智能消防排烟窗控制系统设计研究与实现

王子斌，周天佑，程丽娟，王博

新疆工程学院，新疆乌鲁木齐，830000

0 引言

建筑物着火时，会释放出大量的烟雾，被困在里面的人，很可能被灼伤，严重的话，会导致昏迷，所以消防排烟窗的存在非常重要。20世纪90年代，欧洲的电动门窗产品开始在中国的建筑市场上销售，主要应用于机场和会展中心。从2002年起，使用的范围逐渐扩大，到了2005年，广泛用于场馆、商厦、写字楼、别墅、工厂、仓库等。随着国内产品的不断涌现，电动门窗在不同的建筑中得到了广泛的应用[1]。建筑物因其占地面积大、火势扩散迅速、设备、人员密集、人员密集、人员难以撤离等特性，人员疏散、消防工作困难，存在着生命安全、财产安全隐患。对火灾发生后发生的高热烟气进行及时高效的清除，是保障人员疏散、保障厂房结构安全的有效手段，而合理设置防火排烟系统显得非常必要。在国外，一些发达国家已有比较完善的火灾预防、报警、扑救及善后处置体系。德国、日本和美国等国家通过电脑连接到用户终端的感应器或用户终端的数据采集装置，实现对工厂内的智能防火烟窗进行实时监测和远程故障传送[2]。比如，智能防火烟窗控制系统的建造与使用，已经取得了很好的效果。

1 系统设计方案

设计方案。针对工厂建筑火灾监控系统的要求，以STM32单片机为核心[3]，采用烟雾、雨水、火灾、风力、PM2.5及光照等传感器为控制对象，利用单片机控制技术实现工厂智能消防排烟窗日常通风采光与消防排烟的功能，主要研究内容如下。

系统分两种情况（正常情况和发生火灾事故）：正常情况要用到风雨、光照、PM2.5等传感器来实现车间正常的采光、空气调节及通风功能。光照传感器的功能：白天光强高于设定值打开排烟窗，晚上光强低于设定值关闭排烟窗。风雨传感器的功能：刮风下雨时关闭排烟窗，正常情况下开启（冬天关闭）；为了预防发生火灾时造成人员伤亡和财产损失要加烟雾、温度及火光传感器。当发生火灾事故时，立马打开排烟窗排烟，控制水泵灭火，开启警报疏散人群。

通过对车间火灾通风窗的监控流程的分析，给出了整个控制系统的设计方案。

本设计的硬件部分由MCU和马达组成，并编制了MCU的控制软件，实现传感器的采集数据，实时检测火灾。

工厂雨水监测、火灾监测、风力监测、光照监测等外部条件实时进行系统性监测，实现烟窗的控制，并能通过显示屏进行显示采集的数据监控。

2 硬件电路设计

2.1 主控电路设计

（1）复位、时钟电路：在单片机系统中，如果程序受到外界干扰而发生故障，则按下重置键，使程序重新启动。通常有上电自动重置和外置按键人工重置。当时钟电路工作后，在RST端连续提供2个高电平时，即可实现重置。此设计使用了一个外部的人工按键重置回路，为了增加高电平的输出，必须连接一个上拉电阻器。复位电路如图1所示。

图1 复位电路

时钟电路是单片机的关键部件，它的性能对MCU的工作效率有很大的影响。该时钟电路是一个振荡的电路，它将一个正弦波作为参考，用来判断MCU的运行速度，XTAL1和XTAL2分别用作逆变器的输入和输出，而逆变器可以被构造成芯片内部的振荡器[4]。如果使用外部的时钟电源，则XTAL2不能连接。由于一个机械循环包含6个状态循环，而每一个状态循环包含2个振动循环，因此，一个周期内有12次振荡，若采用石英晶体振荡器，则其振荡频率可达12MHz，振荡周期可达1/12us。如图2所示，它是当前最常用的单片机时钟振荡电路，其晶振频率为12MHz，电容器通常是30PF。图3是一个由复位电路、时钟电路、MCU组成的微型微处理器。

图2 振荡电路图

图3 单片机最小系统图

（2）模数转换器电路，如图4所示，选择的信道为IN0，并且由片选线P2.7和写入信号“或非”来生成ADC0808的启动信号START。这就需要一条将一个操作命令写入ADC0808以开始该信号。ALE连接到START，也就是通过输入的地址来开启模拟信号。然后开始转换，通过读取信号和选择信号P2.7“或非”来生成输出。使信号OE通过一个ADC0808的读取操作来输出数据[5]。

图4 ADC0808与单片机的连接方式

（3）显示屏LCD1602的电路：显示电路如图5所示。

图5 显示电路

2.2 监测模块电路

（1）雨水模块电路：雨水传感器电路是由电频信号来判断外界环境是否下雨。当单片机系统的IO口接收到雨水模块采集的数据为低电平时，这时单片机系统判断外界环境为下雨，电动机的驱动模块将会收到由单片机输出的关闭窗口信号，使其启动正向旋转，即模拟实现关窗；当单片机系统的IO口接收到雨水模块采集的数据为高电平时，这时单片机系统判断外界环境为晴天，电机驱动模块就会接收到单片机系统输出的开窗信号，从而进行驱动电机开始反转，即模拟实现开窗，如图6所示。

图6 雨水传感器接口图

（2）电机驱动模块：TB6612电机驱动电路原理图中包含四个电路。在电压电流允许的范围内可以直接驱动两个直流电机。STM32芯片需要用2个引脚来控制，AO1是电机的输入控制端口，电平为DC0-5V。AO2是电机的逻辑输入控制端口，电平为DC0-5V。AO1、AO2为1路H桥输出端口，接一个直流电机的两个脚[6]。GND是电机接地引脚。电机驱动芯片和电机供电脚，电压范围2.7V-10.8V。也就是说，它可以同时驱动两台电机，在它的下方，有一个IO端口，用于控制一个电机，STBY端口上的IO端口清零电机停止，而在STBY端口上，则由AO1AO2来控制电机的正、反转和停止，如图7所示。

图7 电机驱动原理图

（3）温湿度传感器电路：DHT11是温湿度传感器的关键元件，其内部采用数字模块及温度感应技术，能够将温湿度的值精准测量出来，本电路中所采用的是4针单排引脚的封装，其接口为电源接口、接地接口、MCU接口，在连接适当的上拉电阻之后，信号的传输距离可以达到20m左右，如图8所示。

图8 温湿度传感器

（4）PM2.5传感器电路：通过单片机串口进行通信，并且接收到PM2.5传感器采集到的信号，并将其转换成相应的数据值，根据PM2.5传感器数据，单片机通过判断传感器的数值，如果大于设定值，就进行报警操作，如图9所示。

图9 PM2.5传感器

（5）烟雾传感器电路：检测到外界环境有烟雾并且与之接触时，在烟气传感器的结构中，其表面电导率会发生改变。烟气浓度的探测主要取决于其表面的导电性，导电率的大小直接关乎模拟信号输出的大小，并且具有良好的重复性和长期稳定性，尽管长时间工作也能保证工作性能的稳定。传感器在使用的时候，需要进行加热后才能够输出准确的电阻及电压，如图10所示。

图10 烟雾传感器

（6）蓝牙模块：HC-05蓝牙模块的电路设计很简单，不需要转换芯片就直接通过与单片机串口的交互连接。本设计中的蓝牙模块用了4个引脚，其中发送和接收口与单片机的串口连接，基本不会占用I/O口就能对蓝牙通信进行传输。HC-05蓝牙模块在引脚连接方式中，只需将其与单片机进行通信，并且连接到5V电源和GND，方可实现蓝牙功能，同时结合手机下载蓝牙连接的APP，实现手机和蓝牙模块的连接，根据输入相应的指令后执行相关命令指令控制，如图11所示。

图11 蓝牙模块电路图

（7）报警电路：蜂鸣器电路设计采用了蜂鸣器和发光二极管。在设计电路中，单片机的P2.4、P2.5、P2.6分别控制二极管和蜂鸣器，通过编程让传感器传送的数据和规定的值进行比较。如果大于设定值，蜂鸣器报警，红灯闪烁。小于设定值，蜂鸣器不报警，绿灯闪烁，蜂鸣器原理图如图12所示。

图12 蜂鸣器原理图

3 系统软件设计

在主函数中需要先将系统初始化，然后检测红外传感器是否为高电平，如果是就开启蜂鸣器报警，并且开始扫描按键设置的数值，子函数开始检测温湿度情况、烟雾、有害气体、二氧化碳、PM2.5是否超标，室外风力如何，如果任意数值超过单片机设定的数值，就通过显示函数在显示OLED屏幕上显示，并且单片机会给一个信号驱动电机驱动达到关烟窗的目的，如图13所示。

图13 系统原理图

（1）蓝牙控制程序：该系统连接到控制中心，通过串行接口向蓝牙模块传输AT指令，并将蓝牙模块与网络相连，在此基础上，将指令传送至Bluetooth模块，由Bluetooth模块接收到指令后，再利用串行接口和串行方式向MCU传输指令。

（2）OLED显示程序：OLED显示方式为通过单片机中储存的相关字库进行调用，并且写入ARM中，每个字符都会有一个对应的LED二极管，通过对发光状态的控制，使其进入相应的显示状态，从而实现文字的显示。用于显示实时监测的温度数值及报警的上下限阈值。

（3）蜂鸣器报警程序：蜂鸣器的主要作用是用于蜂鸣器驱动经过单片机IO口进行控制，当三极管接通并向蜂鸣器提供电力时，蜂鸣器就会产生一个导电的电流，蜂鸣器就能发生警报声。单片机IO口控制蜂鸣器停止报警，把蜂鸣器的电路切断，使蜂鸣器实现警报。

（4）温度数据采集程序：DHT11温度数据采集，是将数字信号传输到系统主控制器上，刚上电时的线路不够稳定，在供电一秒以后，DHT11会向系统主控每次发送40位数字信号；每毫秒发出8位数字信号，系统主控会按照先高位后低位的顺序接收信号，接收结束后，STM32会给DHT11发送出单个80us的高电压来结束此次数据传输。

（5）ADC0808程序：从ADC0808的芯片中可以看出，当ALE激活时A、B、C输入的信道地址被锁定。在启动信号START开始之后，EPC信号开始输送，直到START到达10us之后，EPC信号停止。在EOC信号停止后需要启动查询器查询，然后OE控制数据的输出。ADC0808接收信号并选定通道，然后启动A/D等待高电平的EOC信号将OE信号转换为高电平，最后将转换后的数据送入单片机。

（6）控制按键设计子程序：采用自锁复位开关调整设定值，从而达到超出设定值的报警功能。

4 电路检测与仿真

在完成了硬件安装工作之后，还要对电路进行检测，并对电路元器件、线路等发现问题后进行调试。①在测试之前都需要进行线路检查，确认线路及元器件方向无误后，才能开始进行上电检测；②进行信号输入后，观察输入输出波形以及最后呈现的效果是否达到预期的效果。

在通电之前：先使用万用表，对焊接的线路进行测试，排查是否有短接、焊错、以及漏焊等情况发生，避免导致电路短路烧毁，对板子造成一定程度的损害。在通电之时（不加入信号，静态观察）：先观察电路是否导通，然后开始听一下板子有没有异常的响动，最后，测一下两端的电压是否达到了预想值，计算误差，若是相差甚远，则需及时改正，并再一次重复上述步骤。在通电之后（加入信号，动态观察并调试）：根据上述步骤完成后，开始加入合适的信号，按照自己所设计的电路中电流走向，来逐一测量各个测试点输出的信号。在进行测试这一操作时，不能单凭感觉，需要用到各种仪器（如示波器、信号发生器等）来得出数据并观察，如图14所示。

图14 整体实物图

最后，在确认测量中得出的各数据准确无误后，进行最后的调整，结合设计作品的要求，实际情况等，判断可行性。在断电之后：整理记录刚刚所发生的问题，开始一个个进行解决。将虚焊的一些电路进行焊接，然后检查是否需要更换元器件等，最后进行进一步完善。

（1）雨水传感器调试：利用湿纸巾来模拟下雨天的情景。把湿纸巾放在雨水传感器上时，传感器采集到有水的信号，此时显示器上显示“下雨”状态；紧接着蜂鸣器发出报警；系统感应后自动关闭窗户。这一过程模拟了车间在下雨天自动关窗的功能。其工作原理：雨雪传感器上方采用栅形电极，利用水的导电性，当有雨水落到感应区间上时，会造成电极短路，这样设备就能监测到下雨，窗户就会自动关闭。

（2）风速传感器调试：风速传感器是用来测量风速的设备，外形轻便小巧，便于组装和携带。按照工作原理可粗略分为机械式风感和超声波式风感。能快速获得风速信息，壳体采用优质铝合金型材或聚碳酸酯复合材料，防雨水、耐腐蚀、抗老化，是一种使用安全且方便可靠的智能仪器。本设计的程序里设定的是风速达到5m/s蜂鸣器就会报警，并且窗户自动关闭。可以根据现场的实际情况进行调整。

（3）光照传感器调试：设面元dS上的光通量为dΦ，则此面元上的照度E为：E=dΦ/dS 。照度的单位为lx（勒克斯），也有用lux的，1lx=1lm/m2。照度表示物体表面积被照明程度的量。本设计实物中设定的光量值为3000lx，当周围光量低于设定值时，系统会模拟夜晚的场景关闭排烟窗；当周围光量高于设定值时，系统模拟白天的场景并打开排烟窗进行日常的采光与通气。

（4）烟雾传感器调试：烟雾传感器其实就是烟雾报警器的别称。因为能够探测火灾时产生的烟雾，并且安装简易，所以广泛应用于商场、宾馆、商店、仓库、机房、住宅等场所进行火灾安全检测。它的原理是烟雾传感器采用了光电感烟器件，光电感烟是利用起火时产生的烟雾能够改变光的传播。本设计的毕设实物中设定的烟雾浓度警报值为3000ppm，当空气中烟雾浓度高于设定值时，系统模拟发生火灾的场景触发蜂鸣器报警并打开排烟窗排烟。

（5）温度传感器的调试：温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。这是金属膨胀原理设计的传感器，金属在环境温度变化后会产生一个相应的延伸，因此传感器可以以不同方式对这种反应进行信号转换。本设计的毕设实物中设定的温度警报值为30℃，当周边温度高于设定值时，系统模拟发生火灾的场景触发蜂鸣器报警并打开排烟窗排烟。

（6）火灾传感器的调试：在传感器旁边产生火焰时，传感器就会采集到火焰的信号，此时显示器上显示“着火”状态；紧接着蜂鸣器发出报警；系统感应后自动关闭窗户，同时系统启动水泵进行灭火。

5 结语

本文研究的排烟窗控制系统具有智能化、网络化和人性化等特点，可以通过对单片机系统的设定来对烟窗进行各方面的控制和安全设置，使用方便，并且相对于传统的烟窗，它的安全系数也会比较高，很好地改善了现如今人们所处的工作环境。相比于普通的烟窗，智能烟窗能够更好地为人们的工作提供方便和安全，更加人性化。