淺論宿舍智能報警與控制系統

針對近些年高校宿舍火災多發狀況，我們提出了集Arduino、GSM、傳感器、藍牙等技術的宿舍智能報警與控制系統設計方案，可解決高校宿舍等小型單元發生火災不能及時處理的問題。首先，系統可對宿舍內溫濕度、煙霧濃度、有無火焰等進行監測，并將監測信息通過藍牙實時傳輸到手機終端；若檢測到火災發生，系統將啟動聲光報警和GSM遠程報警來通知相關人員；另外系統內置UPS，以保證外部斷電時系統的正常工作。通過實際測試，系統工作良好且響應時間短，可以很好地解決實際問題。

【關鍵詞】智能報警 Arduino 傳感器 GSM 藍牙傳輸

1 引言

近年來，高校學生公寓頻繁發生的火災，大多是電線短路引發，造成了大量人員傷亡和財產損失，已嚴重影響到學生的學習和生活。已有的火災報警器雖然可以實現對宿舍情況的監測和就地報警，但在檢測信息的實時傳輸和火情的遠程報警方面還有欠缺，而且市場上的產品價格相對較高、應用范圍比較窄，在準確性、及時性和有效性等方面還有待提高。

火災的早期發現和預警是避免人員財產受損的關鍵環節。針對上述問題，本文著重從實時性、實用性等方面，介紹基于Arduino的智能火災報警與控制系統的設計。

2 系統總體設計

系統采用Arduino Nano作為智能報警與控制系統的主控，利用火焰傳感器、煙霧傳感器和溫濕度傳感器對宿舍內部的環境包括火焰、煙霧、溫濕度和紅外線等因素進行實時監測與處理，然后通過藍牙將數據傳送到手機智能終端。系統結構圖如圖1所示。

正常情況下，近距離連接藍牙后，用戶可以通過手機終端實時地看到各項傳感器數據，若監測數據滿足設定的閾值觸發條件，主控系統就會自動啟動聲光報警和GSM遠程報警裝置，從而通知宿舍附近成員以及宿舍成員有火災發生。

除了實現火災監控與報警功能，系統可用手機藍牙近距離控制系統的LED燈，作為日常照明燈使用，從而使宿舍生活更加便捷化、智能化。另外系統設有內置UPS，可以實現系統不間斷供電。

3 系統硬件設計

3.1 Arduino主控

本系統采用ArduinoNano開發板，該開發板采用ATMEGA32U4芯片，其可以在5V/16MHz運行，支持Arduino IDE V1.0.1，4個10位ADC引腳，12個數字I / O（5 PWM能力），Rx和Tx硬件串行連接。

3.2 數字溫濕度傳感器DHT11

檢測環境溫度和濕度；濕度測量范圍為20%-95%（0-50℃），濕度測量誤差為+-5%。

3.3 煙霧傳感器MQ-2

廣泛的探測范圍；高靈敏度/快速響應恢復；優異的穩定性/壽命長；可用于火災的氣體檢測，適宜于煙霧、液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣等的探測。

3.4 火焰傳感器

系統采用4線制的紅外接收模塊，可以檢測火焰或波長在760nm～1100nm范圍內的光源；探測角度60度左右，對火焰光譜靈敏；靈敏度可調；配可調精密電位器調節靈敏度；工作電壓3.3V-5V。

3.5 GSM模塊

模塊芯片是SIM800模塊；模塊和用戶的物理接口為68引腳；支持鍵盤功能；一路USB接口，便于客戶調試、下載軟件；音頻接口，包含一路麥克風輸入和一路受話器輸出；可編程的通用輸入輸出接口（GPIO）；一路SIM卡接口；支持藍牙功能；PWM功能引腳；PCM接口/SPI接口/SD卡接口三選一（默認PCM接口）；采用省電技術設計，在休眠模式下耗電流低至1.0毫安。

3.6 HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊

具有兩種工作模式：命令相應工作模式和自動連接工作模式。自動連接工作模式：將自動根據事先設定的方式連接的數據傳輸；命令相應工作模式：能執行下述所有AT命令，用戶可向模塊發送各種AT指令，為模塊設定控制參數或發布控制命令。通過控制模塊外部引腳輸入電平，可以實現模塊工作狀態的動態轉換。

3.7 內置電源

采用UPS技術，保證外部斷電時系統的正常工作。

4 系統軟件設計

在本設計中報警系統與Android手機進行人機交互，將檢測到的數據通過藍牙實時傳輸到手機上，人機交互流程圖如圖3（右）所示。此外在手機Android登錄界面有密碼的輸入和修改，以防有人惡意登錄，影響系統的正常運行，人機交互界面如圖3（左）所示。系統根據各傳感器信息判斷，是否具有觸發條件。若符合條件，則系統就會自動啟動聲光報警和GSM遠程報警裝置，通知宿舍附近成員以及宿舍成員有火災發生，系統流程圖如圖2所示。

5 系統功能實現

為了避免傳感器的誤報警（特別是火焰傳感器），經過對太陽光與火焰波長的波譜分析以及大量的實驗數據分析，最終得出了一個合理的閾值。系統會對監測數據進行記錄并且具有環境自適應能力，根據所處環境長期空氣質量和光照強度的不同，自動根據預先設置數據作出調整，以適應不同環境。

經過不同環境下的實際測試，本系統均能正常穩定地工作。正常工作狀態下，從火災發生到通知相關人員，平均用時約為30秒，靈敏度較高，反應時間較短。此外系統外觀設計簡潔美觀且便于安裝，具有較廣的應用范圍；而且設計成本較低，具有很大的市場前景。

6 結論

本系統利用多種傳感器對室內情況進行監測，采用近程報警與遠程報警相結合的方式，可實現報警的準確化、快速化和多樣化。此外系統安裝方便、操作簡單，具有很強的適用性，對于當今高校宿舍火災的早期發現與處理以及保障學生生命財產安全具有重大現實意義。

參考文獻

[1]鄭研，張宏坡，任秀敏.基于GSM/GPRS網絡的遠程火災與報警設計[J].鄭州大學學報（工學版），2006（09）.

[2]韓松華，秦明明，唐傳林，汪春林，鄒雪梅.基于單片機的學生公寓火災報警器 [J].信息通信，2016（08）.

[3]張麗，黃國青.基于Arduino/Android的智能防火防盜報警系統設計[J].天津理工大學學報，2015（08）.

作者簡介

郭旭澤，男，測控技術與儀器專業。現為為石家莊鐵道大學本科生。

劉鵬飛，男，自動化專業。現為為石家莊鐵道大學本科生。

劉宗偉，男，機械制造及其自動化專業。現為為石家莊鐵道大學本科生。

作者單位

石家莊鐵道大學 河北省石家莊市 050043