當信號為高電平1時小燈才會亮，才能顯示在屏上。

3 系統軟件設計

3.1 系統發射端軟件設計

發射端板塊有兩個一樣的電路板，分別為景點A和景點B，它們的硬件電路的連接都是相同的，向接收站發送信號主要是靠軟件的編寫來區分那塊板是景點A，哪塊板為景點B。按下電源開關按鍵，首先要使串口初始化，設定波特率為9 600這個值，接著在主函數中運行，檢測單片機P1.0端是否為低電平，如果是則用IF函數判斷火情是哪一戶發送的，確定好再通過子函數發送單字節傳輸到串口，等待數據發送完畢。

3.1.1 串口初始化程序

STC89C52單片機的串口相關的寄存器的值關系到串口是否能夠正常工作。首先要設置的是串行控制寄存器SCON的值，其寄存器符號及功能如表3所示。

代碼SCON|=0x50，表示SCON的值轉換成二進制為01010000。由表3可知，SM0、SM1組合起來的值為01，則表示串行口的方式選擇為方式1，即8位UART。發送數據時數據從TXD端口輸出，當數據寫入發送緩沖器SBUF時就啟動發送器發送，發送完一幀數據后，置中斷標志TI=1申請中斷；接收數據時串口從RXD接收數據，當接收完一幀數據時，置中斷標志RI=1申請中斷讓單片機從緩沖器SBUF中接收走數據。波特率可變，波特率的計算由下列公式確定：

波特率=（2SMOD/32）×（定時器1的溢出率）

經過公式的計算，要求波特率為9 600，且已知晶振大小為11.059 2 MHz，就能算出初始值為0xFD。此外REN=1表示為允許串行接收狀態，可啟動串行接收器RXD開始接收數據。

定時器TMOD為定時器的方式選擇，程序TMOD｜＝0x20，轉換成二進制為001 000 00。TMOD表如表4所示，選擇定時器為1，工作方式2為自動重載8位定時器。在工作方式2中，TL1作為計數用，而自動裝入的初值放在TH1中。ES為高電平是則開串口1總中斷。TI為發送中斷請求標志位，當它為高電平時則向主機請求中斷。

3.1.2 火災檢測程序

火災檢測程序流程如圖4所示，在打開中斷后，火焰傳感器檢測環境的火焰閾值是否達到規定值。若達到則huoyan==0，此時就要發送報警信號并使LED燈亮了，需要說明的是火焰閾值的檢測是有一定時間段的穩定的，并不是一檢測到超過閾值就報警，而是它超過閾值并保持2 s左右的穩定才報警，這樣可以防止假報警，減小錯報、誤報的概率提高系統精確性。在區分景點A和景點B的方面，在代碼中用變量m來代替，當m=1時就代表時景點A，當m=2時就代表時景點B。

3.1.3 發送數據子函數

當在主函數中確定了某個景點著火，假設景點A著火，那么就進入子函數發送數據，此時為了傳輸數據的穩定及正確性需要關閉中斷，使ES=0，再將需要傳輸的數據0x01寫入串口的緩存區，等待數據自動發送出去。

3.2 系統接收端軟件設計

3.2.1 接收端主程序設計

當電源打開，系統先使串口初始化，打開串口總中斷，并使顯示屏初始化，在顯示器上顯示“無線報警系統”這六個字，清除串口的緩存數據。如果通過JDY-40無線模塊接收到報警信號，就將景區發生火災的字樣顯示在屏幕上，比如，景區A發來報警信號，則在OLED屏幕上顯示景區A發生火災，并使單片機P1.0為低電平，蜂鳴器報警。當發生火災時也不斷檢測按鍵是否按下，若確實檢測到按鍵按下，則表示停止報警，結束屏幕上的顯示，使整個接收端恢復初始狀態。在程序設計中，任何一個環節按下按鍵key，則都會停止報警，顯示屏恢復為原來的沒有報警的初始狀態。

3.2.2 串口有關的程序設計

首先是判斷接收中斷標志位RI是否為1，若是則將其置0，停止中斷，檢測當前是否收到無線信號并且變量start1為2；再判斷串口1緩存區的數據是否為0xBB，若是則將uart1ok1置1，start1寫0，表示串口緩存區正在接收數據，否則將緩存區的值存入Uart1_Buf數組中，并變量Count1開始計數加1；如果串口緩存區的數值為0xAA且變量start1為0，沒有接收信號時，則將變量start1置于初值2，計數變量Count1清零。

3.2.3 OLED屏幕顯示程序設計

OLED屏幕顯示分為三大部分，分別是OLED屏的初始化、確定顯示位置、顯示內容，OLED的顯示畫面是由128×64個的發光二極管組成的，也就是64行和128列，屏上的發光二極管都是負極共地，因此當得到一個高電平時，發光二極管會亮，這樣就能在屏幕上任意位置顯示字符、漢字、數字、圖像等，具體內容如下：

1）OLED屏的初始化。通過參考OLED手冊，直接得到初始化程序，在程序中會用到寫命令程序和寫數據程序，寫命令程序中當從機地址的最低位為低電平時表示發送指令，即R/W=0表示寫；當從機地址的最低位為高電平時表示讀取信息，即R/W=1表示讀。因為要在屏幕上顯示發送指令，所以要使R/W=0，得到0x78表示寫入一個字節，緊跟著回復一個應答信號ACK。接著是一個控制字節，控制字節中的CO=0表示后面跟隨的信息是字節。D/C=0表示后面發送的是一個命令，D/C=1表示后面發送的是一個數據，這就是寫命令程序和寫數據程序的不同之處，如果是寫命令就要發送0x00，如果是要寫數據就要發送0x40。

2）確定顯示位置。OLED的64行用Row0～Row63表示，64行又將每8行分為一頁，共分為8頁，每頁表示一個字節，符號表示為PAGE0～PAGE8，128列用Col0～Col127表示。OLED的尋址方式選擇的是頁尋址方式。在確定是第幾頁時，由于地址高5位固定為10110，低三位的值就代表著選擇的位置在第幾頁，低三位可以有二進制表示0～8任意一個數，如要到第y頁就可以發送0xb0+y就能確定從第y頁開始。在確定第幾列時，分為列高低地址。

3）顯示內容。顯示的內容有三種類型，分別是字符、字符串、漢字。在顯示字符子程序中，在確定好顯示位置后，將字符偏移后的值賦值給變量c，判斷要開始的行是否在128列以外，如果超出了一行的最大值，就使變量x為0，然后判斷字符大小是不是等于16，如果是就開始寫數據函數，把字庫里代表字符的數組值與數值寫入即可。

在顯示字符串子程序中，先就是判斷儲存字符數組是否還有字符，若有就進入顯示字符子程序，與輸入單個字符一樣，并且使x+8；當變量x大于120時，則轉行，從下一行的第一列開始再輸入字符。

在顯示漢字子程序中，首先確定顯示的初始位置，然后再將字庫里代表的漢字的數組值與數值寫入。

4 運行結果

4.1 顯示描述

整個系統實物為一個主機、兩個從機，也就是1個接收機、2個發射機，發射機分別是景點A、景點B。主機和從機接通電源按下電源開關后，整個板塊啟動開始工作，如圖5所示，從機上的火焰傳感器模塊上的綠燈亮，主機OLED電子屏上顯示“無線報警系統”六個字。

在景區A從機的火焰傳感器探頭處點火，并維持時間2～3 s，可以看到在景區A板塊上的LED燈亮起1 s后熄滅，表示當前環境有火情，并向主機發送報警信號。主機的蜂鳴器鳴叫，LED燈持續亮起，并且在OLED屏上顯示“景區A發生火災”，如圖6所示。同樣，在景區B從機的火焰傳感器探頭處點火，并維持時間2～3 s，可以看到在景區B板塊上的LED燈亮起1 s后熄滅，表示景區B有火情，并向主機發送報警信號。主機的蜂鳴器鳴叫，LED燈持續亮起，并且在OLED屏上顯示“景區B發生火災”。在主機上有一個黑色的按鍵，按下則主機恢復原來沒有報警時的狀態，蜂鳴器停止鳴叫，LED燈熄滅，OLED顯示屏上恢復到原來只有“無線報警系統”這六個字時的狀態。

4.2 可行性分析

該系統實物測試，選取10米為一個距離測試截面，測試系統的靈敏度與實際可工作距離范圍，在115米范圍內兩個從機處點火，主機都能收到火情信息，系統反應非常靈敏，準確率達到100%。當距離在115米以上時信號不太穩定，主要是距離較遠且有其他障礙物的阻擋，造成了系統反應不及時，信號不穩定的情況，但是照樣可以收到報警信號。在距離為135米及以上時，就難以收到火災報警信號，這是由于這個距離已經超過了JDY-40無線模塊的視距，火情檢測結果如表5所示。在景區重要建筑物內安裝該系統可以提高發現火情的及時性，在景區火災監控室內管理人員可以迅速做出反應，第一時間搶救景點內的文物財產及保護游客生命安全。

5 結 論

景區一旦發生火災，便會造成嚴重損失。在智能化、自動化和電氣化迅猛發展的今天，為了保證人們的財產和人身安全，火災報警系統的應用逐漸廣泛。我們常用有線的報警裝置，但在許多場合中，有線傳輸的應用會受到限制，如線路容易老化、受潮、被腐蝕等，保養與維修費時費力。因此，無線火災報警系統的開展和應用對人們的生產與生活有著不可忽視的作用。無線火災報警系統將物理傳感器技術、物聯網、通信傳播等技術融為一體，在火災發生時，可將煙霧、熱量等信號轉變為電信號發送給相關的部門，達到報警救火、及時保護人們生命財產安全的目的。本應用設計以STC89C52單片機作為核心控制器，采用傳感器技術和無線信號傳輸技術實現了火災的報警功能。

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作者簡介：彭雯（2001.03—），女，漢族，湖南常德人，碩士在讀，研究方向：人口資源與環境、數字經濟；羅君名（1973.12—），男，布依族，貴州都勻人，副教授，博士，研究方向：數字經濟、產業經濟、智慧旅游。

收稿日期：2024-03-08

基金項目：海南省自然科學基金項目（721RC552）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.17.037

Application Design of Indoor Wireless Alarm System in Scenic Spots

PENG Wen， LUO Junming

（Key Laboratory of Ecological Civilization and Land Sea Integrated Development in Hainan Province， Hainan Normal University， Haikou 571158， China）

Abstract： A wireless alarm system is designed for scenic spots to detect any fire in the area. In the event of a fire， converting smoke， heat and other signals timely into electrical signals and sending to relevant staff could achieve the goal of alarm and firefighting， and timely protecting people's lives and property safety. The system application design uses STC89C52 single-chip microcomputer as the core controller， and adopts sensor technology and wireless signal transmission technology to achieve the alarm function of scenic spot fires. The system specifically consists of main modules such as fire detection， signal processing， wireless communication， and alarm display. The demonstration result is that the probe of the flame sensor on the slave starts to detect whether the environment is on fire when both the host and the slave are powered on. If it is on fire， the JDY-40 wireless module sends a fire signal to the host through the processing of the single-chip microcomputer. After the host receives the signal， it will sound a buzzer and display the scenic spot address of the fire on the electronic screen. This process completes the alarm. The system is easy to install， adjust， operate， and undergo subsequent maintenance， with a high cost performance ratio.

Keywords： fire management in scenic spot; STC89C52; flame sensor; JDY-40 wireless module; OLED module; wireless alarm system