一種基于OneNET云平臺的消防安全監測系統

摘 要：為加強對消防安全隱患的監測和處理，減少消防安全事故的發生，實現消防監測設備的系統化管理，設計一種基于OneNET云平臺的消防安全監測系統。系統采用STM32作為控制核心，集成了多種傳感器以實時采集環境數據，并對這些數據進行綜合分析，一旦發現消防安全隱患，立即觸發報警機制。系統通過4G通信模塊與OneNET云平臺建立連接，使得用戶能夠通過訪問網頁便捷地查看環境參數、設備狀態等相關信息。此外，系統還支持屏幕查看、語音交流等多種交互方式，進一步提升了設備管理的便捷性和效率。系統測試結果表明，該消防檢測系統具備響應快、穩定性高、易于管理的優點，可以有效地監測并識別環境中的多種安全隱患，為消防安全提供有力的技術保障。

關鍵詞：消防安全監測；物聯網技術；STM32；OneNET云平臺；4G通信模塊；人機交互

中圖分類號：TP277；TU998.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）03-00-04

0 引 言

隨著城市化進程的加快和人口密度的增加，城市建筑物發生火災的頻率正不斷攀升。全球范圍內每年發生的火災數量高達數百萬起，給民眾的生命財產安全帶來了嚴重的危害。因此，消防安全監測技術作為守護民眾安全的關鍵防線，其重要性日益凸顯。近年來，隨著物聯網技術的發展，基于云平臺的消防安全監測系統受到了廣泛的關注。

傳統的消防安全監測系統主要依賴硬件設備進行監測，然而它們在數據傳輸便捷性、數據處理效能及監測覆蓋范圍上均存在一定缺陷。隨著物聯網技術的發展，基于云平臺的監測系統應運而生，實現了數據的即時傳輸、遠程監控與分析，顯著提升了消防安全監測的時效性和精確度[1-2]。

本文設計了一種基于OneNET云平臺[3-4]的消防安全監測系統，系統以STM32為主控系統，通過多種傳感器實時采集環境相關指標。該系統憑借其實時性、高精確度和高可靠性等特性，可以有效地監測建筑物內部的環境參數和設備狀態，及時發現異常情況并進行警報處理，同時還可以將數據通過通信模塊上傳至云平臺進行系統化管理。該系統的研發和應用，不僅能夠有效提升消防安全監測的效率，還能顯著降低火災事故的發生概率，為人民群眾的生命財產安全提供更加堅實的保障。

1 系統總體設計

1.1 基本原理

本系統基于火災的典型指標，通過感知、檢測和分析環境中的變化來發現火災風險。系統結合傳感器、數據采集、信號處理和通信等技術，實現實時監測環境參數，并在火災發生前提供預警信號。

1.2 系統架構

本系統設計采用STM32F103C8T6作為控制核心，集成了環境監測、設備檢測、交互、報警及通信等多個功能模塊。其中，環境指標監測模塊包括可燃氣體傳感器、一氧化碳傳感器和溫濕度傳感器，負責采集并轉換與消防安全緊密相關的環境參數。設備檢測模塊包括陀螺儀傳感器和狀態檢測電路，負責采集設備傾斜角度和檢測設備盒體是否被打開。交互模塊包括串口屏、語音識別模塊和語音播報模塊，可以為用戶提供直觀的管理頁面以及便捷的語音交互體驗。報警模塊包括警示燈和喇叭，負責在警報模式下提供聲光報警指示。通信模塊的核心為4G模塊，負責與OneNET云平臺的連接，實現數據上云。

ARM控制器負責接收環境監測模塊的數據，對數據進行處理并判斷所監測環境是否存在異常情況，一旦檢測到異常情況，立即觸發報警模塊發出聲光指示。STM32控制器定時接收設備檢測模塊的數據，綜合判斷設備狀態，并通過通信模塊連接至OneNET云平臺，集中管理和監控整個消防監測系統的運行狀態。管理者可以通過可視化頁面進行遠程操作，在出現異常情況時會收到來自平臺的警報郵件。此外，系統還支持直接交互模式，用戶可以借助屏幕和語音實現便捷的人機交互。系統的整體框架如圖1所示。

2 各部分模塊電路設計

2.1 電源電路設計

在電源方面，本系統采用開關電源或鋰電池組的供電方案。將5 V的供電接入電源保護電路和電源濾波電路，確保系統得到紋波較小的輸入電壓。

本系統的穩壓電路采用DC-DC方案，相較于LDO方案，DC-DC方案在效率、功耗及功率方面有著顯著的優勢。本系統的穩壓電路選用德州儀器出品的TPS562200芯片，該芯片適應4.5～17 V的電壓輸入，可以通過對芯片電路進行調整，輸出0.76～7 V的電壓。TPS562200芯片的可靠性較高，可提供穩定的輸出電壓。在本系統中，控制器的供電電壓為3.3 V，故需要調整芯片TPS562200的外圍電路，使穩壓電路的輸出為3.3 V。

2.2 主控制器電路

主控制器作為系統的核心，是協調各部件協同運作以及進行系統控制、數據處理的關鍵器件，需要滿足高穩定性、高性能以及豐富外設接口的需求。

本系統采用意法半導體開發的STM32F103C8T6作為主控制器。該控制器為中密度性能系列，具備卓越的處理速度。其內置的Cortex-M3內核能夠提供高達72 MHz的工作頻率，足以應對系統繁重的數據運算任務。此外，該控制器還配備了包括I2C、SPI和USART在內的多種外設接口。這些接口通過兩條APB總線，能夠連接多種增強型I/O口和豐富的外設資源，進一步提升了控制器的擴展性和靈活性。同時，該控制器還內置了12位的模數轉換器（ADC）和通用的16位定時器[5]，為系統提供了更為精準的數據采集和時間控制功能。

2.3 環境監測電路和設備檢測電路

本文系統通過監測環境中的可燃氣體、一氧化碳等與消防安全相關的危險氣體的體積分數，并通過主控制器對這些數據進行綜合評估，以判斷環境中是否存在消防安全風險。選用MQ-2、MQ-7以及DHT11三款傳感器來實現這一目標。

MQ-2煙霧傳感器適用于包括烷類氣體、苯、液化石油氣在內的多種可燃氣體的探測，具有穩定性強、靈敏度高、抗干擾性強等特點。MQ-2煙霧傳感器基于半導體氣敏電阻原理，傳感器中的二氧化錫氣敏材料會和監測環境中的可燃氣體發生反應，導致材料表面的電阻率發生變化，傳感器通過測量電阻率的變化，即可實現對可燃氣體體積分數的精準測量。MQ-7傳感器適用于對于一氧化碳氣體的探測，同樣具備靈敏度高、穩定性強的特點。MQ-7傳感器基于電化學原理，傳感器中的一氧化碳敏感電極在接觸一氧化碳時會發生電化學反應，導致敏感電極的電阻值發生變化，傳感器通過測量電阻變化，即可實現對一氧化碳氣體體積分數的測量[6-7]。

溫濕度傳感器選用DHT11傳感器，該傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，主要由8位控制器、NTC感溫元件和電阻式感濕元件構成。該傳感器采用單總線通信協議，并通過阻值為4.7 kΩ的上拉電阻與主控制器的通用I/O接口連接[8]。

系統設備檢測電路主要由MPU6050陀螺儀傳感器和狀態檢測電路構成，能夠監測設備的傾斜狀態、異常振動以及設備外殼的狀態，進而判斷設備是否正常工作或遭受破壞，及時發現故障并采取相應措施。

MPU6050陀螺儀模塊集成了3 軸MEMS 陀螺儀和3軸加速度計，具有高精度、低功耗和成本低等特點。該模塊采用I2C通信協議，與主控制器的I2C接口連接；狀態檢測電路主要由行程開關構成，與主控制器通過通用I/O口連接。

2.4 交互電路和聲光指示電路設計

交互電路系統主要由淘晶馳的JC8048X550_011串口屏、飛云音電子的YS-LD3320語音識別模塊、迪為電子的DY-SV17F語音播報模塊構成。串口屏與控制器通過串行接口連接，通過串口屏設定的指令格式進行通信。主控制器與語音識別模塊通過串行接口連接，采用組合I/O接口的方式控制語音識別模塊，并通過機械開關控制系統的交互模式，以降低系統功耗。

聲光指示電路由警示燈和語音播報模塊構成，警示燈的亮滅由繼電器構成的控制電路進行控制，主控制器通過通用I/O口連接控制電路。

2.5 通信模塊

通信模塊采用移遠EC600N-CN 4G模塊，相較于其他類型的通信模塊，EC600N-CN具有穩定性高、速度快和覆蓋范圍廣等優點。該模塊與主控制器通過串口進行數據傳輸，實現了主控制器與OneNET云平臺之間的通信[9]。

3 軟件設計

3.1 主控制器軟件設計

主控制器程序流程如圖2所示。系統上電后，首先進行系統的配置和初始化，包括對系統時鐘以及外設接口，如通用I/O口、串口、ADC、I2C及定時器等的配置和初始化，并測試4G模塊的指令收發是否正常。陀螺儀傳感器進行自檢。

為降低設備能耗以及實現數據的有效管理，設定系統在未處于警報狀態時，每隔一段時間將采集的環境數據上傳至云服務器。設置主控制器STM32F103C8T6的定時器2每隔1 s中斷一次，每次中斷定時計數位加1，通過設置定時計數位，實現環境數據的定時上傳。故系統在完成初始化后，打開定時器2。

系統從MQ-2、MQ-7、DHT11等傳感器中獲取當前環境數據，將其轉化為特定格式并儲存在全局變量數組中，作為監測環境的指標。隨后，系統會判斷當前環境數據是否達到設定的閾值。若達到閾值，將標志位Process_Flag置為警報數值，執行警報相關程序，包括開啟警示燈、播放警報聲，并將相關指標上傳至云服務器。

當相關指標處于安全范圍內，系統會判斷定時是否結束。定時結束后，系統記錄當前環境數據，并獲取設備數據，包括傳感器MPU6050、行程開關的輸出，然后將環境數據和設備數據一同上傳至云服務器。若定時尚未結束，系統會檢測交互開關是否被按下。若開關被按下，則會在串口屏上顯示人機交互界面，并開始檢測是否有語音指令。若開關未被按下，回到采集環境數據的進程。

3.2 通信模塊軟件設計

系統與OneNET云平臺的數據傳輸通過4G模塊實現。主控制器通過串行接口發送AT指令控制并調試4G模塊。在初始化進程中，主控制器依次向4G模塊發送一系列指令，以查詢4G模塊的SIM卡狀態、CS業務狀態、PS業務狀態，并配置模塊使用v3.1.1版本的MQTT協議進行通信。隨后發送指令“AT+QMTOPEN=lt;服務編號gt;，lt;服務器地址gt;，lt;服務器端口gt;”來打開MQTT客戶端網絡。通過發送指令“AT+QMTCONN=lt;服務編號gt;，lt;設備IDgt;，lt;用戶名gt;，lt;密碼gt;”，4G模塊連接至云服務器。在發送指令后，系統會在限定時間內等待服務端回復“OK”，收到該標識后系統才會繼續發送下一條指令。

數據更新通過指令“AT+QMTPUBEX=lt;客戶端標識符gt;，lt;數據包消息標識符gt;，lt;QoS 等級gt;，lt;服務器是否保存該消息gt;，lt;待發布主題gt;，lt;數據長度gt;”實現。在數據更新程序中，主控制器會先將采集到的環境數據以JSON格式進行封裝，并獲取數據的長度；在發送上述指令后，等待服務端回復“gt;”標識，收到該標識后系統才會發送封裝好的數據[10]。

3.3 交互界面及網頁軟件設計

當系統的交互開關被按下后，串口屏顯示人機交互界面，該界面能夠實時顯示相關設備的狀態以及環境指標等信息。交互界面還提供設備情況、記錄查詢和閾值設置等功能，管理人員還可查看近5次的數據記錄以及設備傾角和盒體閉合情況，并能夠在輸入密碼后設置相關閾值。系統人機交互界面如圖3所示。

系統將數據上傳至OneNET云平臺后，管理者可以借助OneNET平臺的OneNET View 3.0服務，以清晰直觀的方式對數據進行管理和分析。系統管理端頁面如圖4所示，管理者通過訪問指定網站，即可登錄管理端網頁界面，進而查看用戶信息、環境指標以及設備狀態等詳細內容。系統通過OneNET云平臺的觸發器管理功能實現警報提示。

4 測 試

在完成消防安全監測系統的設計與樣機制作后，對相關功能進行測試。測試結果顯示，當系統檢測到環境中危險氣體體積分數達到設定閾值時，可以及時執行警報相關程序，并將數據上傳至OneNET云平臺，綁定的郵箱可收到來自OneNET平臺的警報郵件。管理端網頁會更新相關內容，設備的串口屏可以顯示交互界面并提供環境指標、設備指標等相關信息。OneNET云平臺多協議接入頁面如圖5所示。

5 結 語

本文設計的基于OneNET云平臺的消防安全監測系統能夠有效監測環境異常情況并檢測設備狀態，從而實現數據的系統化管理與可視化分析。經過測試，系統性能達到了預期目標，展現出了較高的實際應用潛力與價值。

參考文獻

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