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基于STM32与机智云的楼宇火灾监测系统设计

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 楼主| 发表于 2025-1-17 18:16:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 阿信 于 2025-1-17 18:18 编辑

基于STM32机智云的楼宇火灾监测系统设计


摘要:针对火灾对楼宇健康和居民安全的威胁,设计并开发了一款楼宇火灾实时监测系统。该系统以STM32为主控芯片,机智云为远程终端,通过LED显示屏、WiFi模块和传感器模块感知温湿度、烟雾浓度、甲烷浓度等,并进行阈值判断,超标时发出火灾风险报警。监测终端还可采取远程切断电源等措施防止火灾蔓延。该系统适用于写字楼、居民楼和厂房等场所,具有较高的火灾防控和预警价值。

引言


火灾是一种严重的灾害,特别在高楼建筑中,由于建筑高度、人员密集和疏散难度,往往导致更为严重的后果。近年来,我国每年约发生30万起火灾,如何有效监测和预防高楼火灾成为亟待解决的问题。楼宇火灾监测技术的研究意义重大,不仅可以及时发现火灾、提高报警能力,争取救援时间,还能为制定火灾安全管理政策提供科学依据,降低火灾风险,并为消防人员提供准确灾情信息,从而提升灭火效率。

传统烟雾报警器易受灰尘、蒸汽等干扰,误报率高,且仅能检测烟雾,无法识别易燃气体。随着无线传感器技术的发展,其高灵敏度和实时监测优势在火灾监测领域逐渐受到重视。火灾初期具有明显特征,及时检测和报警可显著减少损失。无线传感器网络在恶劣环境下表现出传统技术无法比拟的优势,推动了火灾监测技术的创新。借助机智云物联网平台和WiFi技术,楼宇监测数据通过WiFi实时上传至云端,从而实现监测端与远程终端的互联,为火灾监测提供了全新的解决方案。

因此,本文设计了一款以STM32和机智云为主体的楼宇火灾监测系统,研究其在楼宇火灾监测中的应用潜力。通过esp8266模块连接WiFi,建立监测端与机智云之间的连接,另外采用MQ-2和DHT11来检测空气中的温湿度、烟雾和甲烷等易燃易爆气体的体积分数。当检测对象的数值超过设定的安全阈值时,会触发现场和机智云终端报警;还可以通过远程终端控制现场供电系统的闭合,防止扩大火灾范围。

1 系统总体功能

本设计将STM32C8T6和机智云分别作为整个系统的逻辑处理中心和远程显示终端,通过ESP8266无线模块、气体传感器与温湿度传感器对现场的环境参数进行实时监测。OLED负责现场环境参数显示,机智云远程终端APP负责显示采集到的传感器数据、设置环境参数报警阈值以及远程报警提醒,当烟雾体积分数或者温度超标时也会在现场触发声光报警。系统主要由STM32C8T6逻辑处理模块、传感器模块、WiFi模块、液晶显示器模块、蜂鸣器模块和远程终端6个部分组成。系统总体功能如图1所示。


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2 系统硬件设计

监测系统的硬件部分主要由主控芯片、无线收发模块、蜂鸣器、液晶显示器、烟雾传感器、温湿度传感器、USB转串口电路、LED灯电路与按键电路等9个部分组成。

2.1 主控芯片的选取

STM32F103C8T6是一款基于ARM 32位Cortext M3内核的单片机,具有2.0~3.6 V的宽电压供电范围,CPU工作频率最大可达72 MHz,稳定性高,功耗低。STM32F103C8T6接口较为简单,芯片内部有可编程FLASH存储器,具有最大集成度的复位电路、低电压检测模块、调压器和精确的RC振荡器等。STM32C8T6原理如图2所示。


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2.2 无线收发模块的选取

乐鑫公司出品的低功耗WiFi芯片ESP8266,具有内置的32位CPU,可以独立运行,也可作为其他主机MCU的组件运行。目前,该芯片已被广泛应用于智能家具和无线传感器领域。ESP8266在待机模式下的功耗低至20μA左右,适合要求较高的应用场景。ESP8266采用Tensilica Xtensa LX106处理器,其主频为80 MHz,具有多种外设接口(如GPIO、SPI、I2C、UART等),支持802.11 b/g/n标准,具有完整的Wi Fi功能,可以连接到现有的WiFi网络,建立热点,进行TCP/IP通信等。ESP01-S是一款以ESP8266为核心的WiFi模组。ESP-01S原理如图3所示。


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2.3 气体传感器的选取

MQ-2气体传感器利用低功耗的CMOS微处理器监测环境中多种待测气体的体积分数变化,例如烟雾、一氧化碳、甲烷等。其独特的结构设计可以防潮、防尘,在使用时避免干扰。MQ-2原理如图4所示。

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2.4 温湿度传感器的选取

DHT11是一种新型的单总线数字温湿度传感器,它具备接口简单、体积小巧、响应速度快和性价比高等优点。DHT11原理如图5所示。DHT11的温度测量范围为0~50℃,精度为±2℃,工作电压范围为3.0~5.5 V,功耗非常低,只需要几微安的电流。该传感器在闲置时会自动进入休眠状态,从而有效节省能源。


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2.5 液晶显示器的选取

OLED显示屏可以准确显示英文、数字、符号,具备分辨率高、视角广、自发光等特性。同时OLED响应时间快,功耗低,耐高温能力强,适合应用于火灾监测设备中进行气体体积分数、温度的现场显示。OLED采用I2C通信方式,工作电压范围为3.3~5.0 V,像素点阵规模为128×64。OLED原理如图6所示。

2.6 蜂鸣器电路

本设计通过蜂鸣器和LED进行声光报警,选用的蜂鸣器类型为无源蜂鸣器。无源蜂鸣器电路原理如图7所示。无源蜂鸣器通过外部电流驱动,没有内部振荡源。它的驱动需要使用2~5 kHz的方波信号。

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图7 无源蜂鸣器电路原图

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2.7 USB转串口电路

为了方便程序的下载和调试,本系统采用CH340C作为转接芯片,实现USB转串口的功能。串口下载电路如图8所示。硬件系统给CH340C进行5 V供电,USB_D+和USB_D-管脚与USB接口的数据总线相连。


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3 系统软件设计

火灾监测系统从实现功能上来看,分为4个部分:温湿度采集、气体体积分数采集、WiFi驱动、机智云功能设计。

3.1 温度采集

DHT11传感器可以同时检测温度和湿度,但湿度受天气影响较大,不能体现出现场环境与火灾间的关联。DHT11与单片机交互采用单总线协议,上电之后自动检测环境中的温度,单片机需要通过通信协议从DHT11获取温湿度数据。

当单片机发送起始信号后,DHT11会从低功耗模式转换到高速模式,并等待主机复位结束。然后,DHT11会发送响应信号,同时拉高总线为数据传输作准备。完整的数据为40 bit,按照高位在前、低位在后的顺序传输。

DHT11模块发送数据时,每比特数据都以持续时间50μs的低电平开始,然后拉高总线电平,高电平的持续时间表明发送的数据是“0”还是“1”。本文只用到了温度数据,因此采集的数据格式为:8 bit温度整数数据+8 bit温度小数数据+8 bit校验和,共3 B数据。校验和为前2 B数据相加,用以保证传输数据的准确性。温度采集实验界面如图9所示。

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图9 温度采集实验界面

3.2 烟雾体积分数采集

MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾具有极高的敏感度,对烷类烟雾的感知更为敏锐,同时还拥有出色的抗干扰性能。MQ-2有4个引脚,它们分别是VCC、GND、模拟引脚A0和数字引脚D0。A0主要输出模拟信号,气体体积分数越大,输出的模拟电压幅值越大。MQ-2传感器内部有一个比较器会不断检测A0是否已达到设置电位计的阈值。如果超过阈值,D0将输出高电平,否则输出低电平。

MQ-2传感器输出的电压值是模拟信号,需要通过STM32的A/D芯片将模拟信号转换为数字信号,信号处理流程如图10所示。

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STM32F103系列有3个ADC,精度为12位,本文采用DMA方式将ADC转换的数据传输至指定区域。MQ-2烟雾传感器连接单片机引脚PB0,因此选择ADC1的通道8作为A/D转换的通道。采集烟雾体积分数的实验结果界面如图11所示。

3.3 OLED显示屏

在主控芯片上,管脚PA6和PA7分别与OLED模块的SCL、SDA引脚相连,本设计采用模拟I2C的方式来驱动OLED。模拟I2C指借助引脚高低电平的变化,来模拟I2C的时序信号以传送数据,硬件I2C需要使用STM32的固定管脚,因此相对来说模拟I2C在应用中更为灵活。

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图11 采集烟雾体积分数实验结果界面

I2C是一种仅使用两条总线的通信协议,分别为双向串行数据线(SDA)和双向串行时钟线(SCL)。其中,SDA数据线用于传输数据,而SCL时钟线则用于同步数据的发送与接收。每个连接到总线上的设备都具有唯一的地址,主机可以利用其地址来访问不同的设备。在楼宇火灾监测系统中,OLED、传感器和E2PROM与主机之间都采用I2C通信方式,I2C通信结构如图12所示。

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图12

I2C协议传输过程分为8步,分别如下:主机发送起始信号(S),写从机地址与读写位,等待OLED从机模块应答,写入1 B数据/命令,等待OLED从机模块应答,写入1 B数据/命令,等待OLED从机应答,发送停止信号。

3.4 Wi Fi模块

本文选用的WiFi模组为ESP-01,是基于ESP8266芯片的模块,ESP8266的开发模式为AT指令开发方式。将封装好Wi Fi的协议栈烧入ESP8266芯片中,可实现芯片内部透传,然后单片机通过串口给ESP8266发送相应的AT指令即可控制模块进行不同的操作。STM32与WiFi模块之间采用串口连接方式,由STM32发送AT指令来控制WiFi模块进行数据传输。ESP8266在AP模式下能够接入无线服务,从而完成与机智云的云端互联。火灾监测系统数据传输流程如图13所示。

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图13 火宅监测系统数据传输流程

3.5 机智云功能设计

机智云是面向开发者的一站式智能硬件开发平台,GAgent为机智云固件,是设备数据、机智云、远程端的数据交互桥梁。通过Gagent可以完成传感器数据转发,实现硬件设备与云端和APP的通信。首先在机智云平台创建产品和数据点,数据点即火灾监测系统远程终端上的功能参数,在楼宇火灾监测系统终端软件中包含6个数据点:报警状态、供电系统、温度值、温度阈值、烟雾体积分数百分比和烟雾体积分数百分比阈值。创建完产品和数据点之后,将机智云生成的代码移植到项目中。生成的代码包含了对机智云通信协议进行解析和封装的功能,同时还实现了传感器数据与通信数据之间的转换逻辑。在相应的事件处理逻辑中添加传感器控制函数之后,当监测端设备接收到来自云端或APP的数据时,远程终端即可实现与现场的信息交互,包括对现场照明的控制。机智云功能设计界面如图14所示。

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图14 机智云功能设计界面

4系统实现

本文最终实现了基于STM32与机智云的火灾监测系统。图15为监测端硬件系统实物。

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图15

在监测端以外还设计了远程用户端,远程用户端在机智云APP上接收云端传来的信息,可以查看楼宇中的温度、甲烷等易燃气体体积分数,同时根据楼宇所处位置以及区位特点,可在APP中灵活设置温度和易燃气体体积分数的报警阈值,当实测值超过阈值时,会触发现场的声光报警和用户端的振动报警,用户可以远程关闭楼宇中的供电系统,避免电起火等原因导致火势扩大。

5 结语

本文设计的楼宇火灾监测系统,结合Wi-Fi模块,针对楼宇应用场景的特殊性,能够高效完成数据上云并实现与远程终端的信息交互,有效避免数据传输过程中的信号干扰问题。实验表明,在模拟火灾环境下,当可燃物被点燃并释放易燃气体时,传感器能快速准确地感知环境变化并上传实测数据;当温度和可燃气体体积分数超过设定阈值时,监测端和远程终端会及时发出报警。因此,结合STM32和机智云的火灾监测系统相比传统烟雾报警器,能够扩大火灾监测范围,对当前的火灾预防具有重要的意义和实用价值。
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