基于多路传感器采集的火灾监控及智能报警系统的研究

杨骐榕 周 亚 王子豪 石树正

(1.廊坊市消防救援支队，河北 廊坊 065000；2.北华航天工业学院，河北 廊坊 065000；3.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

0 前 言

火灾的发生会严重威胁到人类的生命和财产安全，火灾监测技术在整个消防系统中占有十分重要的作用[1-5].目前，大部分的研究学者采用单一类型的传感器数据作为判断火灾发生的参数，然而，火灾具有随机性和复杂性，当有干扰信号出现时会对传感器信号带来极大的影响，产生的误报现象会给人们带来恐慌，产生的漏报现象会错过最佳灭火时间.因此，利用多种类型传感器(温湿度、烟雾浓度、CO浓度等)进行火灾环境信息采集，对于实现火灾监测和火灾报警具有极大的意义，能够更加精准、全面、科学的对火灾的发生进行预警，给社会和人民生活安全带来了重要保障[6-8].

1 火灾监控系统的总体设计

图1 火灾监控及智能报警系统的总体设计结构图

本系统主要包含单片机主控制模块、传感器检测模块(温湿度传感器、CO浓度传感器、烟雾浓度传感器)、电源管理模块、无线传输模块、智能报警模块和移动端软件模块等.在监控区域的不同位置放置传感器用于检测所处环境信息，并通过单片机采集将传感器数据与设置的阈值比较，若在阈值的允许范围内则继续等待检测下一组数据；但是，当有传感器数据超过设置阈值，单片机会利用无线模块将数据信息发送给后端服务器进行存储，通过移动端将检测的数据以图表的形式进行展示，同时本系统利用融合计算分析来确定火灾情况并进行应急报警，火灾监控及智能报警系统的总体设计结构图如图1所示.

2 系统的硬件设计

2.1 单片机主控电路模块

图2 硬件结构框图

本系统的主控制芯片采用的是STM32F103，该芯片具有功耗小、精度高和成本低廉等优点，其工作频率为72MHz，供电电压为3.3V，在进行传感器信号采集时需要电源模块进行5V-3.3V的电压转换.在进行传感器采集时，温湿度传感器采用的型号是DHT11,其为数字传感器，可以通过IO口直接读取温湿度值，在本设计中CO传感器和烟雾传感器为模拟传感器，需要将它们进行信号调理后通过A/D转换来进行数据采集，并通过UART口与ESP8266无线模块进行连接，将数据发送到移动端，其硬件结构框图如图2所示.

2.2 传感器检测模块

2.2.1 温湿度检测模块

图3 单片机与传感器硬件连接图

本设计的温湿度传感器采用的是DHT11传感器，该温湿度传感器通过单总线与STM32F103单片机进行连接，即将DHT11的引脚与单片机的IO口连接即可，单片机与传感器硬件连接图如图3所示.

利用STM32F103单片机采集DHT11传感器信息数据的通讯时序为：将STM32F103单片机的IO口设置为输出状态，并将单总线拉低为低电平发出开始采集信号，之后将总线拉高等待传感器响应，DHT11传感器处于正常工作状态下会将总线拉低并发送响应信号，等待80μs后将总线拉高并通知STM32F103准备接收40位的数据，DHT11传感器与单片机的通信时序图如图4所示.

图4 DHT11传感器与单片机的通信时序图

2.2.2 烟雾浓度检测模块

图5 MQ-5传感器烟雾检测电路图

本系统的烟雾传感器采用的是MQ-5传感器，具有成本低、响应速度快、灵敏度高等优点，被广泛应用于烟雾浓度的检测中，其核心材料为二氧化锡，当空气中存在易燃气体时会引起电导率的升高，烟雾浓度监测范围是300～10000ppm.MQ-5传感器输出信号为模拟量的电压值(0-5V)，输出的电压数据会随着烟雾浓度的升高而变大，MQ-5传感器的加热和测量电路都通过5V电源进行供电，MQ-5传感器烟雾检测电路如图5所示.

2.2.3 CO传感器检测模块

在火灾发生的开始阶段会出现燃烧物燃烧不完全而产生CO气体，本系统采集ME3-CO传感器对CO浓度进行检测.由于ME3-CO传感器的输出电信号微弱，需要通过放大电路进行调理，CO传感器的信号调理电路图如图6所示.由于MES-CO产生的是电流信号，通过R2电阻实现电流-电压的转换，同时通过电容C2对噪声信号进行滤波，降低对采集信号的干扰.

图6 CO传感器的信号调理电路图

2.3 无线传输模块

本系统通过ESP8266无线模块进行数据的传输，该模块具有32位微处理器，支持IEEE802.11协议和TCP/IP协议.该模块可以作为终端与路由器相连接，和移动设备一起加入同一网络段的局域网.ESP8266模块具有三种工作模式：STA模式，将ESP8266作为硬件终端获取路由器分配的IP地址，连接到网络中；AP模式，ESP8266作为被移动设备访问的一端，实现在局域网内与手机或电脑设备的连接通信；STA+AP模式，是将上述两种模式协同结合，即能够通过路由器联网，又允许在局域网内接入其它设备.本系统采用是的ESP8266无线模块的STA+AP模式，电路原理图如图7所示.

图7 ESP8266模块原理图

2.4 电源管理模块

图8 电源管理模块原理图

由于传感器和控制器所需要的供电电压分别为5V和3.3V，因此在电路设计过程中要考虑电压的转换.本系统采用的是NCP1117ST22T3G的电压稳压器来实现电压的转换，连接的外围器件少，能够实现1A的输出电流，输出电压的准确度为3.3V±1%，具有高稳定性和高电压转换精度，电源管理模块原理图如图8所示.

2.5 智能报警模块

本系统对温湿度传感器、烟雾浓度传感器和CO浓度传感器的数据进行实时的检测，并与报警阈值进行逐个比较，有传感器信息超出阈值时会对三种传感器数据进行融合计算，当判断有火灾发生时利用GSM模块来对用户的手机实现报警.本系统的智能报警模块采用的是SIM900A芯片，带SIM卡槽，支持2G,3G和4G手机卡，同时，它具有成本低、多接口和高性能的优点，可以广泛的应用于产品通信、智能家居、火灾智能防护等方向.SIM900A结构框图如图9所示.

图9 SIM900A结构框图

3 系统的软件设计

3.1 传感器检测模块

温湿度传感器、烟雾浓度传感器和CO浓度传感器在进行信号检测之前需要进行初始化，并根据具体环境来设置传感器的阈值，单片机发出检测信号与传感器信号相连接，实现实时数据采集，当采集的数据为模拟信号，则需要进行AD模块进行转换.当采集的数据超过火灾报警的阈值时，单片机发出高电平报警信息，并将满足报警条件的数据传输至ESP8266模块进行处理，实现系统报警功能.传感器检测模块的软件流程图如图10所示.

图10 传感器检测模块的软件流程图 图11 传感器检测模块APP界面图

同时，在手机APP界面端实现各类传感器信息的数据与图形显示，方便用户实时的对数据信息进行监控和统计，当发现采集数据曲线异常，则能够及时的对硬件电路进行检查和更新，传感器检测模块APP界面图如图11所示.

3.2 无线传输模块

ESP8266模块在工作前需要进行系统初始化，查询当前无线模块的工作模式是否采用STA+AP工作模式，如若不是，则需要将无线模块的工作模式进行转换.配置成功后，ESP8266会对当前的路由器进行扫描并与flash中的路由器信息进行匹配，如果连接不上则重新扫描匹配，直到连接成功.ESP8266在实现无线通信过程中还需要与服务器相连接，在手机端会收到连接成功信息，无线传输模块的流程图如图12所示.

图12 无线传输模块的流程图

3.3 智能报警模块

图13 智能报警模块流程图

SIM900A在工作前进行初始化操作，持续扫描温湿度、烟雾浓度和CO浓度传感器信息，当有传感器数据信息超过设置的阈值时，对三种传感器信息进行特征提取和信息融合来判断是否有火灾发生，如判断结果为有火灾发生，则SIM900A就会拨打存入服务器的用户手机号码进行报警.在整个过程中，会持续不断的对传感器信息进行扫描查询，做到智能火灾监控，智能报警模块流程图如图13所示.

4 总 结

本文实现了一种基于多路传感器采集的火灾监控及智能报警系统.系统采用STM32F103作为主控芯片，对多种类型的传感器进行数据采集，通过WiFi控制模块(ESP8266)将传感器数据无线发送给后端服务器进行存储.当传感器信息数据超出阈值范围，经过融合计算判定为有火灾发生，则通过SIM900A实现智能报警.用户可以通过手机APP端远程实时监控传感器信息.测试表明，该系统能够精准和稳定的对火灾情况进行监控和智能报警.