智能消防排煙窗控制系統設計研究與實現

王子斌，周天佑，程麗娟，王博

新疆工程學院，新疆烏魯木齊，830000

0 引言

建筑物著火時，會釋放出大量的煙霧，被困在里面的人，很可能被灼傷，嚴重的話，會導致昏迷，所以消防排煙窗的存在非常重要。20世紀90年代，歐洲的電動門窗產品開始在中國的建筑市場上銷售，主要應用于機場和會展中心。從2002年起，使用的范圍逐漸擴大，到了2005年，廣泛用于場館、商廈、寫字樓、別墅、工廠、倉庫等。隨著國內產品的不斷涌現，電動門窗在不同的建筑中得到了廣泛的應用[1]。建筑物因其占地面積大、火勢擴散迅速、設備、人員密集、人員密集、人員難以撤離等特性，人員疏散、消防工作困難，存在著生命安全、財產安全隱患。對火災發生后發生的高熱煙氣進行及時高效的清除，是保障人員疏散、保障廠房結構安全的有效手段，而合理設置防火排煙系統顯得非常必要。在國外，一些發達國家已有比較完善的火災預防、報警、撲救及善后處置體系。德國、日本和美國等國家通過電腦連接到用戶終端的感應器或用戶終端的數據采集裝置，實現對工廠內的智能防火煙窗進行實時監測和遠程故障傳送[2]。比如，智能防火煙窗控制系統的建造與使用，已經取得了很好的效果。

1 系統設計方案

設計方案。針對工廠建筑火災監控系統的要求，以STM32單片機為核心[3]，采用煙霧、雨水、火災、風力、PM2.5及光照等傳感器為控制對象，利用單片機控制技術實現工廠智能消防排煙窗日常通風采光與消防排煙的功能，主要研究內容如下。

系統分兩種情況（正常情況和發生火災事故）：正常情況要用到風雨、光照、PM2.5等傳感器來實現車間正常的采光、空氣調節及通風功能。光照傳感器的功能：白天光強高于設定值打開排煙窗，晚上光強低于設定值關閉排煙窗。風雨傳感器的功能：刮風下雨時關閉排煙窗，正常情況下開啟（冬天關閉）；為了預防發生火災時造成人員傷亡和財產損失要加煙霧、溫度及火光傳感器。當發生火災事故時，立馬打開排煙窗排煙，控制水泵滅火，開啟警報疏散人群。

通過對車間火災通風窗的監控流程的分析，給出了整個控制系統的設計方案。

本設計的硬件部分由MCU和馬達組成，并編制了MCU的控制軟件，實現傳感器的采集數據，實時檢測火災。

工廠雨水監測、火災監測、風力監測、光照監測等外部條件實時進行系統性監測，實現煙窗的控制，并能通過顯示屏進行顯示采集的數據監控。

2 硬件電路設計

2.1 主控電路設計

（1）復位、時鐘電路：在單片機系統中，如果程序受到外界干擾而發生故障，則按下重置鍵，使程序重新啟動。通常有上電自動重置和外置按鍵人工重置。當時鐘電路工作后，在RST端連續提供2個高電平時，即可實現重置。此設計使用了一個外部的人工按鍵重置回路，為了增加高電平的輸出，必須連接一個上拉電阻器。復位電路如圖1所示。

圖1 復位電路

時鐘電路是單片機的關鍵部件，它的性能對MCU的工作效率有很大的影響。該時鐘電路是一個振蕩的電路，它將一個正弦波作為參考，用來判斷MCU的運行速度，XTAL1和XTAL2分別用作逆變器的輸入和輸出，而逆變器可以被構造成芯片內部的振蕩器[4]。如果使用外部的時鐘電源，則XTAL2不能連接。由于一個機械循環包含6個狀態循環，而每一個狀態循環包含2個振動循環，因此，一個周期內有12次振蕩，若采用石英晶體振蕩器，則其振蕩頻率可達12MHz，振蕩周期可達1/12us。如圖2所示，它是當前最常用的單片機時鐘振蕩電路，其晶振頻率為12MHz，電容器通常是30PF。圖3是一個由復位電路、時鐘電路、MCU組成的微型微處理器。

圖2 振蕩電路圖

圖3 單片機最小系統圖

（2）模數轉換器電路，如圖4所示，選擇的信道為IN0，并且由片選線P2.7和寫入信號“或非”來生成ADC0808的啟動信號START。這就需要一條將一個操作命令寫入ADC0808以開始該信號。ALE連接到START，也就是通過輸入的地址來開啟模擬信號。然后開始轉換，通過讀取信號和選擇信號P2.7“或非”來生成輸出。使信號OE通過一個ADC0808的讀取操作來輸出數據[5]。

圖4 ADC0808與單片機的連接方式

（3）顯示屏LCD1602的電路：顯示電路如圖5所示。

圖5 顯示電路

2.2 監測模塊電路

（1）雨水模塊電路：雨水傳感器電路是由電頻信號來判斷外界環境是否下雨。當單片機系統的IO口接收到雨水模塊采集的數據為低電平時，這時單片機系統判斷外界環境為下雨，電動機的驅動模塊將會收到由單片機輸出的關閉窗口信號，使其啟動正向旋轉，即模擬實現關窗；當單片機系統的IO口接收到雨水模塊采集的數據為高電平時，這時單片機系統判斷外界環境為晴天，電機驅動模塊就會接收到單片機系統輸出的開窗信號，從而進行驅動電機開始反轉，即模擬實現開窗，如圖6所示。

圖6 雨水傳感器接口圖

（2）電機驅動模塊：TB6612電機驅動電路原理圖中包含四個電路。在電壓電流允許的范圍內可以直接驅動兩個直流電機。STM32芯片需要用2個引腳來控制，AO1是電機的輸入控制端口，電平為DC0-5V。AO2是電機的邏輯輸入控制端口，電平為DC0-5V。AO1、AO2為1路H橋輸出端口，接一個直流電機的兩個腳[6]。GND是電機接地引腳。電機驅動芯片和電機供電腳，電壓范圍2.7V-10.8V。也就是說，它可以同時驅動兩臺電機，在它的下方，有一個IO端口，用于控制一個電機，STBY端口上的IO端口清零電機停止，而在STBY端口上，則由AO1AO2來控制電機的正、反轉和停止，如圖7所示。

圖7 電機驅動原理圖

（3）溫濕度傳感器電路：DHT11是溫濕度傳感器的關鍵元件，其內部采用數字模塊及溫度感應技術，能夠將溫濕度的值精準測量出來，本電路中所采用的是4針單排引腳的封裝，其接口為電源接口、接地接口、MCU接口，在連接適當的上拉電阻之后，信號的傳輸距離可以達到20m左右，如圖8所示。

圖8 溫濕度傳感器

（4）PM2.5傳感器電路：通過單片機串口進行通信，并且接收到PM2.5傳感器采集到的信號，并將其轉換成相應的數據值，根據PM2.5傳感器數據，單片機通過判斷傳感器的數值，如果大于設定值，就進行報警操作，如圖9所示。

圖9 PM2.5傳感器

（5）煙霧傳感器電路：檢測到外界環境有煙霧并且與之接觸時，在煙氣傳感器的結構中，其表面電導率會發生改變。煙氣濃度的探測主要取決于其表面的導電性，導電率的大小直接關乎模擬信號輸出的大小，并且具有良好的重復性和長期穩定性，盡管長時間工作也能保證工作性能的穩定。傳感器在使用的時候，需要進行加熱后才能夠輸出準確的電阻及電壓，如圖10所示。

圖10 煙霧傳感器

（6）藍牙模塊：HC-05藍牙模塊的電路設計很簡單，不需要轉換芯片就直接通過與單片機串口的交互連接。本設計中的藍牙模塊用了4個引腳，其中發送和接收口與單片機的串口連接，基本不會占用I/O口就能對藍牙通信進行傳輸。HC-05藍牙模塊在引腳連接方式中，只需將其與單片機進行通信，并且連接到5V電源和GND，方可實現藍牙功能，同時結合手機下載藍牙連接的APP，實現手機和藍牙模塊的連接，根據輸入相應的指令后執行相關命令指令控制，如圖11所示。

圖11 藍牙模塊電路圖

（7）報警電路：蜂鳴器電路設計采用了蜂鳴器和發光二極管。在設計電路中，單片機的P2.4、P2.5、P2.6分別控制二極管和蜂鳴器，通過編程讓傳感器傳送的數據和規定的值進行比較。如果大于設定值，蜂鳴器報警，紅燈閃爍。小于設定值，蜂鳴器不報警，綠燈閃爍，蜂鳴器原理圖如圖12所示。

圖12 蜂鳴器原理圖

3 系統軟件設計

在主函數中需要先將系統初始化，然后檢測紅外傳感器是否為高電平，如果是就開啟蜂鳴器報警，并且開始掃描按鍵設置的數值，子函數開始檢測溫濕度情況、煙霧、有害氣體、二氧化碳、PM2.5是否超標，室外風力如何，如果任意數值超過單片機設定的數值，就通過顯示函數在顯示OLED屏幕上顯示，并且單片機會給一個信號驅動電機驅動達到關煙窗的目的，如圖13所示。

圖13 系統原理圖

（1）藍牙控制程序：該系統連接到控制中心，通過串行接口向藍牙模塊傳輸AT指令，并將藍牙模塊與網絡相連，在此基礎上，將指令傳送至Bluetooth模塊，由Bluetooth模塊接收到指令后，再利用串行接口和串行方式向MCU傳輸指令。

（2）OLED顯示程序：OLED顯示方式為通過單片機中儲存的相關字庫進行調用，并且寫入ARM中，每個字符都會有一個對應的LED二極管，通過對發光狀態的控制，使其進入相應的顯示狀態，從而實現文字的顯示。用于顯示實時監測的溫度數值及報警的上下限閾值。

（3）蜂鳴器報警程序：蜂鳴器的主要作用是用于蜂鳴器驅動經過單片機IO口進行控制，當三極管接通并向蜂鳴器提供電力時，蜂鳴器就會產生一個導電的電流，蜂鳴器就能發生警報聲。單片機IO口控制蜂鳴器停止報警，把蜂鳴器的電路切斷，使蜂鳴器實現警報。

（4）溫度數據采集程序：DHT11溫度數據采集，是將數字信號傳輸到系統主控制器上，剛上電時的線路不夠穩定，在供電一秒以后，DHT11會向系統主控每次發送40位數字信號；每毫秒發出8位數字信號，系統主控會按照先高位后低位的順序接收信號，接收結束后，STM32會給DHT11發送出單個80us的高電壓來結束此次數據傳輸。

（5）ADC0808程序：從ADC0808的芯片中可以看出，當ALE激活時A、B、C輸入的信道地址被鎖定。在啟動信號START開始之后，EPC信號開始輸送，直到START到達10us之后，EPC信號停止。在EOC信號停止后需要啟動查詢器查詢，然后OE控制數據的輸出。ADC0808接收信號并選定通道，然后啟動A/D等待高電平的EOC信號將OE信號轉換為高電平，最后將轉換后的數據送入單片機。

（6）控制按鍵設計子程序：采用自鎖復位開關調整設定值，從而達到超出設定值的報警功能。

4 電路檢測與仿真

在完成了硬件安裝工作之后，還要對電路進行檢測，并對電路元器件、線路等發現問題后進行調試。①在測試之前都需要進行線路檢查，確認線路及元器件方向無誤后，才能開始進行上電檢測；②進行信號輸入后，觀察輸入輸出波形以及最后呈現的效果是否達到預期的效果。

在通電之前：先使用萬用表，對焊接的線路進行測試，排查是否有短接、焊錯、以及漏焊等情況發生，避免導致電路短路燒毀，對板子造成一定程度的損害。在通電之時（不加入信號，靜態觀察）：先觀察電路是否導通，然后開始聽一下板子有沒有異常的響動，最后，測一下兩端的電壓是否達到了預想值，計算誤差，若是相差甚遠，則需及時改正，并再一次重復上述步驟。在通電之后（加入信號，動態觀察并調試）：根據上述步驟完成后，開始加入合適的信號，按照自己所設計的電路中電流走向，來逐一測量各個測試點輸出的信號。在進行測試這一操作時，不能單憑感覺，需要用到各種儀器（如示波器、信號發生器等）來得出數據并觀察，如圖14所示。

圖14 整體實物圖

最后，在確認測量中得出的各數據準確無誤后，進行最后的調整，結合設計作品的要求，實際情況等，判斷可行性。在斷電之后：整理記錄剛剛所發生的問題，開始一個個進行解決。將虛焊的一些電路進行焊接，然后檢查是否需要更換元器件等，最后進行進一步完善。

（1）雨水傳感器調試：利用濕紙巾來模擬下雨天的情景。把濕紙巾放在雨水傳感器上時，傳感器采集到有水的信號，此時顯示器上顯示“下雨”狀態；緊接著蜂鳴器發出報警；系統感應后自動關閉窗戶。這一過程模擬了車間在下雨天自動關窗的功能。其工作原理：雨雪傳感器上方采用柵形電極，利用水的導電性，當有雨水落到感應區間上時，會造成電極短路，這樣設備就能監測到下雨，窗戶就會自動關閉。

（2）風速傳感器調試：風速傳感器是用來測量風速的設備，外形輕便小巧，便于組裝和攜帶。按照工作原理可粗略分為機械式風感和超聲波式風感。能快速獲得風速信息，殼體采用優質鋁合金型材或聚碳酸酯復合材料，防雨水、耐腐蝕、抗老化，是一種使用安全且方便可靠的智能儀器。本設計的程序里設定的是風速達到5m/s蜂鳴器就會報警，并且窗戶自動關閉?？梢愿鶕F場的實際情況進行調整。

（3）光照傳感器調試：設面元dS上的光通量為dΦ，則此面元上的照度E為：E=dΦ/dS 。照度的單位為lx（勒克斯），也有用lux的，1lx=1lm/m2。照度表示物體表面積被照明程度的量。本設計實物中設定的光量值為3000lx，當周圍光量低于設定值時，系統會模擬夜晚的場景關閉排煙窗；當周圍光量高于設定值時，系統模擬白天的場景并打開排煙窗進行日常的采光與通氣。

（4）煙霧傳感器調試：煙霧傳感器其實就是煙霧報警器的別稱。因為能夠探測火災時產生的煙霧，并且安裝簡易，所以廣泛應用于商場、賓館、商店、倉庫、機房、住宅等場所進行火災安全檢測。它的原理是煙霧傳感器采用了光電感煙器件，光電感煙是利用起火時產生的煙霧能夠改變光的傳播。本設計的畢設實物中設定的煙霧濃度警報值為3000ppm，當空氣中煙霧濃度高于設定值時，系統模擬發生火災的場景觸發蜂鳴器報警并打開排煙窗排煙。

（5）溫度傳感器的調試：溫度傳感器是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。這是金屬膨脹原理設計的傳感器，金屬在環境溫度變化后會產生一個相應的延伸，因此傳感器可以以不同方式對這種反應進行信號轉換。本設計的畢設實物中設定的溫度警報值為30℃，當周邊溫度高于設定值時，系統模擬發生火災的場景觸發蜂鳴器報警并打開排煙窗排煙。

（6）火災傳感器的調試：在傳感器旁邊產生火焰時，傳感器就會采集到火焰的信號，此時顯示器上顯示“著火”狀態；緊接著蜂鳴器發出報警；系統感應后自動關閉窗戶，同時系統啟動水泵進行滅火。

5 結語

本文研究的排煙窗控制系統具有智能化、網絡化和人性化等特點，可以通過對單片機系統的設定來對煙窗進行各方面的控制和安全設置，使用方便，并且相對于傳統的煙窗，它的安全系數也會比較高，很好地改善了現如今人們所處的工作環境。相比于普通的煙窗，智能煙窗能夠更好地為人們的工作提供方便和安全，更加人性化。