基于ESP8266 和Zigbee 的宿舍火情監測預警系統

田羿，胡佳星，譚鴻棣，祝光，李雙科，李豪現

（武漢理工大學信息工程學院，湖北 武漢 430070）

當今社會，機關、學校、企事業單位的單身職工、學生多居住于集體宿舍。眾所周知，集體宿舍由于人多物雜，稍有不慎便會留下火災安全隱患，造成嚴重的人員傷亡和財產損失。當今廣泛應用的火災監測系統監測手段單一，智能化程度低，難以進行精細化的管理。Zigbee 有著高通信效率、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數字化等諸多優點。這些優點使得Zigbee 和無線傳感器網絡完美地結合在一起。基于ESP8266 和Zigbee 的宿舍火情監測預警系統傳輸延遲低、數字化程度高、能耗低，不僅可以對火災進行預警，而且可以為后續的火情處置及溯源工作提供更多維度的數據支撐。系統設計體現了以人為本、服務為民的精神。

1 系統的總體設計

根據預警系統設計要求，系統總體設計方案如圖1所示。

圖1 系統總體設計方案

火情監測預警系統由監測終端節點、無線傳輸網絡以及在線控制平臺3 個部分組成[1]：①監測終端節點主要由火焰、煙霧、氣體、溫度4 種傳感器以及Zigbee控制芯片組成，其主要功能是對環境參數的收集并將其上傳至協調器；②無線傳輸網絡由Zigbee 協調器以及ESP8266 控制芯片組成，主要負責對各終端數據的整合并將其上傳至服務器；③在線控制平臺的主要功能是對各節點數據進行可視化，并對傳輸系統下達簡單的指令，調整系統的工作狀態。

2 系統的硬件設計

2.1 電源模塊的硬件設計

系統使用AMS1117 作為穩壓芯片，AMS1117-3.3是一種輸出電壓為3.3 Ⅴ的正向低壓降穩壓器，輸入電壓為5 Ⅴ，在輸入端加入2 個濾波電容，分別濾除幅度較小和較大的波動，輸出端同樣接入2 個電容作為濾波的同時避免因通電和斷電產生的脈沖對系統造成損傷[2]。模塊設計了2 種供電模式，分別是USB 供電和電池供電，正常情況下可以外接220 Ⅴ轉5 Ⅴ的變壓器依靠室內的插座供電，緊急情況斷電時可以依靠備用電池供電，保證了系統工作的穩定性。電源模塊原理如圖2 所示。

圖2 電源模塊原理圖

2.2 溫度檢測模塊的硬件設計

由于火災現場往往能達到較高的溫度，所以溫度傳感器的測量范圍應當足夠寬，才能為火情處理提供支撐。溫度傳感器使用LMT85LP，該型號兼容3.3 Ⅴ的電源電壓，輸出信號為模擬信號，測溫范圍為-50～150 ℃滿足設計需求。與此同時，該傳感器電路設計簡單，只需與單片機引腳串聯即可，節約了電路板空間。

2.3 火焰檢測模塊的硬件設計

紅外線火焰檢測裝置是利用火焰亮度和閃爍頻率來判斷火焰的真實存在，火焰燃燒會產生大量的紅外輻射，遠遠超過日常生活中能夠產生的紅外強度。火焰監測模塊通過一個電壓比較器，將輸入的紅外輻射轉化的電壓與基準電壓比較，從而判斷是否有火焰產生[3]。

2.4 氣體檢測模塊的硬件設計

火焰不完全燃燒會產生CO，而且會有大量煙霧產生，因此監測模塊需要實時測量空氣中CO 和煙霧顆粒的質量濃度，作為判斷火情的依據。煙霧和CO 傳感器選擇MQ-2 和MQ-7，其技術較為成熟，成本低廉，適用于本場景。可燃物未充分燃燒產生的CO 和煙霧擴散到氣體傳感器時，其輸出端電位的變化就同質量濃度的變化直接有關，通過電極引出線用外部電路測量傳感器輸出電流的大小，便可檢測出CO 和煙霧的質量濃度，并且有很寬的線性測量范圍。傳感器只能用5 Ⅴ電源供電，為了使其輸出的模擬信號能夠被單片機測量，在其輸出端口設計了分壓電路。煙霧和CO質量濃度測量電路原理如圖3 所示。

圖3 電源模塊原理圖

2.5 終端節點主控模塊的硬件設計

終端節點的主控模塊需要采集傳感器信息并實現基于Zigbee 協議的射頻通信，系統選擇億佰特公司出品的E18 系列Zigbee 自組網模塊。該模塊以TI 公司的CC2530 芯片作為主控，并將其引腳引出加以封裝，簡化了電路設計。由于該芯片的串口通信電平為3.3 Ⅴ，而系統使用5 Ⅴ電壓作為通信電平，所以在P1.4、P1.5引腳處串聯3 k 電阻以作保護終端節點主控模塊原理，如圖4 所示。

圖4 終端節點主控模塊原理圖

2.6 USB 轉串口模塊的硬件設計

系統選擇CH340C 芯片作為串口轉換芯片，該型號芯片應用廣泛，工作性能穩定，而且不需要外接晶振，大大簡化了電路設計。根據數據手冊，5 Ⅴ供電的該芯片需要在4 號引腳串聯0.01 μF 的電容后再接地。

2.7 協調器的硬件設計

協調器要與所有終端節點進行通信，并實現與互聯網的連接。系統使用ESP8266 作為主控，該芯片功能強大，而且能夠接入Wi-Fi，符合使用情境[4]。與終端的通信依然選用E18 自組網模塊，通過ESP8266 發送的串口指令控制其在協調器模式下工作。E18 與ESP8266 的連接如圖5 所示。

圖5 E18 與ESP8266 的連接原理圖

2.8 終端與協調器的PCB 設計

由于系統需要進行Zigbee 通信這一高頻通信部分，所以印刷電路板在設計時充分考慮了可能存在的干擾問題，將E18 芯片的天線伸出板外。并在物理層上遠離電源、串口等可能產生干擾的部分，系統的通信質量得到了一定的保障。

3 系統的軟件設計

系統的軟件開發使用Arduino 集成開發環境對ESP8266 進行編程，軟件主要分為Zigbee 收發模塊、數據整合處理模塊、網絡通信和工作管理模塊3 個部分。

3.1 Zigbee 收發模塊的軟件設計

由于系統直接使用億佰特公司的E18 自組網模塊作為節點的主控芯片，所以在組網方面不需要進行額外的工作。為了增強網絡的可靠性，系統采用如圖6所示的節點網狀連接方式，每個節點在加入網絡時都會被自動分配一個短地址ShortADDR，這個短地址是在加入網絡時隨機分配的，具有不確定性，但是每個Zigbee 設備在出廠時有固定的8 Byte 長度的MAC 地址，協調器可以根據這個確定的MAC 地址獲取每個設備在當前網絡中的短地址。

圖6 系統采用的節點網狀連接方式

系統開機后，ESP8266 首先入網，向服務器發出請求，讀取存儲在服務器中的設備MAC 地址并將其存儲在本地，這種獲取地址的方式和直接將地址存儲在本地相比擴展性更好。在存儲了所有設備的MAC 地址后，ESP8266 向協調器發送指令讀取組網狀態，待組網完成后，根據已有的MAC 地址獲取每個設備的短地址。隨后，ESP8266 通過AT 指令按照有無火焰產生、CO 質量濃度、煙霧質量濃度、溫度的順序依次點播，獲取每一個節點的監測數據并存儲。

3.2 數據整合處理模塊的軟件設計

數據整合處理部分對協調器傳來的節點數據進行處理，并向自組網絡發送指令。終端設備使用的傳感器均為模擬信號，通過芯片自帶的ADC 轉換器讀取電壓值送入協調器再傳入ESP8266 完成模擬電壓值到實際濃度或溫度的換算。LMT85LP 模擬溫度傳感器的輸出電壓隨溫度的變化線性變化，其電壓-溫度曲線如圖7 所示，經過換算可以得到實際溫度值。氣體傳感器所使用的氣敏材料的電導率在潔凈空氣中較小，隨空氣中其他氣體質量濃度的增加而增大。由于兩種氣體傳感器都以潔凈空氣作為標準，故在實際應用中很難得到精準的質量濃度數值。系統將CO 和煙霧的質量濃度分為三檔，分別是“安全”“過高”“危險”，分別為其設置合適的閾值電壓定性監測氣體成分。

圖7 LMT85LP 模擬溫度傳感器的電壓-溫度曲線

在該模塊還要完成火情判斷，若火焰傳感器檢測到火焰產生，則直接判斷為有火情并向服務器和監測終端發送報警信號；若火焰傳感器沒有檢測到火焰，但煙霧、CO 的質量濃度或溫度中的一項或幾項有升高的趨勢，則判斷為有火災風險，并向服務器和監測終端發送提示信息；若檢測到溫度快速升高，CO 和煙霧的質量濃度處于“過高”或“危險”，則判斷為有火情并向服務器和監測終端發送報警信號。

3.3 網絡通信和工作管理模塊

ESP8266 模塊支持STA/AP/STA+AP3 種工作模式，系統中選擇STA 模式即ESP8266 模塊通過路由器連接互聯網，手機或電腦通過互聯網實現對設備的遠程控制。設置要接入的Wi-Fi 名、密碼、服務器地址和私鑰，即可實現串口透傳[5]。

系統有2 種工作模式：當未檢測到異常時，系統工作在低功耗狀態，終端節點休眠時間長、數據發送頻率低，能有效節能；當接收到監測終端的提示信息時，ESP8266 控制系統進入警戒模式，系統取消休眠，高頻率監控各個節點的各項指標，以求對火情的發生進行最實時的跟蹤和報警。

4 結語

本系統應用ESP8266 作為主控制器，結合ZigBee技術進行無線傳輸，使用火焰、氣體、溫度等傳感器構成監測系統，實現對宿舍火情的監測預警。系統運行結果表明，該設計方案切實有效，具有一定的應用價值。