基于Arduino的无线火灾监测系统设计

柳 云 龙

(兰州交通大学 机电技术研究所, 甘肃 兰州 730070)



基于Arduino的无线火灾监测系统设计

柳 云 龙

(兰州交通大学 机电技术研究所, 甘肃 兰州 730070)

针对传统火灾报警系统节点不能提前对有安全隐患的环境进行预警和安装布线不便的问题,设计了一种基于Arduino的无线火灾监测系统,节点采用无线传输方式并增加了预警功能,阐述了无线火灾监测系统的硬件设计和软件设计流程。测试结果表明,基于Arduino的无线火灾监测系统可以对温度、可燃气体浓度及有无明火实时监测,并满足预警需求。

无线火灾监测系统; 环境监测; 无线传输; 预警

0 引 言

近年来,城市火灾发生的数量不断地上升,造成极大的财产损失和人员伤亡[1]。大型综合性建筑结构复杂,传统的火灾报警节点采用有线布置方式,成本高且布线不易,有时不能或不便于覆盖建筑物的所有区域,仅在火灾发生时进行报警,不能对存在火灾隐患的环境进行预警[2]。

1 系统组成

火灾主要由明火、可燃气体浓度太高、温度太高三方面的原因引起的。因此,监测节点主要监测这三方面数据。无线火灾监测系统由空气温度传感器、可燃气体浓度传感器、火焰传感器、有源蜂鸣器、Arduino控制板以及无线串口发送模块组成。其中,Arduino控制板是整个系统的核心,负责处理传感器采集到的环境信息,控制蜂鸣器发出相应频率的声音报警,并把采集到的信息通过无线传输模块发送到上位机。设计的节点主要对温度、可燃气浓度以及有无明火进行监测。系统组成如图1所示。

图1 系统组成

2 系统硬件设计

2.1 单片机控制板

设计的节点采用Arduino UNO R3控制板[3],核心是ATmega328,具有6路模拟量输入接口和14路数字量输入/输出接口(其中6路可以作为PWM输出),具有定时器功能,同时相应的IDE带有功能强大的库函数,开发成本低。该控制板抗干扰能力强,稳定性高,满足节点布置监测环境的需求。

2.2 传感器模块

温度监测范围设定为40 ℃以上,采用DS18B20温度传感器,温度测试范围为-55～125 ℃,采用单总线数据格式,可以满足节点温度检测的需求[4]。

节点主要监测的可燃气体是液化石油气(以家用的灌装液化气气体组成为基准)。液化石油气的主要成分是丙烷和丁烷,当气体浓度>5 000×10-6时就会发生危险,当气体浓度>3 000×10-6时就有可能产生安全隐患,正常环境下空气中的气体浓度为1 000～3 000×10-6,因此可燃气体浓度检测使用MQ-2可燃气体传感器模块。当传感器处于一定浓度的可燃气体环境中时,可以通过输出的模拟信号获取环境的可燃气体浓度值,同时可以准确排除有刺激性但非可燃性气体的干扰信息。MQ-2模块液化石油气浓度检测范围为100～10 000×10-6,满足系统设计要求。

火焰传感器模块用于明火检测,探测角度约为60°,可以根据不同环境、不同需求调节灵敏度,并通过检测模块输出接口的电平信息及时准确地确定是否有明火。

1）以品农家菜、尝渔家鲜为主的农（渔）家乐类型。如沙沙滩农家庄园和兴昌渔村。沙沙滩农家庄园位于乌审旗，主要提供“吃农家饭、住农家屋、干农家活、享农家乐”等活动项目，是首批自治区五星级乡村旅游接待户。位于达拉特旗树林召镇的兴昌渔村，是在黄河南岸集渔业养殖、农业观光、休闲采摘和特色餐饮于一体的渔家乐，2015年被国家旅游局评为“中国乡村旅游金牌农家乐”。

另外,设计的节点需要根据不同的报警原因发出不同的报警声,故使用有源蜂鸣器进行报警。

2.3 无线传输模块

无线传输应当保证相应使用环境下数据传输的实时性和稳定性。APC220无线传输模块可以根据具体需求进行调节,满足不同环境下的传输要求,如空旷地带可以采用较低的发射功率,多墙体结构环境下采用高功率发射,以保证传输稳定、可靠。通信数据采用循环交织纠检错编码,抗干扰和灵敏度良好。该模块在空旷地带1 000 m内可以稳定传输数据,内置看门狗,保证节点数据传输的可靠性。APC220模块与单片机的连接如图2所示。

APC220采用半双工的通信通道,可以完成点对多的通信方式。首先设置一个主站,其余为

图2 APC220模块与单片机的连接

从站,所有站点都有唯一地址。数据帧都带有地址码,若地址码相同则接收,否则不接收。

因采用无线传输方式,若串口速率大于空中速率,则可能出现数据丢失的现象,因此应当保证串口速率不大于60%的空中速率。普通环境的空中速率大约为4 800 b/s,串口速率设为9 600 b/s,每次发送100 Byte的数据,发送时间约为104 ms,则串口每次发送的间隔时间应在347 ms以上。

2.4 供电系统

无线火灾监测系统使用9 V碳性电池进行供电,经DC-DC降压模块降压后(5 V)为单片机供电。

2.5 节点布置方案

节点主要针对可燃气体浓度、温度、明火三方面的环境信息进行监测,其中采集到的温度、可燃气体浓度数据为节点所处环境的相关信息,不影响节点的布置。由于采用的是无线布置方案,无需考虑布线问题,因此节点的布置主要考虑明火检测的问题。

采用的火焰传感器的检测角度为60°,监测节点布置于屋顶上,以3 m的层高为例,节点明火监测范围如图3所示。

图3 节点明火监测范围(mm)

图3(a)中,监测范围为地面至距地面1 m之间时,火焰传感器对应到地面的监测半径R1=H1tan30°=1.73 m,对应的覆盖面积S1=πR1=9.4 m2≈10 m2;对应到距离地面1 m,即距离屋顶2 m的位置上时,监测半径R2=H2tan30°=1.15 m,对应的覆盖面积S2=πR2=4.2 m2≈5 m2。该布置方式监测面积最小,但灵敏度最高。

图3(b)中,传感器检测的最远距离T1=H1cos30°=6 m,在火焰传感器检测范围内;R3=H1tan60°=5.2 m,监测面积最大,但灵敏度较低。

在实际布置节点时,应当根据不同环境的不同需求进行相应布置。

3 系统软件设计

火灾监测节点的软件设计主要包括环境数据的检测和分析,根据不同情况的报警处理,采集数据的无线传输及监控。软件整体流程如图4所示。

图4 软件整体流程

检测节点在供电后首先进行硬件的初始化操作。由于火灾发生的危险度一般是按明火、浓度、温度的顺序逐级递减,因此软件也进行相应的检测、报警、预警。检测节点必须在火灾发生的第一时刻报警,当环境恢复正常后报警应立刻停止,因此设定每1 s执行一次检测。

设计的检测节点是针对节点所处环境的预警功能,因明火检测的特殊性,不存在对明火的预警,只对浓度以及温度检测进行预警。

预警功能是通过设定预警值及相应的预警检测时间来实现的,当检测到的数据连续超过预警值,并在预警时间内未恢复正常,则进行预警;当在预警时间内恢复正常,则不进行预警,下一次预警重新开始计时。

当可燃气体浓度超过预设定的报警值时,直接通过蜂鸣器发出相应声音的报警声,直到恢复正常后停止;若可燃气体浓度没有达到报警值,则继续检测是否达到预警值,若达到预警值,则开始进行计时。预警检测时长设定为10 min,在检测时间内若可燃气体浓度一直处于预警值以上报警值以下的状态,则发出相应的频率预警声,同时可以在上位机监测到预警的原因;若在预警检测时间内可燃气体浓度值超过报警值,则直接报警;若在指定时间内环境恢复正常,则计时器清零,不进行预警;若可燃气体浓度未达到报警值及预警值,则继续进行温度的检测。

温度检测与可燃气体浓度检测流程如图5所示。

图5 温度检测与可燃气体浓度检测流程

明火、温度、可燃气体浓度检测采用不断循环的方式进行,保证环境数据的及时采集、处理,当危险发生时及时报警,当环境恢复正常时报警随之停止,完全自动处理,无需要人为干预。

上位机监控软件采用LabVIEW进行设计,主要完成对传感器收集到的环境信息实时显示以及记录,同时当环境存在隐患和危险时在上位机也可以及时发现环境异常的原因。火灾监测系统界面如图6所示。当危险或隐患发生时,相应的故障灯会点亮,同时在预警/报警原因框中会显示环境异常的原因。当不使用上位机进行监测的情况下,节点仍可以实现相应的报警功能。

图6 火灾监测系统界面

4 试验测试

节点通电运行后,上位机可以实时接收到各传感器采集到的数据,包括温度、可燃气体浓度及有无明火。测试结果如表1所示。

表1 测试结果

次数检测温度/℃真实温度/℃检测浓度/×10-6真实浓度/×10-612424.323630375522827.853745368332828.0235073679

由表1可知,因为上位机温度仅显示整数部

分,检测温度与真实温度相近,检测准确;可燃气体浓度受温度、湿度、风速等环境因素影响较大,在不同时刻数值容易发生变化,但变化在允许范围内,可满足节点设计要求。

5 结 语

本文设计的火灾监测系统可对环境的温度、可燃气浓度以及明火进行相关的实时检测报警,并可对安全隐患进行相应的预警,在PC上方便查看环境数据,同时系统采用无线数据传输方式,解决了布线以及线路损毁等问题。与现有的传统火灾报警节点相比,整个节点具有采集精度高、稳定性好、成本低、程序易于开发等特点,满足火灾监测节点的要求。

由于火灾环境的特殊性,仍有可能存在火灾误报等问题,可通过综合环境信息进行数据融合,以提高报警的准确度。

[1] 建筑设计防火规范:GB 50016—2014[S].

[2] 王觅蕤,马维金,万晓飞.家庭厨房安全综合报警系统[J].电子设计工程,2011,19(13):145-147.

[3] 李明亮.Arduino项目DIY[M].北京:清华大学出版社,2015.

[4] 崔阳,张维华,白云峰.一种基于Arduino的智能家居控制系统[J].电子技术应用,2014,40(4):123-125.

Design of Wireless Fire Monitoring System Based on Arduino

LIU Yunlong

(Institute of Mechanical and Electrical Technology, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Aiming at that the node of traditional fire alarming system can not have the advanced warning of environmental risks and the installation and wiring are inconvenient,this paper designed a kind of wireless node for fire environment monitoring system based on Arduino.The node of fire monitoring system uses the wireless transmission mode and has a warning function.The hardware design and software design process of wireless fire monitoring system were elaborated.The testing results show that the wireless fire monitoring system based on Arduino can real-timely monitor the temperature,combustible gas concentration and open flame,and can meet the warning demands.

wireless fire monitoring system; environment monitoring; wireless transmission; warning

柳云龙(1991—),男,硕士研究生,从事控制技术与软件工程方面的工作。

TU 892

B

1674-8417(2016)08-0017-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.08.005

2016-04-15