一種單片機的智能居家火災報警系統研究

徐淼鑫，王鑫

（1.佳木斯市消防救援支隊防火監督科，黑龍江佳木斯，154004；2.中國人民銀行佳木斯市中心支行科技科，黑龍江佳木斯，154002）

0 引言

家用電器的使用為人們的生產生活帶來很大便捷，但是由于家用電器的增多導致居家用電負荷有所增加，致使用電火災發生的概率增大，一旦發生用電火災會對人們的生命財產造成嚴重破壞。目前，在建筑防火規范中已經明確要求要配套火災報警系統設施，隨著電子技術的不算完善，居家火災報警系統也逐漸得到優化，本文設計了適合于智能居家火災防護的報警系統，能夠實現對火災情況進行實時監控并報警。

1 需求分析

傳統單一簡單的火災報警系統已經難以滿足現代建筑的發展和使用需求，隨著智能家居的深入發展對火災報警系統提出了更高的要求，通過火災報警系統需能夠及時、快速、準確的實現對火災的檢測、報警以及控制功能，快速發展完善的網絡通信技術及科學技術為智能家居火災報警系統提供了強大的技術支撐，智能火災報警系統發展迅速，目前電子技術、計算機網絡通信技術、傳感器、自動控制技術等已經應用在火災報警系統的研究與設計中，多種智能火災報警系統已投入到實際應用中。但現階段的火災報警系統在智能性、實時性、準確率方面仍存在不足，傳統火災報警系統在對火災發生狀況進行判斷時大多基于單個傳感器和單個閥值完成，但在發生火災時受到環境因素及火災產生的各參數等的相互作用和影響，室內環境的復雜程度較高，如果傳感器性能難以滿足對復雜環境的檢測需求，將會導致火災誤報、漏報等問題，現代建筑的火災發生情況僅使用基于閥值方式的火災報警系統已難以實現有效的檢測過程。目前在控制領域高性能的單片機成為主流的控制方案，具備精度高、通用性好、工況穩定性高、功耗低等優勢的單片機可有效彌補傳統報警系統裝置在可靠性和準確性等方面的不足。本文在現有研究成果的基礎上完成了一種基于單片機的智能家居火災報警系統的設計，該系統結構簡單、操作便利，并顯著提高了系統的穩定性及報警精確度。

2 基于單片機的智能居家火災報警系統設計方案

2.1 整體架構設計

基于單片機的智能居家火災報警系統由探測器、傳感器以及報警系統組成，整體結構如圖1 所示。當室內發生火災時，傳感器會對室內的煙霧顆粒以及室內溫度進行檢測，然后通過轉換處理電路對采集到的信息進行轉換，經過火災控制器對采集數據進行分析，最終得出是否發生火災的結論。在火災探測模塊中，控制中心選用STC15L2K32，將探測模塊所傳送的信息進行數據融合，得出報警信號并發送到用戶手機，用戶可以通過傳輸信息了解火災方位，及時采取救治措施。

圖1 系統總體架構示意圖

2.2 單片機的應用

單片機選用STC15 系列的STC15L2K32 來對探測模塊進行實現，該單片機具有很高的可靠性及應用性，處理速度較快而且功耗較低，由中央處理器、A/D 轉換器、程序及數據存儲器、2 個16 位可重裝載定時器、5 個外部中斷、I/O 口等組成，各串口功能及PWM 功能均可通過定時器完成。根據火災報警系統控制模塊的實際需求，STC15L2K32 單片機通過可重載定時器可再實現3 個定時器或D/A 轉換器。

3 智能居家火災報警系統的實現

3.1 控制模塊

本文所研究的居家火災報警系統以模塊化設計為主，經過各模塊之間的相互通信來實現居家意外火災的識別與檢測，控制模塊主要通過人機交互來產生報警功能，高質量實現報警控制。控制模塊的正常運轉需要通過穩定的電源作為基礎，本研究選用的電源電路可以提供不同的電源電壓，在短時間內實現控制系統程序代碼、文件傳輸等功能。經過控制模塊可以顯示傳感器采集的探測數據，根據實際需求設置參數信息，通過語音及短信兩種方式實現報警。在電源模塊中會使用3.3V、4.2V、5V、12V 等在內的多種電源值，通過LM1117_3.3 電源電路將5v 電壓轉換為3.3V 電壓，確保各集成電路均能夠使用。通過MP2307 電源電路可以將12v 的直流通電轉換為5v 或4.2v，確保系統GSM 模塊串口及繼電器模塊使用。在鍵盤電路中，采用6 個行式鍵盤，將單片機I/O 口與按鍵相連，設置不同按鍵的具體功能，包括菜單兼確認、上翻兼短信號碼設置、退出并返回上一級菜單、開啟報警裝置、撤除報警裝置等。

3.2 探測模塊

探測模塊由電源模塊、傳感器、探測處理單元、調理電路組成，經過探測器對煙霧、溫度、CO 濃度等模擬信號進行采集，由相應的調理電路完成后續的數據放大及轉換處理，最終經過探測處理單元對數據進行匯集統籌后向火災報警控制傳送數據信息。

3.3 系統軟件的實現

3.3.1 系統控制模塊軟件設計

系統的主程序流程如圖4 所示，先完成對系統相應模塊（包括無線通信、GSM、LCD 液晶顯示等模塊）的初始化處理，然后進入系統主界面的分機搜索狀態（顯示scaning client），一臺主機可連接分機的上限為15 個，由主機依次發射相關數據幀（地址為1～15，通過A7139 無線模塊完成）。發射完每一數據幀后如果能收到分機回復（需在規定時間內）則證明存在該地址分機，這個地址會被程序記錄到分機列表中，搜索結果在搜索完成后實時顯示于屏幕上（find xx client addr...），然后系統程序對包括SIM 卡、網絡注冊結果等在內的GSM 模塊狀態進行查詢（Initing GSM_model...），提示GSMstatus ok/err（注冊網絡成功/失敗），接下來進入主界面顯示布/撤防狀態及在線分機數量，通過點擊BF 和CF 按鍵進行布撤防，操作過程根據提示信息即可完成，在布防狀態下系統主機僅在傳感器數據值大于門限值時觸發報警。點擊菜單鍵進入設置主菜單界面，上下移動菜單選項點擊確認進入當前選項，按EXIT 鍵返回或退出，在通電情況下通過分機搜索對在線分機進行重新搜索，通過原始數據顯示實現對各前端模塊傳感器數據實時直觀的查看，數據采用16 進制（AD 轉換后的原始值）顯示模式，通過短信號碼設置按鈕設置短信接收號碼（保存于單片機EEPROM 中）。系統主機在待機狀態下每200ms 查詢一次分機列表中的各分機并完成各分機傳感器數據的讀取，系統報警的判斷條件為：分機各傳感器設置3 個數據閥值（高中低），以當前傳感器檢測數值及系統預設判斷條件為依據完成當前分機的火險系數的計算，在該系數超過預定值且系統處于布防狀態的情況下會觸發報警，系統顯示屏會實時顯示報警的分機編號，通過繼電器動作觸發揚聲器發出X 防區報警語音提示，同時GSM 模塊會將報警短信發送到預設手機號碼中，按撤防鍵可取消報警。

3.3.2 探測模塊軟件設計

探測模塊主程序流程如圖2 所示，單片機上電后探測模塊先配置端口資源，并根據地址跳線狀態讀取結果完成相應地址信息的計算和確定，然后開啟3 路AD 轉換通道，并在完成初始化處理無線模塊后進入無線監聽狀態，接收到主機的有效查詢數據幀后（數據幀長度為8 個字節），對其中的地址同自己地址的一致性進行判斷，一致則返回包括包括3 路傳感器當前數值在內的數據（按照相同數據幀結構），數據幀格式為2 字節幀頭+1 字節分機地址+1 字節co 濃度數值+1 字節煙霧數值+1 字節溫度數值+2 字節幀尾，其中幀頭和幀尾固定為0XA8 0XC5 和0X8A 0X5C。

圖2 探測模塊主程序流程

4 結束語

傳統火災預警系統存在準確性及實時性不高等問題，針對該問題本研究對此進行優化，采用高集成度的單片機對探測模塊進行控制，經過溫度、煙霧傳感器等對火災相關信號進行收集，通過無線通信模塊將收集到的信息發送到控制中心，提高火災預警系統的識別能力，完成對火災發生情況的準確判斷，通過報警系統將火災損失降至最低。