基于物聯(lián)網(wǎng)的火焰探測(cè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)

摘 要：為了減少火災(zāi)給人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成的損害，設(shè)計(jì)了一種火焰探測(cè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STC8A8K64S4A12單片機(jī)作為主控模塊、GSM模塊作為通信設(shè)備以及火焰紅外傳感器作為檢測(cè)探頭，通過(guò)OLED顯示屏顯示現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。利用Keil μVision5編程平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，通過(guò)單片機(jī)控制將探測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在OLED顯示屏上，當(dāng)檢測(cè)到火焰時(shí)通過(guò)GSM模塊發(fā)送短信到手機(jī)客戶端，并通過(guò)繼電器開(kāi)啟抽水泵，從而幫助用戶實(shí)時(shí)掌握環(huán)境信息并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)滅火。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：火焰探測(cè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足用戶的基本需求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；火焰探測(cè)；報(bào)警器；STC8A8K64S4A12；GSM模塊；火焰紅外傳感器；報(bào)警滅火系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）09-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.005

0 引 言

在經(jīng)濟(jì)和科技快速發(fā)展的今天，安全風(fēng)險(xiǎn)遍布于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。近年來(lái)，我國(guó)每年發(fā)生火災(zāi)上萬(wàn)起，每年由火災(zāi)造成的直接財(cái)產(chǎn)損失數(shù)以億計(jì)[1]。為了減少火災(zāi)對(duì)人們的生命、財(cái)產(chǎn)造成的損害，國(guó)內(nèi)外對(duì)智能火災(zāi)報(bào)警器進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的理論研究和實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)。對(duì)于火焰探測(cè)，最常用的就是紅外火焰報(bào)警器。這種火焰探測(cè)器配置多個(gè)高靈敏度的紅外傳感器，能夠?qū)μ囟úㄩL(zhǎng)范圍的火焰紅外輻射進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。目前很多火災(zāi)報(bào)警器都集中在煙霧和可燃性氣體的檢測(cè)上，誤報(bào)率較高，且大部分火災(zāi)報(bào)警器只適合單一場(chǎng)景，不能根據(jù)環(huán)境的需求改變報(bào)警參數(shù)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的火焰探測(cè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)。系統(tǒng)利用火焰紅外傳感器檢測(cè)火焰，保證了火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確性；采用聲光報(bào)警和發(fā)送短信報(bào)警的模式，及時(shí)提醒人們做好火災(zāi)的預(yù)防、控制工作，并且實(shí)現(xiàn)了通過(guò)繼電器開(kāi)啟抽水泵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)滅火的功能，從源頭有效制止了火災(zāi)的蔓延，從而防止發(fā)生爆炸等惡劣事故，減少人力物力的損失，保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。該自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)擁有安裝簡(jiǎn)便、報(bào)警及時(shí)、價(jià)格低廉、功耗低且壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，火焰探測(cè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)主要包括STC8A8K64S4A12單片機(jī)主控模塊、火焰紅外傳感器模塊、OLED顯示模塊、SIM800C GSM通信模塊、聲光報(bào)警模塊、繼電器模塊、抽水泵等。

在目標(biāo)監(jiān)測(cè)環(huán)境中，火焰紅外傳感器負(fù)責(zé)探測(cè)火焰的強(qiáng)度，并通過(guò)其負(fù)載上的電阻器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)；然后將電壓信號(hào)發(fā)送到A/D轉(zhuǎn)換器，在轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的輸出。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)被直接傳輸至STC8A8K64S4A12開(kāi)發(fā)板，并利用動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)，通過(guò)OLED顯示屏實(shí)時(shí)更新火焰紅外傳感器的ADC采樣值。STC8A8K64S4A12開(kāi)發(fā)板還負(fù)責(zé)管理蜂鳴器報(bào)警電路、發(fā)送裝置及滅火裝置的運(yùn)行。當(dāng)GSM模塊在發(fā)送裝置中通電后，STC8A8K64S4A12開(kāi)發(fā)板通過(guò)串口3檢測(cè)其工作狀態(tài)，若收到回應(yīng)，則確認(rèn)GSM模塊已正常啟動(dòng)。隨后，主控制器將GSM模塊配置為短信文本模式（SMS），并等待火焰紅外傳感器的數(shù)據(jù)輸入。一旦火焰紅外傳感器檢測(cè)到火焰強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)預(yù)設(shè)的安全閾值，STC8A8K64S4A12開(kāi)發(fā)板將立即觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，并點(diǎn)亮LED指示燈以警示用戶；同時(shí)，它還會(huì)控制GSM模塊向手機(jī)客戶端發(fā)送報(bào)警短信，并啟動(dòng)抽水泵進(jìn)行緊急滅火，從而有效應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)火情。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要分為火焰檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、自動(dòng)滅火模塊4個(gè)部分，如圖2所示。系統(tǒng)以STC8A8K64S4A12開(kāi)發(fā)板為核心控制元件，火焰紅外傳感器為檢測(cè)探頭，采用SIM800C GSM進(jìn)行無(wú)線通信、OLED顯示屏進(jìn)行可視化顯示，繼電器負(fù)責(zé)開(kāi)啟抽水泵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)滅火。火焰探測(cè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中是否有火焰產(chǎn)生，并遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)火災(zāi)險(xiǎn)情可及時(shí)發(fā)出警報(bào)并自動(dòng)開(kāi)啟水泵進(jìn)行滅火。

2.2 各模塊的電路設(shè)計(jì)

2.2.1 火焰檢測(cè)模塊電路

基于火焰紅外傳感器的工作原理[3]，利用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，將所檢測(cè)的火焰強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，接著用OLED屏顯示出火焰紅外傳感器的ADC采樣值。利用A/D轉(zhuǎn)換功能將時(shí)間和幅值都連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)為時(shí)間和幅值都離散的數(shù)字信號(hào)。通常A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程需要經(jīng)過(guò)的步驟分別是取樣、保持、量化和編碼[4]。

火焰紅外傳感器由紅外接收管、寬電壓比較器LM393等元件構(gòu)成，可以檢測(cè)到火焰或波長(zhǎng)為760～1 100 nm的光源，靈敏度高、響應(yīng)速度快。當(dāng)火焰產(chǎn)生時(shí)，紅外接收管將會(huì)導(dǎo)通，從而導(dǎo)致其兩端的電壓下降；隨后通過(guò)電壓比較器進(jìn)行比較，如果檢測(cè)到火焰，則輸出低電平信號(hào)；如果沒(méi)有檢測(cè)到火焰，則輸出高電平信號(hào)[5]。在該火焰探測(cè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)中，檢測(cè)到的火焰強(qiáng)度越強(qiáng)，火焰紅外傳感器的ADC值則越低，當(dāng)傳感器檢測(cè)的火焰強(qiáng)度低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)（ADC值小于1 000），系統(tǒng)會(huì)通過(guò)蜂鳴器和LED燈發(fā)出警報(bào)，同時(shí)發(fā)短信到用戶手機(jī)，確保用戶能夠及時(shí)了解并響應(yīng)火情。

2.2.2 報(bào)警模塊電路

報(bào)警模塊主要由蜂鳴器和GSM模塊組成。

聲光報(bào)警：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到火焰時(shí)（ADC值小于1 000），由STC8A8K64S4A12單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)出蜂鳴報(bào)警信號(hào)，并通過(guò)點(diǎn)亮火焰紅外傳感器上的LED燈來(lái)警示用戶。圖3和圖4分別是蜂鳴器的發(fā)聲原理圖和電路圖[6]。

短信報(bào)警：GSM系統(tǒng)是目前在我國(guó)發(fā)展最成熟的移動(dòng)通信系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，GSM網(wǎng)絡(luò)擁有龐大的用戶數(shù)量、廣泛的覆蓋范圍、穩(wěn)定可靠的通信質(zhì)量。利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)GSM短信服務(wù)作為一種使用方便、成本低廉的即時(shí)通信方式，在眾多通信方式中脫穎而出，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用與認(rèn)可[7]。當(dāng)檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)有火焰時(shí)，STC8A8K64S4A12開(kāi)發(fā)板通過(guò)串口3驅(qū)動(dòng)GSM模塊，發(fā)送報(bào)警短信到手機(jī)客戶端。即微控制器通過(guò)串口向GSM模塊發(fā)送一系列AT指令，配置該模塊作為文本短信發(fā)送器（SMS），其功能與手機(jī)發(fā)送短信的功能一樣[8]，將包含警報(bào)信息的短信通過(guò)信號(hào)基站發(fā)送到指定手機(jī)接收端。GSM模塊的工作原理如圖5

所示。

2.2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊電路

數(shù)據(jù)顯示模塊的主要部分是OLED模塊。OLED模塊由底板（PCB板）和OLED顯示屏構(gòu)成。OLED顯示屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為兩大部分：顯示液晶點(diǎn)陣和驅(qū)動(dòng)IC（型號(hào)為SSD1306）。該顯示屏的點(diǎn)陣分辨率為128×64，有效顯示區(qū)域?yàn)?.96英寸。PCB板的作用是為驅(qū)動(dòng)IC提供外圍需要的少量電容和電阻，同時(shí)負(fù)責(zé)固定OLED顯示屏，通過(guò)2.54 mm

間距的排針把控制接口（支持SPI或I2C協(xié)議）引出，方便接入開(kāi)發(fā)板。當(dāng)傳感器檢測(cè)到火焰，即ADC值小于閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，LED燈發(fā)出警報(bào)并在OLED顯示屏上顯示，同時(shí)通過(guò)手機(jī)短信向用戶發(fā)送報(bào)警信息，OLED顯示屏?xí)鹦酗@示GSM模塊狀態(tài)、GSM信號(hào)值、火焰紅外傳感器ADC采樣值。圖6為OLED顯示屏結(jié)構(gòu)。

2.2.4 自動(dòng)滅火模塊電路

自動(dòng)滅火模塊由復(fù)合型電磁繼電器和抽水泵組成。這種自動(dòng)化控制設(shè)備采用了一種先進(jìn)的開(kāi)關(guān)控制方式，即采用較小的電流和較低的電壓來(lái)控制較大的電流和較高的電壓，從而在電路中實(shí)現(xiàn)了保護(hù)和轉(zhuǎn)換電路的功能。繼電器分別由線圈、反力彈簧、磁路和觸點(diǎn)構(gòu)成。輸入端具有高低電平兩種狀態(tài)：當(dāng)處于高電平時(shí)電路兩端保持通路；當(dāng)處于低電平時(shí)電路斷開(kāi)。當(dāng)火焰紅外傳感器的值大于等于1 000時(shí)，輸出低電平，繼電器的COM和NC接通；小于1 000時(shí)，輸出高電平，COM和NO接通，受控設(shè)備即水泵通電，開(kāi)啟抽水泵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)滅火。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文使用Keil μVision5進(jìn)行系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)，如圖7所示。對(duì)于匯編語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言在可讀性、功能性、結(jié)構(gòu)性、可維護(hù)性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。Keil中提供了一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，將C編譯器、鏈接器、宏匯編和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等組合在一起。對(duì)于使用C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，Keil是一個(gè)很好的開(kāi)發(fā)軟件。

通過(guò)STC-ISP將程序燒錄到單片機(jī)上。STC-ISP是一款常用的單片機(jī)編程與燒錄軟件，如圖8所示。它可以幫助用戶選擇自己需要的單片機(jī)型號(hào)、引腳數(shù)、通信端口以及最佳波特率，選擇完成后就可以進(jìn)行燒錄。

系統(tǒng)采用CH341SER作為驅(qū)動(dòng)程序。CH341SER是支持32位和64位系統(tǒng)的CH340/CH341USB轉(zhuǎn)串口Windows驅(qū)動(dòng)程序，附有DLL動(dòng)態(tài)庫(kù)的使用及非標(biāo)準(zhǔn)波特率的設(shè)置等方面的說(shuō)明；通過(guò)微軟數(shù)字簽名認(rèn)證，提供USB轉(zhuǎn)3線和

9線串口等，會(huì)隨產(chǎn)品發(fā)行到最終用戶，適用于便攜式筆記本電腦。CH341SER驅(qū)動(dòng)界面如圖9所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)中火焰紅外傳感器將檢測(cè)到的火焰變換為電信號(hào)，由連接在其負(fù)載上的電阻器將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)發(fā)送給STC8A8K64S4A12單片機(jī)內(nèi)部集成的高速A/D轉(zhuǎn)換器，利用A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)，再由OLED實(shí)時(shí)更新顯示火焰紅外傳感器的ADC采樣值。系統(tǒng)通過(guò)STC8A8K64S4A12控制報(bào)警電路、發(fā)送裝置和滅火裝置。發(fā)送裝置中的GSM模塊上電后，開(kāi)發(fā)板通過(guò)串口3檢測(cè)GSM模塊的工作狀態(tài)，然后將GSM模塊配置成短信文本模

式（SMS），等待火焰紅外傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生火焰時(shí)（ADC值小于1 000），系統(tǒng)會(huì)立刻通過(guò)繼電器開(kāi)啟抽水泵，同時(shí)驅(qū)動(dòng)報(bào)警器發(fā)出警報(bào)聲、點(diǎn)亮LED燈來(lái)提醒用戶，并發(fā)送報(bào)警短信到指定的手機(jī)上。

5 系統(tǒng)測(cè)試

首先連接好火焰探測(cè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)的各個(gè)硬件模塊（如圖10所示），再將在Keil μVision5編程平臺(tái)編寫(xiě)好的代碼通過(guò)STC-ISP燒錄到開(kāi)發(fā)板上。將打火機(jī)的火焰放置在火焰紅外傳感器的檢測(cè)端來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)火焰檢測(cè)[9]。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，分別對(duì)火焰檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊、自動(dòng)滅火模塊等子模塊進(jìn)行測(cè)試，如圖11～圖14

所示。

6 數(shù)據(jù)測(cè)試與分析

對(duì)火焰探測(cè)遠(yuǎn)程自動(dòng)滅火系統(tǒng)的火焰檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、自動(dòng)滅火模塊進(jìn)行逐一測(cè)試，檢測(cè)各個(gè)模塊是否達(dá)到預(yù)期效果以及手機(jī)端的短信內(nèi)容與檢測(cè)信息是否一致。結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2所列。模擬測(cè)試在室外環(huán)境下進(jìn)行，結(jié)果表明：整個(gè)裝置運(yùn)行穩(wěn)定，各子模塊功能都達(dá)到了預(yù)期效果，能夠滿足生產(chǎn)生活需求。

7 結(jié) 語(yǔ)

火焰探測(cè)器的發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，已形成了多種傳感器組合方式，但在不同場(chǎng)景的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，還需要綜合考慮、規(guī)范運(yùn)用，盡可能選擇合理實(shí)用的探測(cè)器[10]。本文采用高性能的STC8A8K64S4A12單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了火焰探測(cè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)。火焰紅外傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)環(huán)境中是否有火焰產(chǎn)生，GSM作為無(wú)線通信模塊與繼電器相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了火焰檢測(cè)、遠(yuǎn)程報(bào)警、發(fā)送消息警醒用戶、自動(dòng)滅火的功能。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，具有成本低、實(shí)時(shí)性好、報(bào)警快等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足生產(chǎn)生活需求，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和良好的發(fā)展前景。

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收稿日期：2023-09-12 修回日期：2023-10-11

作者簡(jiǎn)介：張宗禧（2000—），男，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)。