基于STM32與機智云的樓宇火災監測系統設計

摘 要：針對嚴重威脅樓宇健康和居民安全的火災問題，分析室內火災監測需求，設計并開發了一款樓宇火災實時監測系統。系統以STM32作為監測端主控芯片，機智云作為遠程終端，結合LED顯示屏、WiFi模塊、傳感器模塊等，可以感知環境中的溫濕度、煙霧體積分數、甲烷體積分數等，同時進行閾值判斷，在超出閾值的情況下發出火災風險報警，監測終端也能夠及時采取遠程切斷電源等措施防止火勢加重。該系統適用于寫字樓、居民樓、廠房等場合，對于火災防控和預警具有一定的意義。

關鍵詞：STM32；機智云；樓宇安全；火災監測；閾值判斷；檢測終端

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-05

0 引 言

火災是一種常見而嚴重的災害，給人們的生命安全帶來了巨大的威脅，造成了巨大的財產損失。在高樓建筑中發生的火災，由于建筑高度、人員密集度以及安全疏散難度的增加，往往會導致更為嚴重的后果。近幾年來，我國平均每年發生火災約30萬起，如何有效地監測和預防高樓火災成為了當今社會亟待解決的問題。

樓宇火災監測的研究具有重要的現實意義和應用價值。通過對樓宇火災監測技術的研究，可以及早發現火災和提高火災報警能力，從而為火災撲救制造有效的時間窗口。同時，研究樓宇火災監測技術還可以為相關部門制定火災安全管理政策和規范提供科學依據，降低樓宇建筑發生火災的可能性。此外，樓宇火災監測技術還可以為消防救援人員提供準確的災情信息，提高滅火救援的效率和成功率。

傳統的煙霧報警器通常是基于光學原理或離子化原理工作的，容易受到灰塵、蒸汽、煙霧等干擾，導致誤報率高，而且報警器反應速度慢。從監測角度來看，傳統的煙霧報警器只能檢測煙霧，無法檢測易燃易爆氣體。另外，傳統的火災報警傳感器大多采用有線連接方式，信號可靠性無法保證，隨著無線傳感器技術的發展，其因靈敏度高、可實現實時監測等優點，在建筑火災安全監測領域逐漸受到更多的重視[1]。

火災發生初期一般會表現出明顯特征，如果能及時檢測到火災發生初期的特征并及時報警，可以大幅減少火災造成的損失[2]。在環境監測、生態監控等領域，無線傳感器網絡的應用愈發廣泛，尤其在惡劣環境條件下，無線傳感器網絡展現出了傳統監測技術無法媲美的獨特優勢[3]。國內外的火災監測研究包括傳感技術、預警系統、監測算法、氣體傳感、圖像處理和數據分析等多個方面，不斷推動著火災監測技術的發展與創新[4-5]。對樓宇監測來說，基于機智云的云平臺，通過樓中的WiFi將數據上云即可實現監測端與遠程終端的互聯。因此，本文設計了一款以STM32和機智云為主體的樓宇火災監測系統，研究其在樓宇火災監測中的應用潛力。通過ESP8266模塊連接WiFi，建立監測端與機智云之間的連接，另外采用MQ-2和DHT11來檢測空氣中的溫濕度、煙霧和甲烷等易燃易爆氣體的體積分數。當檢測對象的數值超過設定的安全閾值時，會觸發現場和機智云終端報警；還可以通過遠程終端控制現場供電系統的閉合，防止擴大火災范圍。

1 系統總體功能

本設計將STM32C8T6和機智云分別作為整個系統的邏輯處理中心和遠程顯示終端，通過ESP8266無線模塊、氣體傳感器與溫濕度傳感器對現場的環境參數進行實時監測。OLED負責現場環境參數顯示，機智云遠程終端APP負責顯示采集到的傳感器數據、設置環境參數報警閾值以及遠程報警提醒，當煙霧體積分數或者溫度超標時也會在現場觸發聲光報警。系統主要由STM32C8T6邏輯處理模塊、傳感器模塊、WiFi模塊、液晶顯示器模塊、蜂鳴器模塊和遠程終端6個部分組成。系統總體功能如圖1所示。

2 系統硬件設計

監測系統的硬件部分主要由主控芯片、無線收發模塊、蜂鳴器、液晶顯示器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、USB轉串口電路、LED燈電路與按鍵電路等9個部分組成。

2.1 主控芯片的選取

STM32F103C8T6是一款基于ARM 32位Cortext M3內核的單片機，具有2.0～3.6 V的寬電壓供電范圍，CPU工作頻率最大可達72 MHz，穩定性高，功耗低[6]。STM32F103C8T6接口較為簡單，芯片內部有可編程 FLASH 存儲器，具有最大集成度的復位電路、低電壓檢測模塊、調壓器和精確的RC振蕩器等。STM32C8T6原理如圖2所示。

2.2 無線收發模塊的選取

樂鑫公司出品的低功耗WiFi芯片ESP8266，具有內置的32位CPU，可以獨立運行，也可作為其他主機MCU的組件運行。目前，該芯片已被廣泛應用于智能家具和無線傳感器領域[7]。ESP8266在待機模式下的功耗低至20 μA左右，適合要求較高的應用場景。ESP8266采用Tensilica Xtensa LX106處理器，其主頻為80 MHz，具有多種外設接口（如GPIO、SPI、I2C、UART等），支持802.11 b/g/n標準，具有完整的WiFi功能，可以連接到現有的WiFi網絡，建立熱點，進行TCP/IP通信等。ESP01-S是一款以ESP8266為核心的WiFi模組。ESP-01S原理如圖3所示。

2.3 氣體傳感器的選取

MQ-2氣體傳感器利用低功耗的CMOS微處理器監測環境中多種待測氣體的體積分數變化，例如煙霧、一氧化碳、甲烷等。其獨特的結構設計可以防潮、防塵，在使用時避免干擾。MQ-2原理如圖4所示。

2.4 溫濕度傳感器的選取

DHT11是一種新型的單總線數字溫濕度傳感器，它具備接口簡單、體積小巧、響應速度快和性價比高等優點[8]。DHT11原理如圖5所示。DHT11的溫度測量范圍為0～50 ℃，精度為±2 ℃，工作電壓范圍為3.0～5.5 V，功耗非常低，只需要幾微安的電流。該傳感器在閑置時會自動進入休眠狀態，從而有效節省能源。

2.5 液晶顯示器的選取

OLED顯示屏可以準確顯示英文、數字、符號，具備分辨率高、視角廣、自發光等特性[9]。同時OLED響應時間快，功耗低，耐高溫能力強，適合應用于火災監測設備中進行氣體體積分數、溫度的現場顯示。OLED采用I2C通信方式，工作電壓范圍為3.3～5.0 V，像素點陣規模為128×64。OLED原理如圖6所示。

2.6 蜂鳴器電路

本設計通過蜂鳴器和LED進行聲光報警，選用的蜂鳴器類型為無源蜂鳴器。無源蜂鳴器電路原理如圖7所示。無源蜂鳴器通過外部電流驅動，沒有內部振蕩源。它的驅動需要使用2～5 kHz的方波信號[10]。

2.7 USB轉串口電路

為了方便程序的下載和調試，本系統采用CH340C作為轉接芯片，實現USB轉串口的功能。串口下載電路如圖8所示。硬件系統給CH340C進行5 V供電，USB_D+和USB_D-管腳與USB接口的數據總線相連。

3 系統軟件設計

火災監測系統從實現功能上來看，分為4個部分：溫濕度采集、氣體體積分數采集、WiFi驅動、機智云功能設計。

3.1 溫度采集

DHT11傳感器可以同時檢測溫度和濕度，但濕度受天氣影響較大，不能體現出現場環境與火災間的關聯。DHT11與單片機交互采用單總線協議，上電之后自動檢測環境中的溫度，單片機需要通過通信協議從DHT11獲取溫濕度數據。

當單片機發送起始信號后，DHT11會從低功耗模式轉換到高速模式，并等待主機復位結束。然后，DHT11會發送響應信號，同時拉高總線為數據傳輸作準備。完整的數據為40 bit，按照高位在前、低位在后的順序傳輸。

DHT11模塊發送數據時，每比特數據都以持續時間50 μs的低電平開始，然后拉高總線電平，高電平的持續時間表明發送的數據是“0”還是“1”。本文只用到了溫度數據，因此采集的數據格式為：8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據+8 bit校驗和，共3 B數據。校驗和為前2 B數據相加，用以保證傳輸數據的準確性。溫度采集實驗界面如圖9所示。

3.2 煙霧體積分數采集

MQ-2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧具有極高的敏感度，對烷類煙霧的感知更為敏銳，同時還擁有出色的抗干擾性能。MQ-2有4個引腳，它們分別是VCC、GND、模擬引腳A0和數字引腳D0。A0主要輸出模擬信號，氣體體積分數越大，輸出的模擬電壓幅值越大。MQ-2傳感器內部有一個比較器會不斷檢測A0是否已達到設置電位計的閾值。如果超過閾值，D0將輸出高電平，否則輸出低電平。

MQ-2傳感器輸出的電壓值是模擬信號，需要通過STM32的A/D芯片將模擬信號轉換為數字信號，信號處理流程如圖10所示。

STM32F103系列有3個ADC，精度為12位，本文采用DMA方式將ADC轉換的數據傳輸至指定區域。MQ-2煙霧傳感器連接單片機引腳PB0，因此選擇ADC1的通道8作為A/D轉換的通道。采集煙霧體積分數的實驗結果界面如圖11所示。

3.3 OLED顯示屏

在主控芯片上，管腳PA6和PA7分別與OLED模塊的SCL、SDA引腳相連，本設計采用模擬I2C的方式來驅動OLED。模擬I2C指借助引腳高低電平的變化，來模擬I2C的時序信號以傳送數據，硬件I2C需要使用STM32的固定管腳，因此相對來說模擬I2C在應用中更為靈活。

I2C是一種僅使用兩條總線的通信協議，分別為雙向串行數據線（SDA）和雙向串行時鐘線（SCL）。其中，SDA數據線用于傳輸數據，而SCL時鐘線則用于同步數據的發送與接收。每個連接到總線上的設備都具有唯一的地址，主機可以利用其地址來訪問不同的設備。在樓宇火災監測系統中，OLED、傳感器和E2PROM與主機之間都采用I2C通信方式，I2C通信結構如圖12所示。

I2C協議傳輸過程分為8步，分別如下：主機發送起始信號（S），寫從機地址與讀寫位，等待OLED從機模塊應答，寫入1 B數據/命令，等待OLED從機模塊應答，寫入1 B數據/命令，等待OLED從機應答，發送停止信號。

3.4 WiFi模塊

本文選用的WiFi模組為ESP-01，是基于ESP8266芯片的模塊，ESP8266的開發模式為AT指令開發方式。將封裝好WiFi的協議棧燒入ESP8266芯片中，可實現芯片內部透傳，然后單片機通過串口給ESP8266發送相應的AT指令即可控制模塊進行不同的操作。STM32與WiFi模塊之間采用串口連接方式，由STM32發送AT指令來控制WiFi模塊進行數據傳輸。ESP8266在AP模式下能夠接入無線服務，從而完成與機智云的云端互聯[11]。火災監測系統數據傳輸流程如圖13所示。

3.5 機智云功能設計

機智云是面向開發者的一站式智能硬件開發平臺[12]，Gagent為機智云固件，是設備數據、機智云、遠程端的數據交互橋梁。通過Gagent可以完成傳感器數據轉發，實現硬件設備與云端和APP的通信。首先在機智云平臺創建產品和數據點，數據點即火災監測系統遠程終端上的功能參數，在樓宇火災監測系統終端軟件中包含6個數據點：報警狀態、供電系統、溫度值、溫度閾值、煙霧體積分數百分比和煙霧體積分數百分比閾值。創建完產品和數據點之后，將機智云生成的代碼移植到項目中。生成的代碼包含了對機智云通信協議進行解析和封裝的功能，同時還實現了傳感器數據與通信數據之間的轉換邏輯。在相應的事件處理邏輯中添加傳感器控制函數之后，當監測端設備接收到來自云端或APP的數據時，遠程終端即可實現與現場的信息交互，包括對現場照明的控制。機智云功能設計界面如圖14所示。

4 系統實現

本文最終實現了基于STM32與機智云的火災監測系統。圖15為監測端硬件系統實物。

在監測端以外還設計了遠程用戶端，遠程用戶端在機智云APP上接收云端傳來的信息，可以查看樓宇中的溫度、甲烷等易燃氣體體積分數，同時根據樓宇所處位置以及區位特點，可在APP中靈活設置溫度和易燃氣體體積分數的報警閾值，當實測值超過閾值時，會觸發現場的聲光報警和用戶端的振動報警，用戶可以遠程關閉樓宇中的供電系統，避免電起火等原因導致火勢擴大。

5 結 語

本文設計的樓宇火災監測系統，根據樓宇應用場景的特殊性，結合WiFi模塊可以較高效地完成數據上云以及實現和遠程終端的信息交互，避免數據傳輸過程中遇到的信號阻礙問題。實驗表明，通過模擬火災環境，當點燃可燃物及其釋放易燃氣體時，傳感器可以準確快速地感知到環境變化，并上傳實測數據；當溫度、可燃氣體體積分數超出設定閾值時，監測端和遠程終端及時報警。因此，相比于傳統的煙霧報警器，結合STM32和機智云的火災監測系統可以擴大火災監測維度，對于現階段生產生活中的火災預防來說，具有重要意義和實用價值。

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作者簡介：朱 壯（1997—），男，在讀碩士研究生，研究方向為過程監控。

胡紹林（1964—），男，博士，教授，研究方向為系統安全、大數據、人工智能、導航與控制。

柯 燁（1995—），男，碩士，研究員，研究方向為人工智能。

收稿日期：2024-01-16 修回日期：2024-02-27

基金項目：廣東省自然科學基金（2023A1515012341）；茂名市自然科學基金項目（2020S004）