基于STM32與機(jī)智云的樓宇火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要

針對(duì)火災(zāi)對(duì)樓宇健康和居民安全的威脅，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一款樓宇火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32為主控芯片，機(jī)智云為遠(yuǎn)程終端，通過(guò)LED顯示屏、WiFi模塊和傳感器模塊感知溫濕度、煙霧濃度、甲烷濃度等，并進(jìn)行閾值判斷，超標(biāo)時(shí)發(fā)出火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警。監(jiān)測(cè)終端還可采取遠(yuǎn)程切斷電源等措施防止火災(zāi)蔓延。該系統(tǒng)適用于寫(xiě)字樓、居民樓和廠房等場(chǎng)所，具有較高的火災(zāi)防控和預(yù)警價(jià)值。

引言

火災(zāi)是一種嚴(yán)重的災(zāi)害，特別在高樓建筑中，由于建筑高度、人員密集和疏散難度，往往導(dǎo)致更為嚴(yán)重的后果。近年來(lái)，我國(guó)每年約發(fā)生30萬(wàn)起火災(zāi)，如何有效監(jiān)測(cè)和預(yù)防高樓火災(zāi)成為亟待解決的問(wèn)題。

傳統(tǒng)煙霧報(bào)警器易受灰塵、蒸汽等干擾，誤報(bào)率高，且僅能檢測(cè)煙霧，無(wú)法識(shí)別易燃?xì)怏w。隨著無(wú)線傳感器技術(shù)的發(fā)展，其高靈敏度和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)在火災(zāi)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域逐漸受到重視。借助機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和WiFi技術(shù)，樓宇監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi實(shí)時(shí)上傳至云端，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)端與遠(yuǎn)程終端的互聯(lián)，為火災(zāi)監(jiān)測(cè)提供了全新的解決方案。

因此，本文設(shè)計(jì)了一款以STM32和機(jī)智云為主體的樓宇火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究其在樓宇火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力。通過(guò)esp8266模塊連接WiFi，建立監(jiān)測(cè)端與機(jī)智云之間的連接，另外采用MQ-2和DHT11來(lái)檢測(cè)空氣中的溫濕度、煙霧和甲烷等易燃易爆氣體的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)檢測(cè)對(duì)象的數(shù)值超過(guò)設(shè)定的安全閾值時(shí)，會(huì)觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)和機(jī)智云終端報(bào)警；還可以通過(guò)遠(yuǎn)程終端控制現(xiàn)場(chǎng)供電系統(tǒng)的閉合，防止擴(kuò)大火災(zāi)范圍。

系統(tǒng)總體功能

本設(shè)計(jì)將STM32C8T6和機(jī)智云分別作為整個(gè)系統(tǒng)的邏輯處理中心和遠(yuǎn)程顯示終端，通過(guò)ESP8266無(wú)線模塊、氣體傳感器與溫濕度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。OLED負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)顯示，機(jī)智云遠(yuǎn)程終端APP負(fù)責(zé)顯示采集到的傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)置環(huán)境參數(shù)報(bào)警閾值以及遠(yuǎn)程報(bào)警提醒，當(dāng)煙霧體積分?jǐn)?shù)或者溫度超標(biāo)時(shí)也會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)觸發(fā)聲光報(bào)警。系統(tǒng)主要由STM32C8T6邏輯處理模塊、傳感器模塊、WiFi模塊、液晶顯示器模塊、蜂鳴器模塊和遠(yuǎn)程終端6個(gè)部分組成。系統(tǒng)總體功能如圖1所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要由主控芯片、無(wú)線收發(fā)模塊、蜂鳴器、液晶顯示器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、USB轉(zhuǎn)串口電路、LED燈電路與按鍵電路等9個(gè)部分組成。

主控芯片的選取

STM32F103C8T6是一款基于ARM 32位Cortext M3內(nèi)核的單片機(jī)，具有2.0～3.6 V的寬電壓供電范圍，CPU工作頻率最大可達(dá)72 MHz，穩(wěn)定性高，功耗低。STM32F103C8T6接口較為簡(jiǎn)單，芯片內(nèi)部有可編程FLASH存儲(chǔ)器，具有最大集成度的復(fù)位電路、低電壓檢測(cè)模塊、調(diào)壓器和精確的RC振蕩器等。STM32C8T6原理如圖2所示。

無(wú)線收發(fā)模塊的選取

樂(lè)鑫公司出品的低功耗WiFi芯片ESP8266，具有內(nèi)置的32位CPU，可以獨(dú)立運(yùn)行，也可作為其他主機(jī)MCU的組件運(yùn)行。目前，該芯片已被廣泛應(yīng)用于智能家具和無(wú)線傳感器領(lǐng)域。ESP8266在待機(jī)模式下的功耗低至20μA左右，適合要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。ESP8266采用Tensilica Xtensa LX106處理器，其主頻為80 MHz，具有多種外設(shè)接口（如GPIO、SPI、I2C、UART等），支持802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，具有完整的Wi Fi功能，可以連接到現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)，建立熱點(diǎn)，進(jìn)行TCP/IP通信等。ESP01-S是一款以ESP8266為核心的WiFi模組。ESP-01S原理如圖3所示。

氣體傳感器的選取

MQ-2氣體傳感器利用低功耗的CMOS微處理器監(jiān)測(cè)環(huán)境中多種待測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)變化，例如煙霧、一氧化碳、甲烷等。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以防潮、防塵，在使用時(shí)避免干擾。MQ-2原理如圖4所示。

溫濕度傳感器的選取

DHT11是一種新型的單總線數(shù)字溫濕度傳感器，它具備接口簡(jiǎn)單、體積小巧、響應(yīng)速度快和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。DHT11原理如圖5所示。DHT11的溫度測(cè)量范圍為0～50℃，精度為±2℃，工作電壓范圍為3.0～5.5 V，功耗非常低，只需要幾微安的電流。該傳感器在閑置時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而有效節(jié)省能源。

液晶顯示器的選取

OLED顯示屏可以準(zhǔn)確顯示英文、數(shù)字、符號(hào)，具備分辨率高、視角廣、自發(fā)光等特性。同時(shí)OLED響應(yīng)時(shí)間快，功耗低，耐高溫能力強(qiáng)，適合應(yīng)用于火災(zāi)監(jiān)測(cè)設(shè)備中進(jìn)行氣體體積分?jǐn)?shù)、溫度的現(xiàn)場(chǎng)顯示。OLED采用I2C通信方式，工作電壓范圍為3.3～5.0 V，像素點(diǎn)陣規(guī)模為128×64。OLED原理如圖6所示。

蜂鳴器電路

本設(shè)計(jì)通過(guò)蜂鳴器和LED進(jìn)行聲光報(bào)警，選用的蜂鳴器類型為無(wú)源蜂鳴器。無(wú)源蜂鳴器電路原理如圖7所示。無(wú)源蜂鳴器通過(guò)外部電流驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有內(nèi)部振蕩源。它的驅(qū)動(dòng)需要使用2～5 kHz的方波信號(hào)。

USB轉(zhuǎn)串口電路

為了方便程序的下載和調(diào)試，本系統(tǒng)采用CH340C作為轉(zhuǎn)接芯片，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的功能。串口下載電路如圖8所示。硬件系統(tǒng)給CH340C進(jìn)行5 V供電，USB＿D+和USB＿D-管腳與USB接口的數(shù)據(jù)總線相連。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從實(shí)現(xiàn)功能上來(lái)看，分為4個(gè)部分：溫濕度采集、氣體體積分?jǐn)?shù)采集、WiFi驅(qū)動(dòng)、機(jī)智云功能設(shè)計(jì)。

溫度采集

DHT11傳感器可以同時(shí)檢測(cè)溫度和濕度，但濕度受天氣影響較大，不能體現(xiàn)出現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與火災(zāi)間的關(guān)聯(lián)。DHT11與單片機(jī)交互采用單總線協(xié)議，上電之后自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境中的溫度，單片機(jī)需要通過(guò)通信協(xié)議從DHT11獲取溫濕度數(shù)據(jù)。

當(dāng)單片機(jī)發(fā)送起始信號(hào)后，DHT11會(huì)從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，并等待主機(jī)復(fù)位結(jié)束。然后，DHT11會(huì)發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)拉高總線為數(shù)據(jù)傳輸作準(zhǔn)備。完整的數(shù)據(jù)為40 bit，按照高位在前、低位在后的順序傳輸。

DHT11模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，每比特?cái)?shù)據(jù)都以持續(xù)時(shí)間50μs的低電平開(kāi)始，然后拉高總線電平，高電平的持續(xù)時(shí)間表明發(fā)送的數(shù)據(jù)是“0”還是“1”。本文只用到了溫度數(shù)據(jù)，因此采集的數(shù)據(jù)格式為：8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和，共3 B數(shù)據(jù)。校驗(yàn)和為前2 B數(shù)據(jù)相加，用以保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。溫度采集實(shí)驗(yàn)界面如圖9所示。

煙霧體積分?jǐn)?shù)采集

MQ-2型傳感器對(duì)天然氣、液化石油氣等煙霧具有極高的敏感度，對(duì)烷類煙霧的感知更為敏銳，同時(shí)還擁有出色的抗干擾性能。MQ-2有4個(gè)引腳，它們分別是VCC、GND、模擬引腳A0和數(shù)字引腳D0。A0主要輸出模擬信號(hào)，氣體體積分?jǐn)?shù)越大，輸出的模擬電壓幅值越大。MQ-2傳感器內(nèi)部有一個(gè)比較器會(huì)不斷檢測(cè)A0是否已達(dá)到設(shè)置電位計(jì)的閾值。如果超過(guò)閾值，D0將輸出高電平，否則輸出低電平。

MQ-2傳感器輸出的電壓值是模擬信號(hào)，需要通過(guò)STM32的A/D芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，信號(hào)處理流程如圖10所示。

STM32F103系列有3個(gè)ADC，精度為12位，本文采用DMA方式將ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸至指定區(qū)域。MQ-2煙霧傳感器連接單片機(jī)引腳PB0，因此選擇ADC1的通道8作為A/D轉(zhuǎn)換的通道。采集煙霧體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果界面如圖11所示。

OLED顯示屏

在主控芯片上，管腳PA6和PA7分別與OLED模塊的SCL、SDA引腳相連，本設(shè)計(jì)采用模擬I2C的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)OLED。模擬I2C指借助引腳高低電平的變化，來(lái)模擬I2C的時(shí)序信號(hào)以傳送數(shù)據(jù)，硬件I2C需要使用STM32的固定管腳，因此相對(duì)來(lái)說(shuō)模擬I2C在應(yīng)用中更為靈活。

I2C是一種僅使用兩條總線的通信協(xié)議，分別為雙向串行數(shù)據(jù)線（SDA）和雙向串行時(shí)鐘線（SCL）。其中，SDA數(shù)據(jù)線用于傳輸數(shù)據(jù)，而SCL時(shí)鐘線則用于同步數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。每個(gè)連接到總線上的設(shè)備都具有唯一的地址，主機(jī)可以利用其地址來(lái)訪問(wèn)不同的設(shè)備。在樓宇火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，OLED、傳感器和E2PROM與主機(jī)之間都采用I2C通信方式，I2C通信結(jié)構(gòu)如圖12所示。

I2C協(xié)議傳輸過(guò)程分為8步，分別如下：主機(jī)發(fā)送起始信號(hào)（S），寫(xiě)從機(jī)地址與讀寫(xiě)位，等待OLED從機(jī)模塊應(yīng)答，寫(xiě)入1 B數(shù)據(jù)/命令，等待OLED從機(jī)模塊應(yīng)答，寫(xiě)入1 B數(shù)據(jù)/命令，等待OLED從機(jī)應(yīng)答，發(fā)送停止信號(hào)。

WiFi模塊

本文選用的WiFi模組為ESP-01，是基于ESP8266芯片的模塊，ESP8266的開(kāi)發(fā)模式為AT指令開(kāi)發(fā)方式。將封裝好Wi Fi的協(xié)議棧燒入ESP8266芯片中，可實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部透?jìng)鳎缓髥纹瑱C(jī)通過(guò)串口給ESP8266發(fā)送相應(yīng)的AT指令即可控制模塊進(jìn)行不同的操作。STM32與WiFi模塊之間采用串口連接方式，由STM32發(fā)送AT指令來(lái)控制WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ESP8266在AP模式下能夠接入無(wú)線服務(wù)，從而完成與機(jī)智云的云端互聯(lián)?；馂?zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程如圖13所示。

機(jī)智云功能設(shè)計(jì)

機(jī)智云是面向開(kāi)發(fā)者的一站式智能硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)GAgent為機(jī)智云固件，是設(shè)備數(shù)據(jù)、機(jī)智云、遠(yuǎn)程端的數(shù)據(jù)交互橋梁。通過(guò)Gagent可以完成傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備與云端和APP的通信。首先在機(jī)智云平臺(tái)創(chuàng)建產(chǎn)品和數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)即火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程終端上的功能參數(shù)，在樓宇火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端軟件中包含6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)：報(bào)警狀態(tài)、供電系統(tǒng)、溫度值、溫度閾值、煙霧體積分?jǐn)?shù)百分比和煙霧體積分?jǐn)?shù)百分比閾值。

創(chuàng)建完產(chǎn)品和數(shù)據(jù)點(diǎn)之后，將機(jī)智云生成的代碼移植到項(xiàng)目中。生成的代碼包含了對(duì)機(jī)智云通信協(xié)議進(jìn)行解析和封裝的功能，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)與通信數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換邏輯。在相應(yīng)的事件處理邏輯中添加傳感器控制函數(shù)之后，當(dāng)監(jiān)測(cè)端設(shè)備接收到來(lái)自云端或APP的數(shù)據(jù)時(shí)，遠(yuǎn)程終端即可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)的信息交互，包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)照明的控制。機(jī)智云功能設(shè)計(jì)界面如圖14所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文最終實(shí)現(xiàn)了基于STM32與機(jī)智云的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。圖15為監(jiān)測(cè)端硬件系統(tǒng)實(shí)物。

在監(jiān)測(cè)端以外還設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程用戶端，遠(yuǎn)程用戶端在機(jī)智云APP上接收云端傳來(lái)的信息，可以查看樓宇中的溫度、甲烷等易燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)，同時(shí)根據(jù)樓宇所處位置以及區(qū)位特點(diǎn)，可在APP中靈活設(shè)置溫度和易燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)的報(bào)警閾值，當(dāng)實(shí)測(cè)值超過(guò)閾值時(shí)，會(huì)觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的聲光報(bào)警和用戶端的振動(dòng)報(bào)警，用戶可以遠(yuǎn)程關(guān)閉樓宇中的供電系統(tǒng)，避免電起火等原因?qū)е禄饎?shì)擴(kuò)大。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的樓宇火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合Wi-Fi模塊，針對(duì)樓宇應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性，能夠高效完成數(shù)據(jù)上云并實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程終端的信息交互，有效避免數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的信號(hào)干擾問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，在模擬火災(zāi)環(huán)境下，當(dāng)可燃物被點(diǎn)燃并釋放易燃?xì)怏w時(shí)，傳感器能快速準(zhǔn)確地感知環(huán)境變化并上傳實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；當(dāng)溫度和可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，監(jiān)測(cè)端和遠(yuǎn)程終端會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警。因此，結(jié)合STM32和機(jī)智云的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)煙霧報(bào)警器，能夠擴(kuò)大火災(zāi)監(jiān)測(cè)范圍，對(duì)當(dāng)前的火災(zāi)預(yù)防具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。