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基于STM32与机智云的楼宇火灾监测系统设计

2025-01-20 157 上传者：管理员

摘要：针对严重威胁楼宇健康和居民安全的火灾问题，分析室内火灾监测需求，设计并开发了一款楼宇火灾实时监测系统。系统以STM32作为监测端主控芯片，机智云作为远程终端，结合LED显示屏、WiFi模块、传感器模块等，可以感知环境中的温湿度、烟雾体积分数、甲烷体积分数等，同时进行阈值判断，在超出阈值的情况下发出火灾风险报警，监测终端也能够及时采取远程切断电源等措施防止火势加重。该系统适用于写字楼、居民楼、厂房等场合，对于火灾防控和预警具有一定的意义。

关键词：
STM32
机智云
楼宇安全
火灾监测
阈值判断
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火灾是一种常见而严重的灾害，给人们的生命安全带来了巨大的威胁，造成了巨大的财产损失。在高楼建筑中发生的火灾，由于建筑高度、人员密集度以及安全疏散难度的增加，往往会导致更为严重的后果。近几年来，我国平均每年发生火灾约30万起，如何有效地监测和预防高楼火灾成为了当今社会亟待解决的问题。

楼宇火灾监测的研究具有重要的现实意义和应用价值。通过对楼宇火灾监测技术的研究，可以及早发现火灾和提高火灾报警能力，从而为火灾扑救制造有效的时间窗口。同时，研究楼宇火灾监测技术还可以为相关部门制定火灾安全管理政策和规范提供科学依据，降低楼宇建筑发生火灾的可能性。此外，楼宇火灾监测技术还可以为消防救援人员提供准确的灾情信息，提高灭火救援的效率和成功率。

传统的烟雾报警器通常是基于光学原理或离子化原理工作的，容易受到灰尘、蒸汽、烟雾等干扰，导致误报率高，而且报警器反应速度慢。从监测角度来看，传统的烟雾报警器只能检测烟雾，无法检测易燃易爆气体。另外，传统的火灾报警传感器大多采用有线连接方式，信号可靠性无法保证，随着无线传感器技术的发展，其因灵敏度高、可实现实时监测等优点，在建筑火灾安全监测领域逐渐受到更多的重视[1]。

火灾发生初期一般会表现出明显特征，如果能及时检测到火灾发生初期的特征并及时报警，可以大幅减少火灾造成的损失[2]。在环境监测、生态监控等领域，无线传感器网络的应用愈发广泛，尤其在恶劣环境条件下，无线传感器网络展现出了传统监测技术无法媲美的独特优势[3]。国内外的火灾监测研究包括传感技术、预警系统、监测算法、气体传感、图像处理和数据分析等多个方面，不断推动着火灾监测技术的发展与创新[4-5]。对楼宇监测来说，基于机智云的云平台，通过楼中的WiFi将数据上云即可实现监测端与远程终端的互联。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。

图1 系统总体功能

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[6]。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。

图2 STM32C8T6原理

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[7]。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。

图3 ESP-01S原理

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。

图4 MQ-2原理

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[8]。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。

图5 DHT11原理

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[9]。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[10]。

图6 OLED原理

图7 无源蜂鸣器电路原理

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。

图8 串口下载电路

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。

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。

图1 0 信号处理流程

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。

图1 1 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。

图1 2 I2C通信结构

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[11]。火灾监测系统数据传输流程如图13所示。

图1 3 火灾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[12],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。

图1 4 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。

图1 5 监测端硬件系统实物

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，根据楼宇应用场景的特殊性，结合Wi Fi模块可以较高效地完成数据上云以及实现和远程终端的信息交互，避免数据传输过程中遇到的信号阻碍问题。实验表明，通过模拟火灾环境，当点燃可燃物及其释放易燃气体时，传感器可以准确快速地感知到环境变化，并上传实测数据；当温度、可燃气体体积分数超出设定阈值时，监测端和远程终端及时报警。因此，相比于传统的烟雾报警器，结合STM32和机智云的火灾监测系统可以扩大火灾监测维度，对于现阶段生产生活中的火灾预防来说，具有重要意义和实用价值。

参考文献:

[1]高治军.基于无线传感器网络的建筑安全监测技术研究[D].大连:大连理工大学,2015.

[2]黄晓斌.一种基于STM32单片机的多功能智能家居控制系统[D].西安:西安电子科技大学,2021.

[3]张军国,李文彬,韩宁,等.基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾监测系统的研究[J].北京林业大学学报,2007(4):41-45.

[4]祝玉华,司艺艺,李智慧.基于深度学习的烟雾与火灾检测算法综述[J].计算机工程与应用,2022,58(23):1-11.

[5]徐晓虎,郑欣,赵海荣,等.火灾自动报警系统可靠性研究[J].安全与环境学报,2012,12(3):149-153.

[6]黄凤英.基于STM32F103C8T6单片机的多功能智能手表设计[J].物联网技术,2019,9(3):49-51.

[7]郑道林,孙耀杰,左兆辉.基于MQ-2与GSM的CO监测报警系统的设计[J].电子设计工程,2014,22(4):162-165.

[8]倪天龙.单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(6):60-62.

[9]焦石,王琛,胡泽原,等.基于STM32的OLED显示屏驱动设计[J].电子世界,2018(12):127-128.

[10]邓中祚.智能家居控制系统设计与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2016.

[11]管嘉诚,李晓烽,黄志芳,等.基于ESP8266与机智云的物联网智能家居[J].物联网技术,2023,13(3):140-142.