基于STM32单片机和RPi的智慧消防联动控制系统的硬件设计

金晓煜 陈伟利

(吉林建筑大学 电气与计算机学院,吉林 长春130118)

1 概述

随着社会和经济的不断发展、城市规模的不断扩大、建筑物越造越高、公共娱乐场所不断增加。新的火灾隐患也在城市发展中悄然的增多，给消防工作带来了新的挑战。消除火灾隐患、强化火灾监督显得尤为重要，而现役的警力和旧的消防监督设备，不足以应对日益增多的消防隐患，使得各方面的矛盾日益突出。在2013年，由沈阳消防研究所会同有关单位对原国家标准《火灾自动报警系统设计规范》GB 50116-98进行了全面修订。在原先的基础上发布《火灾自报警系统设计规范》GB 50116-2013修订版。新规范的推出给旧版的火灾报警控制系统带来了强烈的冲击，为满足新的要求，市场上短时间内增加了大量防火门监控系统、消防电源监控系统、电气火灾监控系统等消防产品，但这些产品基本上都是以“打补丁”的方式填补了市场空白，与旧版的火灾自动报警系统还不能做到信息互通、协调运行，反而给整个系统运行管理带来新的困扰。为了消除旧消防系统中增多的隐患，解决各方面的问题和矛盾，所以打破旧版火灾报警系统的架构，推出新型系统架构，才能从根源上增强火灾报警控制系统的可靠性和稳定性。为了将智能消防检测系统与消防联动控制系统整合，消防检测系统将与消防联动控制系统做到直接信息交互，消除中控端的参与，这种新型架构减少了信息交互的中间环节，以最大程度上的减少中间环节出错的概率，本文提出一种基于单片机技术的智慧消防联动控制系统的硬件设计。

2 硬件总体设计

按照控制分级划分为三个层面，综合显示层、子控制层和终端感知、执行层。

（1）综合显示层：ARMCORTEX A9服务器和综合显示屏。

（2）子控制层：基于树莓派[1]微型处理系统，处理下层终端节点上传的消防信息或控制下层消防节点的消防联动运行。以最快的处理消防信号并且根据上传信息分析火情，最后以最有效的消防处理方案控制消防联动节点控制火情。

（3）终端感知、执行层：利用STM32单片机设计的终端节点，用于感知消防信号或控制消防通风电机通风、消防水泵运行和防火卷帘门运作等。

感知、执行层将自身的信息发送给子控制层，子控制层中的每个子控制器通过CAN总线互相传输自己下面的感知执行器信息。同时每个子控制器又将自身感知执行器的信息发送给综合显示层。硬件系统的拓扑结构图如图1所示。

图1 总硬件设计结构图

2.1 综合显示层硬件设计。综合显示层选用ARM CORTEX A9服务器，因为使用以太网传输数据，所以选用UTP双绞线网线连接下位机树莓派；显示器选择使用平板，通过浏览器访问我们运行在云端服务器的网页，实现消防系统数据的实时显示。

2.2 子控制层硬件设计。子控制层使用树莓派微型计算机系统，其搭载的Linux系统可以运行BOA服务器，可以通过CGI程序对Web浏览器数据实现双向通信，网页Web浏览器上实现显示数据与控制功能。

由于与下方消防节点选择CAN总线通信方式，所以树莓派需要安装CAN的硬件驱动。硬件设计如图2。

图2 CAN总线硬件设计图

2.3 终端感知、执行层。消防节点设计的主控芯片均采用STM32F103C8T6[2]。硬件驱动设计如图3。

图3 主控STM32硬件驱动设计图

稳压电源设计AMS1117芯片，AMS1117是一系列的低压差线性稳压器，可以提供最高1A的输出电流。本设计共使用两款AMS1117系列芯片，为3.3 V和5V。3.3 V用于STM32和温度传感器DS18B20的供电。5V用于步进电机、继电器和烟感MQ-135的供电。

硬件驱动电路如图4。

图4 稳压电源硬件设计图

感知层：(1)温度感应模块:温度传感器采用DS18B20单总线数字温度计。(2)烟雾感应模块:烟雾传感器采用MQ-135气体传感器。(3)手动报警按钮:手动报警按钮用一个大按键进行模拟，采集开关信号。

执行层：(1)防火门子系统:采用28BYJ-48步进电机进行模拟，硬件电路驱动如图5。(2)消防排烟子系统:执行器是通过继电器控制的风扇。(3)消防喷淋子系统:执行器是通过继电器控制的水泵。

图5 步进电机硬件驱动设计图

3 消防节点的工作原理

节点控制器采用STM32F103芯片，通过对各个子节点模块的更换，可能让子节点控制器能够适用于各个传感器模块，比如温度报警控制器，新风系统控制器等。当系统上电后，STM32先对系统时钟，各个外设模块进行初始化，然后循环读取传感器数据，进行数据处理，然后确定目标ID，对数据包进行封装，最后通过CAN总线发送出去。其工作流程如图6所示。

图6 消防节点工作流程图

4 模拟火灾情况实验结果

为了验证感知、执行层消防系统在发生火灾时的情况，对于不同的火灾发生情况进行模拟了。

消防系统在运行时不仅可以做到自动感知并且自主做出应答而且也完成了自动检测模块故障的功能，这样不仅解决了主机高负荷问题也极大的节省了人为维护成本。

5 结论

本文使用了一种新的子控制器独立分类架构，提升了消防控制系统的稳定性，制作了一整套较为完善的智慧消防控制系统的电子硬件。此套系统能够完成一定火灾场景下的火灾报警和自动灭火执行器件的启动动作，实时的显示。在此基础上，通过网络将这些数据传输到在云端编写的算法软件内，进行运行处理后反馈给火灾现场的人员的移动客户端，辅助遭受火灾人员的逃生工作。既解决了传统消防系统内的诸多问题又填补了消防设备市场空白，极大的提升了消防系统的安全性、灵活性、便于维护的性能，使消防系统更加智慧。

今后本研究的方向将会朝着消防物联网的方向进行发展，并且当5G发展到普及的时候，感应器件的类别和数量的增多，我们未来的消防控制系统将会变得更加的完善和全面，不再仅仅限制于现场火灾的报警与执行，在更多的数据采集和分析之后，消防火灾的预测将会得到发展，能够将火灾灭绝于火灾萌芽之时，这将能够在火灾发生之前将其解决，挽回大量的损失。