基于單片機和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的實訓(xùn)室智能火災(zāi)報警系統(tǒng)研究

◎張力

基于單片機和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的實訓(xùn)室智能火災(zāi)報警系統(tǒng)研究

◎張力

目前，越來越多的高職院校大力建設(shè)實訓(xùn)場館，還投入了大量的資金購置各種實訓(xùn)器材與設(shè)備，在為目前的專業(yè)教學(xué)提供便利的同時對教學(xué)質(zhì)量的提升也有積極意義。但是，隨著高職院校各種實訓(xùn)室數(shù)量的增加，其中的安全問題越來越受到關(guān)注。本次研究擬設(shè)計出一個符合高職院校實訓(xùn)室的智能火災(zāi)報警系統(tǒng)，實現(xiàn)實訓(xùn)室管理質(zhì)量的進一步提升。

高職院校對實訓(xùn)室的投資越來越大，數(shù)量的快速增長使得高職院校必須加強對實訓(xùn)室的日常管理。其中，防火問題就是實訓(xùn)室日常管理的重要環(huán)節(jié)，不重視防火問題，往往帶來嚴(yán)重的后果。以計算機及電子信息等相關(guān)專業(yè)為例，實訓(xùn)設(shè)備涉及到計算機、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電子元件、電烙鐵等一些可燃易燃物品，并且這些設(shè)備具有線路復(fù)雜，易老化等特點，這些都容易導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生。因此，如何對實訓(xùn)室環(huán)境進行實時監(jiān)控，從而快速發(fā)現(xiàn)火情，為滅火搶得時間，成為了目前高職院校實訓(xùn)室管理工作中的重要工作。

圖1 TGS202氣體傳感器電路圖

實訓(xùn)室智能火災(zāi)報警系統(tǒng)硬件設(shè)計

單片機與報警器。在整個智能火災(zāi)報警系統(tǒng)中，單片機是整個系統(tǒng)的核心。其作用一方面要接受來自傳感器傳達過來的溫度、煙霧對應(yīng)的模擬信號，另一方面實現(xiàn)對接受到的信號的處理。由于信號的不斷傳送，要求單片機能夠有一定的運算速度。同時為了考慮到經(jīng)濟條件，本次研究選用STM32F101系列處理器作為上位機控制核心。系統(tǒng)下位機處理器選用STC89C52RC型單片機，搭配相應(yīng)傳感器電路進行聲音報警控制。

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。本次研究擬采用nRF24L01這款芯片，這款芯片功耗低，采用2.4-2.5GHz ISM作為工作頻段，nRF24L01可以通過配置寄存器將nRF24L01配置為發(fā)射、接受、掉電、空閑4中不同的工作狀態(tài)，工作狀態(tài)下其電流僅9mA，接收狀態(tài)下工作電流12.3mA。

氣體傳感器控制電路。在發(fā)生火災(zāi)的過程中，主要的氣體煙霧是CO2和CO，利用TGS202氣體傳感器能探測CO2，CO，甲烷，煤氣等多種氣體，它靈敏度高，穩(wěn)定性好，適合于火災(zāi)中氣體的探測。電路圖見圖1。

煙霧傳感器和溫度傳感器。智能報警系統(tǒng)其管家在于報警器的靈敏度以及報警準(zhǔn)確度，這一點提示系統(tǒng)一定要采用報警準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、價格低廉、使用方便的煙霧傳感器。MQ-2傳感器對煙霧的敏感性高，能夠在火災(zāi)發(fā)生之前實現(xiàn)對煙霧的有效探測，能夠通過煙霧判斷火情，實現(xiàn)提前預(yù)報。本次系統(tǒng)中選用AD590電流型二端傳感器。AD590是一款電流型溫度傳感器，其輸出與絕對溫度成正比。

無線發(fā)射電路與單片機接口。nRF24L01芯片內(nèi)置頻率合成器 、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，其優(yōu)勢在于多種工作模式下其能耗非常小。

實訓(xùn)室智能火災(zāi)報警系統(tǒng)軟件設(shè)計

發(fā)送端。關(guān)于發(fā)送端的軟件設(shè)計，系統(tǒng)發(fā)送端通過傳感器采集到相關(guān)數(shù)據(jù)之后通過利用信號調(diào)理后傳送至單片機進行數(shù)據(jù)的處理，然后再由nRF24L01發(fā)送到接收端。整個程序流程為：開始→系統(tǒng)初始化→發(fā)射握手信號→發(fā)送數(shù)據(jù)包→接受校驗→校驗和檢驗→結(jié)束。在這個過程中，需要注意的是不同狀態(tài)在實現(xiàn)轉(zhuǎn)換中的時延問題?？梢栽跀?shù)據(jù)發(fā)送之前將電路設(shè)置為發(fā)射模式。接受模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式轉(zhuǎn)換時間為1ms。

接收端。之所以設(shè)置握手信號是為了能夠確保點對點收發(fā)機之間大大同步的效果。只有握手信號正確系統(tǒng)才開始接受有效數(shù)據(jù)包。為了避免數(shù)據(jù)包出現(xiàn)丟失的可能性，因此需要在這個部分加以控制。針對接收端采用字節(jié)奇偶校驗法，通過將需要校驗的內(nèi)容的每一個字節(jié)按照位節(jié)異得到校驗字節(jié)，方的數(shù)據(jù)進行字節(jié)奇偶校驗，再將校驗位進行比較，這個過程中發(fā)射端自動實現(xiàn)重發(fā)，一直到校驗正確。

在對氣體的濃度進行采樣的過程中，考慮到尖脈沖干擾的問題，可考慮采用去極值平均濾波法，這種方法可以有效濾去脈沖干擾又可以濾去小的隨機嘎繞，有效保證報警器在檢測煙霧濃度時的準(zhǔn)確性，降低誤報、錯報的可能性。

當(dāng)煙霧濃度或者溫度值超過設(shè)定的報警限值，報警器發(fā)出警報，提示相關(guān)操作人員采取安全對策或者自動控制相關(guān)安全裝置，有效保證整個實訓(xùn)室的安全。為了避免出現(xiàn)誤報的情況，在程序設(shè)計的過程中，需要對煙霧濃度以及溫度進行快速重復(fù)檢測和延時報警，以區(qū)別是否是真實的實訓(xùn)室出現(xiàn)火災(zāi)。

系統(tǒng)測試

在實驗室中，將設(shè)計好的系統(tǒng)放置密閉容器中，將溫度設(shè)置為預(yù)警值42℃，煙霧濃度預(yù)警等級設(shè)置為4級。系統(tǒng)可以根據(jù)具體的環(huán)境情況對煙霧濃度以及溫度值進行設(shè)置，實際上就是根據(jù)實訓(xùn)室內(nèi)各種計算機、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電子元件、電烙鐵等一些可燃易燃物品制定出更加準(zhǔn)確的溫度值，達到更加準(zhǔn)確的判斷火災(zāi)并報警。在測試過程中，通過計算每次發(fā)送數(shù)據(jù)的丟包率，然后對不同距離的10次數(shù)據(jù)丟包率平均值作為該通信距離的最終數(shù)據(jù)丟包率，通過實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)通信距離在10m、30m、50m、60m均沒有出現(xiàn)這類情況，當(dāng)通信距離超過80m開始出現(xiàn)。

智能火災(zāi)報警器不僅保障實訓(xùn)室內(nèi)的各項儀器設(shè)備的安全，更多是保障學(xué)生安全，最大化的避免火災(zāi)和爆炸事故等的發(fā)生。本次研究在對單片機、無線數(shù)據(jù)傳播模塊、溫度傳感器、報警技術(shù)等進行深入研究的基礎(chǔ)上，全面性的比較了各類產(chǎn)品的技術(shù)特點，最終選擇了單片機STM32F101、MQ-2煙霧傳感器、無線模塊nRF24L01、TGS202氣體傳感器、AD590電流型二端溫度傳感器等，組成一個智能火災(zāi)報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)聲光報警、故障自診斷、報警限設(shè)置、延時報警等功能，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉，實用價值明顯。

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