基于WIFI的移動正壓送風系統設計

談敏，萬濱源

（江陰職業技術學院電子信息工程系，江蘇江陰，214405）

0 引言

當火災發生時，正壓送風系統能夠對逃生通道送入足夠新鮮的空氣，使其氣壓高于外部氣壓，著火時產生的煙霧被排到樓梯外，使人員不會因為吸入有害的煙霧而窒息傷亡。建筑施工單位的住宿區，由于是簡易工棚生活區，不適合做永久、固定式的正壓送風消防安全設施，但是工人的生活水平隨著社會發展在逐步提高，生活區內的各式生活用電設備的數量和種類也在逐年不斷地增加，因此，安全隱患也隨之而日益明顯。在建筑施工單位的管理過程中，若缺乏一套強有力的消防安全管理系統與科學的消防控制策略，則會產生大量的問題，進而影響施工的順利開展。本文結合適合的煙霧報警傳感器模塊與控制器等電路模塊設計的基于WIFI技術的移動正壓送風系統，能夠對工棚生活區等簡易建筑的火警火情進行全天候有效地實施監控，來確保消防安全。

1 系統方案設計

本系統按照設備可分為下位機與上位機兩部分，上、下位機借助無線路由器構成局域網，完成整個系統的無線連接成網。下位機由STC15單片機電路、MQ-2煙霧探測模塊、繼電器控制電路模塊、ESP8266WIFI無線傳輸模塊電路組成；上位機以電腦為載體，開發基于LabVIEW的應用軟件，進行上、下位機交互即遠程監測控制[1]。系統整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構框圖

上位機即遠程報警及監控端，使用電腦登陸無線路由器，通過TCP/IP協議接收來自單片機系統內WIFI模塊向上位機所發送的采集信號；同時，上位機監控軟件根據實時監測狀況，通過無線路由器發送相應的控制指令，再借助 WIFI 模塊發送至單片機系統，通過繼電器模塊控制相應電氣回路。為了實現遠程監控及控制功能，則要采用ESP8266WiFi模塊。該無線傳輸模塊是一種嵌入式串口通信方式的WIFI 模塊產品，在物聯網傳輸系統可作組網之用。

2 硬件電路設計

通常，在設備系統運行過程中，代碼越復雜、繁瑣，常常會因為漏洞的純在而導致運行出現錯誤。為防止系統運行中出現崩潰現象，本次設計的硬件電路遵循簡約的宗旨，已完成系統功能要求所需最少電路為原則。因此，在選擇核心部分時，將報警設備的可靠、穩定作為選擇的最重要衡量指標之一。本設計采用STC15W4K56S4單片機作為報警及控制端，因為其為增強型8051CPU，速度快，內置10位高速ADC，性價比非常高的，且能低電壓工作，耗較低，適合小型智能化設備的開發[2]。

■2.1 WIFI硬件設計

ESP8266WiFi 模塊的供電電源為3.3V單電源，其內置32位處理器，具有強大的處理和存儲能力，可以實現串口無線傳輸等功能，亦具有超低功耗的特點。本項目通過對WIFI模塊GPIO 引腳控制，將其應用于傳感器數據采集終端節點。

WIFI 模塊原理圖如圖2所示，CHPD引腳接P3.5口，RET引腳接P3.6口，UTXD和URXD接P4.6和P4.7口即串口2。

■2.2 煙霧傳感器硬件設計

煙霧傳感器能實現火災防范的重要依據是其能監測煙霧的濃度值。目前，煙霧傳感器類型主要可分為：離子型和光電型兩大類煙霧傳感器型號。其中，前者的檢測原理是根據其內部的電離子因煙霧粒子影響而造成其動態平衡電流發生變化而進行報警；后者的檢測原理是火災產生的煙霧粒子對其內部的紅外光造成反射、折射進而產生報警。綜合比較上述兩者的特點，相較于光電式煙霧報警傳感器，離子煙霧報警傳感器對于體積相對較小的煙霧產生的顆粒靈敏度更高。

圖2 WIFI 模塊原理圖

此次設計采用了 MQ-2 離子型煙霧傳感器，其探測范圍相對較廣，穩定性較好、靈敏度較高，且與系統的控制器接口電路相對簡易。煙霧傳感器模塊原理圖如圖3所示，數據引腳接穩定輸出的上拉電阻后接P1.0口。

圖3 煙霧傳感器模塊原理圖

■2.3 繼電器驅動模塊

通常，工作電壓低的單片機控制系統其工作電流較小，因而，無法直接對大功率的用電設備進行驅動，所以，常常用繼電器作為單片機與用電設備的接口連接電路。通過控制單片機的輸出口的高、低控制電平，即可控制繼電器的連通，從而控制與其連接的電氣設備與回路。繼電器驅動模塊原理圖如圖4所示，單片機P2.6口控制繼電器通斷。

圖4 繼電器驅動模塊

3 軟件設計

本次設計為了配合相關硬件電路的工作，還與之配套地設計了上、下位機的相關軟件程序。下位機的軟件程序部分包含單片機系統程序、MQ-2 煙霧監測器采集程序、WIFI 模塊的通信以及繼電器驅動程序。同時為了使本次設計有更好的人機對話和交互體驗，還自主設計了基于LabVIEW技術的火災自動報警監測控制上位機軟件系統[3]。

■3.1 ESP8266連接路由器

ESP8266通過路由器連接上位機的實現，連接上位機時ESP8266使用到的指令：

（1）將8266設置為STA模式： AT+CWMODE=1

（2）設置完之后重啟： AT+RST

（3）8266連接路由器發出的WiFi：AT+CWJAP=“WiFi名”,“WiFi密碼”

（4）啟動多連接： AT+CIPMUX=1

（5）建立server： AT+CIPSERVER=1

（6）通過協議、IP和端口連接服務器：

AT+CIPSTART=0,“TCP”,“192.168.1.1”,5000

（7）發送數據的長度： AT+CIPSEND=0,8

（8）發送數據： 12345678

借助網絡調試助手，服務器可以通過監聽窗口看到接收到的“12345678”字符串。至此，ESP8266WiFi 模塊連接到了由路由器構建的局域網中[4]。

■3.2 下位機主流程圖

下位機主流程圖如圖5所示。首先開始系統初始化，完成相關端口配置，同時將ESP8266WiFi模塊設置為服務器模式。

圖5 下位機程序主流程圖

系統終端采集的煙霧數據經STC15單片機處理后，相關數據由串口2利用WIFI模塊通過無線路由傳輸給上位機正壓送風監控系統。上位機系統進行數據實時顯示、記錄，同時根據閾值設定情況發送相應控制命令，STC15單片機接收并處理相關控制命令，如此循環往復[5]。下位機主流程

圖6 上位機拓撲結構圖

圖如圖5所示。

■3.3 上位機拓撲圖

配合本系統工作的遠程火災自動監測與控制在系統后臺內置IP地址設置，以連接相應的路由器，并與各采集終端聯網構成采集系統網絡。主要工作界面包括閾值設置、當前采集數據顯示、煙霧報警顯示、數據存儲、調控等幾個方面。將當前系統時間和煙霧濃度進行顯示，并定時發送采集到的煙霧濃度數據。如果煙霧濃度過高則發出報警信號，即可控制風機與風門，進行正壓送風。并將煙霧濃度數據記錄在文本中[6]。上位機拓撲結構圖如圖6所示。

4 結果與分析

該系統以單片機為控制核心，一方面通過煙霧傳感器采集煙霧濃度參數，另一方面通過WIFI模塊傳輸數據和接收控制命令。監測與報警的工作流程是：煙霧傳感器采集濃度數據，由單片機處理后，相關參數經過 WIFI 模塊和無線路由器接入工作站，上位機客戶端應用軟件將下位機所采集到的煙霧濃度數值實時地進行波形顯示并進行文本記錄，當前煙霧濃度超過所預先設定的報警閾值時，上位機進行報警指示，應用軟件發送控制指令控制相應電氣回路工作，控制流程為，控制指令經過無線路由器、WIFI模塊至下位機，下位機控制繼電器驅動正壓送風控制電氣回路動作，開啟相應的電氣設備。系統的工作運行圖如圖7所示。

圖7 系統運行圖

當前系統采集的煙霧數值為236，高于系統設置的閾值230，上限報警燈亮起，同時同步發送了控制命令，接通繼電器模塊，開啟了正壓送風系統，反之，則系統不動作。

同時，系統將相關的采集數據以文本形式記錄，以備日后查閱和調取。記錄格式如圖8所示。

圖8 系統采集數據記錄

5 結束語

本項目設計的基于WIFI的移動正壓送風系統監測系統，其成本低廉，僅需 ESP8266WiFi模塊配合單片機外接煙霧傳感器，就可以很好地實現變復雜的工程布線為簡易的無線通信配置，硬件控制電路簡化，非常適合非固定式場所如簡易工棚等的移動消防所需，同時配合上位機監控軟件可以實時、高效和準確的監測。該系統可對火災做出有效控制，將火災損害降低，并能很好地克服了目前的固定式樓宇正壓送風系統的存在的應用局限性問題，對今后的智能樓宇的消防監測以及疏散指示等系統的設計有很好的借鑒意義。