一種基于單片機的火災CO智慧監控及控制系統設計與試驗驗證

摘" 要：為準確監測監控火災火情信號，以簡單化工廠區條件為背景開展合理的系統設計與研究。基于STC89C52型單片機，再利用CO、溫度、煙霧等傳感器、無線通信板塊和報警監控板塊設計一種基于單片機的化工火災智慧監控及報警系統，具備低開發成本、穩定監控火災各特征信號、及時報警的特點;通過溫度、有毒氣體和煙霧等傳感模塊實時監測火災信號，將信號的特征參數按序進行A/D轉換處理和算法分析，經過分析后再利用無線通信模塊以實現數據的遠距離傳輸，并借助于攝像頭、蜂鳴器、液晶顯示屏等儀器實現實時監控和及時報警。實驗驗證，系統可操作性強，能夠實現實時檢測化工廠區情況，并具有早期預警、及時報警、穩定遠程監控等功能。

關鍵詞：火災災害;單片機;無線通信;傳感聯動;監控報警

中圖分類號：V445" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0122-05

Abstract： In order to accurately monitor and monitor fire signals， reasonable system design and research are carried out based on simple chemical plant conditions. Based on the STC89C52 single-chip microcomputer， and then using CO， temperature， smoke and other sensors， wireless communication board， and alarm monitoring board， a single-chip-based chemical fire intelligent monitoring and alarm system is designed. It has the characteristics of low development cost， stable monitoring of various fire characteristics， and timely alarm; Fire signals are monitored in real time through sensing modules such as temperature， toxic gases and smoke， and the characteristic parameters of the signals are subjected to A/D conversion and algorithm analysis in sequence. After analysis， the wireless communication module is used to realize long-distance transmission of data. Real-time monitoring and timely alarm are realized with the help of cameras， buzzers， liquid crystal displays and other instruments. Experimental verification shows that the system is highly operable， can detect the situation in chemical plants in real time， and has functions such as early warning， timely alarm， and stable remote monitoring.

Keywords： fire disaster; MCU; wireless communication; sensor linkage; monitoring and alarm

化工行業因危化品眾多，環境條件復雜，火災爆炸事故頻發，嚴重影響生產安全。2013—2018年，我國累計發生重大化工火災爆炸事故974起，死亡人數1 253人，火災爆炸已成為化工行業人員傷亡的主要原因之一[1]。8·12天津港特別重大化工火災爆炸事故和3·21江蘇響水特別重大化工火災爆炸事故等特大事故，為我國的化工企業安全生產敲響警鐘。化工火災事故影響范圍大、難以控制，同時還易激化擴大，其中CO是導致人員傷亡的最致命因素，提前實現CO預警監控是減少事故傷亡的有效手段。單片機作為一種運用超大規模集成電路技術將中央數據處理器（CPU）、隨機存儲器（ROM）、I/O口、定時器/計數器和中斷系統等子部分完整地集成在一塊硅片上的微型計算機系統，被廣泛應用于火災火情信號監測報警[2]。因此，基于單片機設計火災CO智慧監控及控制系統對于實現火災CO提前預警及聯防聯控具有重要意義。

國內外在基于單片機開發更為智能的報警系統方面做了豐富研究[3]，其中，澳大利亞GO-DEXPTY.LTD公司GO-DEX 型空氣采樣式感煙火災智能報警系統與澳大利亞維信防火與保安有限公司（Vision Fire amp; Security）VESDA產品因其設計安裝簡單并且其檢測可靠性高而受到廣泛關注。目前，國內針對于智能化火災監測報警系統的相關研發整體上滯后于國外發達國家，但近些年也得到了長足的發展。南京消防集團的SH97300高靈敏度激光吸氣式感煙火災探測報警系統能夠靈敏感知煙霧實現早期預警，用于計算機房、圖書館與資料室等火災情況監測與早期及時預警[4]。范志華[5]在我國首次公開提出一種以先進的新型高性能監控單片式微機stm32f103rbt作為系統主機和控制器的智能新型火災監測報警系統。毛效禹[6]提出一種應用于居民生活區智能火災報警系統，以WSN和數據融合技術為主要特點，采用多傳感器數據融合算法有效降低誤報率。但上述研究均未對火災關鍵毒害來源預先準確識別，結構及功能冗余，另外無法實現同步監控及控制危險源，因此，需要研究一種能優先識別火災第一毒害源目標，同步實現預先監測報警及同步消控的智慧監控及控制系統。

1" 預警消控同步匹配機制

1.1" 消防預警

1.1.1" 及時預警

火災的產生需要經歷5個階段，如果能在火災發生初期對火災災情及時預警然后進行及時地消除，最終能夠使得災害降至最低限度。傳感器的靈敏度、信號傳輸的及時性考驗的是系統的靈敏度，是否能夠及時監控初期火災災情。

1.1.2" 智能疏散

災情發生初期，人員的有序正確疏散有助于減少火災傷亡。錯誤的逃生路線會造成人員擁堵，其中CO會隨著煙風流迅速蔓延，如果人員不知如何正確逃生，會錯過黃金逃生時間，從而導致人員被困使得人員傷亡，因此，需要在能夠及時報警的同時長期監控火區動態的系統來引導人員逃生。

1.1.3" 精準定位

第一時間確定災情具體位置對于控制災情起到關鍵性作用，能夠很好地幫助消防人員對根本火源點展開滅火工作并在最短時間內解決火情，減少損失，同時也能幫助逃生人員判斷煙氣方向等，保障逃生人員安全，因此，需要一個能遠距離對溫度、煙氣有高靈敏度的火情信號進行監測的系統從而判斷災情發生點以及第一致害源。

1.2" 系統功能

1.2.1" 火災檢測功能

建筑區火情狀態的長周期準確檢測及預測其可能發生的事故災害，對有效控制災害的發生發展與事故影響擴大、減小甚至消除危害至關重要。災區各種隱患因素和環節復雜又相互關聯、相互影響，因素間又往往具有伴生或制約關系，從時間維度上看，災區狀態又是動態發展的，具有規律性。針對火災狀態的檢測要做到全面分析，考慮相關性影響的同時，長期動態檢測火區狀態。

1.2.2" 穩定監控

災區的監控及信息實時反饋，有利于相關人員及時做出有效的決策，以避免事故災害擴大，并控制事故影響范圍。通過災區視頻圖像聲音等信息資料的反饋，有效實現事前火災的預警預報、事中火災事故的處置以及事后避免次生事故的相關工作，因此，需要能夠在火災發生時實現災情穩定監控功能。

1.2.3" 數據通信

考慮到火災報警系統的火災信號檢測硬件設備需要安裝在整個復雜空間內，因此系統需要具備將散落在各節點的探測器實時將數據通過NRF24L01發送到集中控制器。通過集中控制器安裝GPRS模塊向網絡服務器發送檢測信號的功能。在通信方法的選擇和設計中，必須滿足一定的數據通信要求，并可以實現對實時和傳輸距離的要求[7]。

1.2.4" 早期報警功能

考慮到火災災害的突發性以及易激化擴大，火災事故的極早預警對于減少事故發生具有重要意義，目前普通傳感器或難以滿足超早期報警，考慮從設備選型與算法編程上提高火區檢測的精度與準確度，以實現早期預警。

1.3" 同步匹配原則

1.3.1" 高抗干擾原則

火災報警系統的準確預報與通信的抗干擾能力相關，環境中的干擾信號會影響火災報警系統的準確性與穩定性。當CPU被環境中的干擾信號影響時，系統會混亂。程序計數器PC的狀態值被破壞是被干擾的典型故障，會導致程序在地址空間內“亂飛”，或者陷入死循環。

1.3.2" 長續航原則

為保證探測器與主控制裝備長時間運行，應選取耗能低、性能優越的設備，保證系統有效的長續航[7]。

1.3.3" 易操作原則

系統硬件的組裝與安裝時應當充分考慮用戶和設備人員的操作能力，在進行設備的選型與安裝設計時應盡量簡化系統，使硬件便于操作與使用，人機交互界面設計時應當充分考慮到用戶群體的特征，遵循系統的一致性原理、順序性原理、功能性原理，以及系統的重要性原理等。

1.3.4" 擴展性原則

系統結構設計力求模塊化、插件式，擁有優秀的擴展性，適應當前技術水平。綜合考慮技術變化與環境影響，后續系統的功能擴展應具有一定的可持續性[8]。

2" 火災CO智慧監控及控制系統設計

2.1" 系統總體設計

本系統硬件設計主要內容涉及基于單片機的火災CO及溫度報警監控和基于火災自動報警器的CO消除及滅火控制系統，該火災CO智慧監控及控制系統的硬件總體設計結構主要組成有：STC89C52單片機、CO傳感器、溫度傳感器、監控攝像頭、煙霧濃度傳感器、CO消除裝置、報警滅火系統、無線網絡模塊及消防平臺。本系統通過各模塊應用組合實現對環境CO濃度、溫度、煙霧和濕度的實時監控，在高CO、高溫、煙霧濃度高或者攝像頭觀察到火情時及時發出報警，并且根據情況分別利用CO消除裝置、報警滅火系統消除CO及撲滅火源，同時，通過無線網絡模塊將火情情況發送到消防平臺。系統工作原理圖如圖1所示。

2.2" 系統硬件設計

本火災CO智慧監控及控制系統是基于單片機構建的一種具有實時監測、無線數據傳輸、報警靈敏和CO消除等多種功能的智慧型滅火與自動化監控系統，主要由傳感器模塊、信息處理模塊、無線通信模塊和報警與監控模塊4個大部分組成，具體構件主要有單片機，CO、溫度和煙霧傳感器，火焰攝像頭，液晶顯示屏，聲光報警器等，通過火焰攝像頭、CO傳感器、溫度傳感器和煙霧傳感器反饋的數據情況來對周圍環境發展情況進行實時監控。當重大火災事故發生時，聲光報警器就會發出報警，人員通過無線終端可以及時清晰地了解火情，迅速操作控制火情[9]。

2.2.1" 傳感器模塊

本系統傳感器模塊設計將結合采用高靈敏度CO傳感器、數字激光溫度傳感器、煙霧傳感器，以及遠距離火焰攝像技術對廠區現場周圍空氣環境狀況的各種相關測量數據采集和分析收集，實現廠區現場火情實時監測。

2.2.2" 中央信息處理模塊

該套微控制器處理系統主要選用了一個單片上主機的STC89C52作為主要的處理控制器。STC89C52具有8 KB的內部Flash存儲器，能夠同時進行數據處理和存儲操作;此外，系統還配備了512字節的外部并行存儲空間，用于數據存儲和處理。這款微控制器具備安全性高、低功耗、成本低和性能優越的特點，適用于通用嵌入式應用。

該單片機具有3個16位定時器/計數器，32個I/O口線，1個6向兩級中斷結構，1個全雙工串行通信口，適用于復雜控制應用場合。傳感器、無線通信設備、報警監控設備等外接器件與單片機STC89C52部分引腳配置情況見表1。

2.2.3" 無線通信模塊

HLK-RM58S基于通過串行接口設計成符合互聯網網絡標準的數據庫和嵌入式數據庫模塊，使得用戶能夠通過Internet網絡直接傳輸自己的數據[10]。HLK-RM58S單頻采用目前國際主流通用的2.4 GHz 2個頻帶，分別同時支持20 MHz和40 MHz 2個頻帶，支持STA/AP 2種單頻頻帶工作速率模式，在單頻1T1R的工作速率模式下，其單頻數據流的傳輸速率甚至可以達到150 Mbps。該無線通信模塊采用5 V單電源供電，功耗小。HLK-RM58S通過串口與單片機連接，能夠實現串口數據與Wi-Fi數據的相互轉化從而達到聯網的目的，并且可以連接手機、PC或者其他的Wi-Fi設備。本系統設計通過HLK-RM58S無線通信模塊完成無線通信端與用戶之間信息的相互轉化。

2.2.4" 報警監控模塊

報警監控模塊主要由聲光報警系統和環境參數監測部分組成。本應用系統軟件中的自動聲光報警系統控制驅動系統主要組成包括聲光蜂鳴器和LED聲光警示燈2個大部分，它們分別與電源和單片機相連。蜂鳴器和LED警示燈的型號分別為LZQ-4216和H5191。發生火情時，可通過調整單片機引腳端電勢觸發蜂鳴器和LED警示燈報警。

本系統的環境參數檢測部分包括液晶顯示屏、攝像頭和按鍵控制電路。采用CYW-B16032A液晶顯示板和FQ32ANK液晶顯示屏，CYW-B16032A液晶顯示板可以實時顯示檢測范圍內的溫度等參數，FQ32ANK液晶顯示屏連接攝像頭可以實時顯示檢測空間內的畫面，方便人員對火情的預防和控制。通過按鍵控制電路可以完成系統的功能條件設置，例如，溫度報警值和煙霧報警值等。在檢測空間內除布置了溫度傳感器和煙霧傳感器之外，還需要布置3個攝像頭覆蓋整個區域，實現全方位監控。

2.3" 系統軟件設計

系統需要連接電源。在系統剛啟動時需要進行初始化操作，設定CO濃度、煙霧濃度和溫度的閾值。在系統運行功能時，通過攝像頭、CO傳感器、煙霧傳感器和溫度傳感器的實時監控來監測環境相關情況，通過無線網絡模塊將實時接收傳來的數據上傳至消防平臺，再進行判定。若攝像頭檢測到火情，則對傳感器采集的數據進行判定，當CO傳感器、煙霧傳感器和溫度傳感器反饋的數值超過初始化時設定的閾值時，CO消除裝置、滅火裝置模塊工作對發生火情區域進行CO消除及滅火工作，同時通過報警模塊進行火情報警;如果CO傳感器、煙霧傳感器和溫度傳感器傳遞的所有監測數據沒有超過初始化時設定的閾值時，通過報警模塊向工作人員報警，提醒工作人員存在異常情況。系統軟件運行流程圖如圖2所示。

3" 廠區系統布置試驗驗證

以化工廠區為主要研究對象，試驗選擇了一個采用化工廠區總面積大小為50 m×40 m的化工廠區，其中包括了化工廠的工作區、配電室、控制間和化工物品存儲區，在化工廠區四大范圍內分別設置了傳感器和監測報警系統，其中溫度傳感器主要用于檢測參照的溫度，煙霧傳感器主要用于檢測本系統在發生火災時的煙霧，蜂鳴器和攝像頭用于監控報警，同時各部分同時與中央控制處理器STC89C52單片機通過無線通信裝置相連接，在保證其受獨立電源供電穩定且可靠的條件下，開展模擬測試，具體布置如下。

在2 000 m2試驗空間中設置4個試驗區域，其中工作區為40 m×30 m，儲藏區為40 m×10 m，配電室和控制室均為20 m×10 m;2個攝像頭及1個蜂鳴器為1個報警監控單元，1個CO傳感器、1個溫度傳感器及1個煙霧傳感器為一個傳感單元;在工作區內設置2個報警監控單元，4個傳感單元;儲藏區設置1個報警監控單元，2個傳感單元;配電室和控制室均設置1個報警監控單元及1個傳感單元，具體布置位置如圖3所示;在各單元布置處鋪裝電源線、信號線和網絡線，保證其信號源和電源穩定可靠;中央監控平臺連接四個區域，實時查看情況;系統各組成完成調試分析與單片機進行通信對接。

設置好所有的裝置后，對相應監控點情況進行監控，同時最終得出相應情況表格，能夠實時觀察到化工廠區情況，并通過攝像頭監控得到的視頻、聲音顯示現場情況。如果火災發生，相應情況見表2，系統能迅速確定火災發生位置，作出決策進行滅火工作，同時蜂鳴器會自動報警，對相關工作人員進行疏散;如未有火災發生，相應顯示見表3，相關工作人員繼續正常工作，監控室對情況繼續進行監控。

監控室的實時監控報告能夠保證第一時間獲得災情的信息，并迅速做出應急救援的措施。在制定應急預案過程中，通過模擬化工廠具體場地發生火災時的情形，預先規劃好人員疏散和逃生的路線，完整配置應急救援設備。因此，當災情監控報告顯示火情時，相關人員能夠迅速作出指示，有助于人員有序安全的疏散和撤離。

4" 結論

本研究設計了一種基于單片機的化工火災智慧監控與報警系統。該系統集成了CO氣體、溫度、煙霧等傳感器，以及無線通信模塊和報警監控模塊。通過這些組件，系統能夠實時監測化工環境中的火災隱患并進行報警。具備低開發成本、穩定監控火災各特征信號、及時報警的特點。通過研究預警消防同步匹配機制來確定同步聯控匹配原則從而達到火災同步聯控的目的。再以CO為主要火災信號判定源，再加以溫度、煙霧濃度等信息為輔助判定源，通過溫度、有毒氣體和煙霧等傳感模塊實時監測火災信號，將信號的特征參數按序進行A/D轉換處理和算法分析，經過分析后再利用無線通信模塊以實現數據的遠距離傳輸，并借助于攝像頭、蜂鳴器、液晶顯示屏等儀器實現實時監控和及時報警。試驗驗證，系統可操作性強，能夠實現實時監測化工廠區情況，并具有早期預警、及時報警、穩定遠程監控等功能。

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第一作者簡介：劉海洋（1981-），男，碩士，工程師，棋盤井煤礦（東區）總工程師。研究方向為礦井一氧化碳消除。