基于ZigBee的室內(nèi)火災(zāi)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)

費(fèi)正龍

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，我國城市現(xiàn)代化程度不斷提高的同時(shí)，火災(zāi)事故也日漸增多。根據(jù)2020年火災(zāi)數(shù)據(jù)顯示，2020年一共發(fā)生25.2萬次火災(zāi)，1 183人死于火災(zāi)，775人因火災(zāi)而受傷，一共造成損失高達(dá)40.9億元[1]。火災(zāi)是危害公共安全的最常見的重大災(zāi)害之一[2]。火災(zāi)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)是人們預(yù)防火災(zāi)的重要手段，能夠在火災(zāi)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情為火災(zāi)撲救和人員疏散贏得時(shí)間[3]，從而大大減少人員傷亡[4]。本文設(shè)計(jì)一套無線火災(zāi)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，選用低成本、低功耗的ZigBee無線通信技術(shù)，將煙霧傳感器、一氧化碳傳感器采集到的信息通過STM32單片機(jī)處理后無線傳輸給電腦端實(shí)時(shí)顯示，并在數(shù)據(jù)異常時(shí)發(fā)出警報(bào)，使負(fù)責(zé)人提高警惕，起到火災(zāi)預(yù)警的效果。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)與STM32單片機(jī)的室內(nèi)火災(zāi)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ZigBee通信技術(shù)為紐帶，通過煙霧傳感器、一氧化碳傳感器采集數(shù)據(jù)，將單片機(jī)與DL-20模塊連接，通過DL-20無線傳輸模塊將信息傳送給電腦端，并通過串口打印的方式查看實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)。當(dāng)傳感器檢測到的煙霧等數(shù)值超過閾值時(shí)，單片機(jī)將通過串口給有源蜂鳴器一個(gè)下拉信號，觸發(fā)報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板作為主控模塊，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將MQ-2、MQ-7傳感器模塊，按需求與開發(fā)板的各引腳連接。通過單片機(jī)接收并處理數(shù)據(jù)，通過閾值比較的方式來決定是否觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。系統(tǒng)選用DL-20無線串口模塊，將單片機(jī)串口發(fā)送的傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)出。系統(tǒng)硬件接線圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件接線原理

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板，其擁有48個(gè)引腳，電源供電電壓為3.3 V，環(huán)境適應(yīng)溫度為-40～80 ℃，其可全年在各種溫度環(huán)境下工作，具有功耗低的優(yōu)點(diǎn)。最小系統(tǒng)板包括復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。復(fù)位電路可在每次給系統(tǒng)上電時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，也可在系統(tǒng)需要時(shí)進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。

2.2 通信模塊設(shè)計(jì)

ZigBee是一種低速、短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，具備低成本、低功耗、低時(shí)延、可靠等特點(diǎn)[5]，ZigBee技術(shù)免協(xié)議專利費(fèi)、芯片價(jià)格低，更適用于無線智能家居的應(yīng)用場景[6]。

系統(tǒng)選用DL-20無線串口模塊，其是一款基于UART接口的全雙工無線透明傳輸模塊，采用CC2530芯片，符合IEEE 802.15.4協(xié)議，可通過無線將兩個(gè)或多個(gè)串口連接起來。DL-20模塊可以配置點(diǎn)對點(diǎn)模式和廣播模式，此系統(tǒng)將兩個(gè)DL-20模塊分別配置為A端和B端，在同一個(gè)頻道下進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信。在點(diǎn)對點(diǎn)通信模式下可保證數(shù)據(jù)丟失率為0。使用DL-20與電腦進(jìn)行串口通信時(shí)，需使用CH340芯片。CH340芯片模塊是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)TTL。通過串口的正確連接實(shí)現(xiàn)DL-20模塊與電腦之間的通信。通信模塊實(shí)物如圖2所示。

圖2 通信模塊實(shí)物

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

2.3.1 煙霧傳感器

液化氣等可燃?xì)怏w的泄露是火災(zāi)發(fā)生的重大隱患，MQ-2傳感器通常用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置中，適宜于液化氣、苯、煙霧、酒精等氣體的探測[7]。此傳感器可以測出0.01%到1%的氣體濃度[8]。MQ-2傳感器共有4個(gè)接口，分別為電源、地線、數(shù)字量輸出管腳DO以及模擬量輸出管腳AO，系統(tǒng)將DO引腳懸空，通過AO引腳向單片機(jī)輸出模擬量，通過單片機(jī)的ADC1的通道1將采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過轉(zhuǎn)換電壓值的變化可以直觀反映氣體濃度的變化。

2.3.2 一氧化碳傳感器

考慮到家中常因電線絕緣層老化破損而發(fā)生火災(zāi)，常用作絕緣的塑料有聚乙烯、聚氯乙烯等[9]，常用作絕緣的橡膠材料有氯丁橡膠、乙丙橡膠等，不同的有機(jī)聚合物在熱解時(shí)所釋放出的大量同類型氣體有CO，且CO是火災(zāi)早期的標(biāo)志性產(chǎn)物[10]，測量一氧化碳濃度可有效感知火災(zāi)的發(fā)生。測量一氧化碳?xì)怏w含量選用MQ-7型傳感器，其對一氧化碳的靈敏度高，傳感器的電導(dǎo)率會(huì)隨著一氧化碳?xì)怏w濃度的增加而增大，因此可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為一氧化碳濃度相對應(yīng)的信號。同時(shí)MQ-7傳感器還具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可長期穩(wěn)定工作，在火災(zāi)檢測系統(tǒng)中被廣泛使用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過ADC多通道DMA讀取的方式，讀取煙霧傳感器和一氧化碳傳感器采集輸入的模擬量，經(jīng)過處理后通過USART3串口將信息經(jīng)由DL-20模塊傳輸給電腦端實(shí)時(shí)打印顯示。同時(shí)當(dāng)傳感器輸入的電壓值超過閾值時(shí)，系統(tǒng)將給PB6端口一個(gè)低電平觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。軟件主流程如圖3所示。

圖3 軟件主流程

4 系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)通電后，選擇使用打火機(jī)以模擬可燃?xì)怏w泄漏，改變空氣中可燃?xì)怏w和一氧化碳濃度，測試輸入模擬量的變化。測試結(jié)果如圖4所示。從數(shù)據(jù)中容易看出，當(dāng)氣體濃度增加時(shí)，傳感器輸入的電壓值隨之迅速增加，隨后迅速降低。

圖4 系統(tǒng)測試結(jié)果

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的室內(nèi)火災(zāi)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，通過采集并比較煙霧和一氧化碳濃度的方式實(shí)現(xiàn)及時(shí)報(bào)警，通過ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)在電腦端的實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)可放置于室內(nèi)的各個(gè)角落，對潛在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，其具有時(shí)效性強(qiáng)、通信穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地對火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警。