智能多源火灾监控系统设计及应用

摘要：针对传统火灾监控系统依赖单一来源信息而造成监控不及时、不准确的问题，提出一种智能多源火灾监控系统，介绍了系统设计、硬件设计、软件实现和实验结果。首先，利用STM32103C8T6 微控制器采集环境中的温湿度、有害气体浓度和红外监控的火焰信息，并通过ESP8266-01S 模块使用消息队列遥测传输（message queuing telemetry transport，MQTT）协议将数据传输至OneNet 后台。其次，使用配置了高清摄像头的树莓派4B 搭建Flask 轻量级服务器，并基于YOLOv5s 算法实现实时视频火焰监控。最后，采用Vue.js 进行数据可视化显示和控制。测试结果显示，该系统性能良好，具有在火灾安全领域的应用潜力。

关键词：多源火灾监控；微控制器；传感器；树莓派4B

中图分类号：TP391.4；TP274 文献标识码：A

0 引言

在当今社会，火灾作为一种常见的灾害事件，不仅给人们的生命财产带来了严重威胁，也给社会经济发展造成了巨大损失。据统计，全球每年因火灾造成的财产损失以及伤亡人数仍然居高不下，尤其是在人口密集、建筑复杂的城市地区，如何对这些地区的火灾进行监控成为亟待解决的重要问题[1-2]。

传统的火灾监控系统往往仅依赖单一来源的信息，如烟雾探测器、温湿度传感器装置等，其在监控火灾发生的及时性、准确性等方面存在诸多不足[3-4]。因此，研发一种智能多源火灾监控系统显得尤为迫切和必要[5]。

本文以先进的传感技术和数据处理算法为基础，整合了多种数据来源，包括温湿度传感器、有害气体浓度传感器以及视频流等，实现了对火灾发生的实时监控。其中，视频监控作为重要的一环，不仅能够实时监控周围环境，还通过YOLOv5s 算法智能识别火焰迹象，提高了火灾监控的灵敏度和准确性[6]。

本文旨在设计与实现一种智能多源火灾监控系统，并通过详细的实验结果和性能测试验证其在火灾监控方面的准确性和实用性。这一系统的应用将为人们提供一种应对火灾的有效手段。

1 系统设计

智能多源火灾监控系统采用模块化架构，包括数据采集、数据传输、数据管理、人机交互和控制系统，系统总体架构如图1 所示。

1.1 数据采集

以STM32103C8T6 微控制器为核心，连接多种传感器，实时收集环境数据，所使用的传感器包括：①温湿度传感器。其用于检测环境温度和湿度水平。②有害气体浓度传感器。其用于检测环境中的烟雾、乙醇等有害气体浓度。③红外火焰传感器。其通过红外检测来识别火焰是否存在。

同时，部署一台配备高清摄像头的树莓派4B进行视频监控，运行YOLOv5s 算法进行实时火焰监控。而基于Flask 框架的轻量级服务器负责接收和处理传入的数据，通过视觉信息来确认火灾是否存在，以提供额外的安全保障。

1.2 数据传输

将采集的环境数据通过支持消息队列遥测传输（message queuing telemetry transport，MQTT）协议的ESP8266-01S 模块无线传输至OneNet 后台系统。MQTT 协议因其轻量级的特点，确保了在传输数据时最低的延迟和传输开销。

1.3 数据管理

OneNet 是中国移动物联网平台，提供了数据管理和设备控制服务接口。ESP8266-01S 通过MQTT协议将数据上传至OneNet，后台将已采集的环境数据进行存储和管理，并且利用其强大的数据分析和可视化功能，支持系统的整体运行和监控。

1.4 人机交互

前端界面是基于Vue.js（前端框架）来构建的动态和交互式平台，用于数据可视化和控制。用户可以通过该界面来监控实时数据。Vue.js 的组件化设计和响应式数据绑定特性，使得前端界面具有良好的用户体验和可维护性。

1.5 控制系统

控制系统包括蜂鸣器模块和有机发光二极管（organic light-emitting diode，OLED） 显示模块。系统若检测到火源，则触发蜂鸣器模块，发出刺耳声音警示人们火灾的发生。OLED 显示模块则能够实时显示环境数据、火灾信息和系统状态，为用户提供更加清晰和直观的监控界面。

2 硬件设计

系统的硬件设计涉及多个组件的集成以实现相应功能，硬件电路设计图如图2 所示。

2.1 STM32103C8T6 微控制器

STM32103C8T6 微控制器是系统的核心控制单元，负责协调各个传感器的数据采集和处理。该微控制器具备高性能和低功耗的特点，提供丰富的外设接口，包括通用输入/ 输出（general purposeinput/output，GPIO）、模拟数字转换器（analog-todigitalconverter，ADC）、通用异步收发器（universalasynchronous receiver transmitter，UART） 等， 能够支持多种传感器和通信模块的连接。该微控制器主频为72 MHz，内置64 kB 闪存和20 kB 静态随机存取存储器（static random access memory，SRAM），能够满足复杂的数据处理和实时响应需求。

2.2 树莓派4B

树莓派4B 搭载1.5 GHz 四核ARM Cortex-A72处理器，具有较高的处理速度和整体性能，能够支持复杂的应用程序和计算密集型任务。同时，其提供2 个USB 3.0 和2 个USB 2.0 接口，支持高速数据传输和外部设备连接，适合高带宽需求的应用。树莓派4B 还内置802.11ac 无线网卡和蓝牙5.0，支持无线数据传输。

2.3 传感器

2.3.1 DHT11 温湿度传感器

DHT11 温湿度传感器内部集成了1 个电容式湿度传感器和1 个负温度系数（negative temperaturecoefficient，NTC）温度传感器。该传感器通过单总线协议与STM32103C8T6 微控制器连接，具备测量精度高、响应速度快的特点，能够实时监控环境的温湿度变化。

2.3.2 MQ2 有害气体浓度传感器

MQ2 有害气体浓度传感器具备良好的灵敏度和快速响应能力，通过模拟信号输出与微控制器的ADC 端口连接，将监控的烟雾、乙醇等有害气体的浓度转换为电压信号，微控制器通过ADC 采集并处理该信号，实现对有害气体浓度的实时监控。

2.3.3 KY-026 红外火焰传感器

KY-026 红外火焰传感器能够监控波长为760 ～ 1 100 nm 的红外光，其通过数字信号接口与STM32103C8T6 微控制器连接。当传感器监控到火焰时，输出高电平信号，否则输出低电平信号，微控制器利用GPIO 端口读取信号状态，进而实现火焰监控。

2.3.4 KY-012 蜂鸣器

KY-012 蜂鸣器是一个有源蜂鸣器模块，该模块通过数字信号接口与微控制器连接，当信号引脚输入高电平时，振荡器开始振荡，驱动蜂鸣器发出声音；当信号引脚为低电平时，振荡器停止振荡，蜂鸣器停止发声。

2.3.5 鸿视康USB 相机

鸿视康USB相机采用了先进的互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）传感器技术，具有高分辨率、高灵敏度和低噪声的特点，能够实现图像的快速采集和传输。同时，该相机免驱动，方便安装和使用。

2.4 ESP8266-01S 模块

ESP8266-01S 模块集成了高性能的Tensilica L10632 位处理器，具有超低功耗的特性，适合嵌入式系统的应用。同时，ESP8266-01S支持802.11 b/g/n标准，能够提供完整且自成体系的Wi-Fi 网络解决方案，且支持STA/AP/STA+AP 工作模式。该模块根据MQTT 协议并且通过UART 接口与STM32103C8T6微控制器进行通信，实现了数据的无线传输，确保数据传输的可靠性和及时性。

3 软件实现

3.1 微控制器固件

STM32103C8T6 微控制器的固件使用C 语言编写，并利用STM32 HAL 库进行外围设备控制和数据采集。微控制器固件的主要功能包括采集传感器数据、对数据进行格式化处理，以及通过ESP8266-01S模块将数据传输至后台系统。固件代码的核心功能包括初始化传感器、定时采集数据和MQTT 通信。

3.2 MQTT 通信

ESP8266-01S 模块运行一个轻量级的MQTT 客户端以促进数据传输。该模块使用Arduino IDE 进行编程， 利用PubSubClient 库进行MQTT 通信。模块可以连接Wi-Fi 网络，并将微控制器采集的数据通过MQTT 协议传输至OneNet 后端，确保数据传输的可靠性和低延迟。

3.3 视频实时火焰监控

树莓派4B 上运行Python 脚本， 使用源代码开放的计算机视觉库（open source computervision library，OpenCV）进行视频捕获，并通过YOLOv5s 算法进行火焰检测。该脚本实时处理视频帧，识别并标记火焰数据。同时，在树莓派4B上搭载Flask 服务器，将实时火焰检测数据通过服务器IP 地址供前端访问。Flask 服务器设计为轻量级和响应式，确保了数据处理的最小延迟。

YOLOv5s 是一种单阶段目标监控算法，其直接在输入图像上进行卷积运算，从而实现端到端的目标监控。YOLOv5s 通过特征提取网络、监控头和损失函数来实现快速、高效的目标监控。

智能多源火灾监控系统在训练时采用KaggleFire & Smoke 和Fire & Guns 数据集，并且过滤掉包含烟雾、枪支以及低分辨率的图像，关键超参数设置如表1 所示。

3.4 OneNet 后端

（1）注册OneNet 账号并创建产品和设备。在OneNet 平台上注册账号，并且创建一个产品和相应的设备，用于接收STM32103C8T6 微控制器传输的数据。

（2）配置数据流模板。在产品中配置数据流模板，这些数据流包括温度、湿度、有害气体浓度和火焰监控信息等，以便后续将数据流数据传输至OneNet 平台。

（3）接收并存储数据。在OneNet 后端中，编写代码逻辑，接收通过MQTT 协议传输的数据，并将数据存储至OneNet 平台的数据流。

3.5 Vue.js 前端

首先，在项目中安装Vue.js，并且初始化Vue.js应用程序。其次，使用Vue.js 创建数据可视化页面，该页面可以实时显示包括温度、湿度、有害气体浓度和火焰监控信息等，使用Vue.js 的组件化开发方式，将不同数据展示为不同组件。再次，在Vue.js 中实现数据控制功能，包括根据监测数据触发报警或控制其他设备的功能，通过OneNet 平台提供的程序编程接口（application programminginterface，API）来实现数据的获取和控制。最后，设计用户友好的界面，包括数据图表、实时监控画面和控制按钮等，提高用户体验。

4 实验结果

4.1 硬件连接

如图3 所示，通过设计的印制电路板（printedcircuit board，PCB），将STM32103C8T6 微控制器与温湿度传感器、有害气体浓度传感器和红外火焰传感器相连。高清摄像头安装在一个小型支架上，便于摄像头的角度调整，并与树莓派4B 相连。

4.2 软件运行

通过Mini-USB 接口为STM32103C8T6 微控制器供电，待OLED 屏幕正常显示后，从客户端输入对应IP 即可进入远程监控界面。远程监控界面实时刷新温度、湿度、烟雾浓度、红外火焰等级、火源目标检测视频流以及是否检测出火灾的数据信息等，系统软件运行情况如图4 所示。

4.3 系统测试。

本文对系统的性能进行了全面测试，具体测试内容包括数据采集和传输测试、系统功能测试、系统稳定性测试和人机交互测试。

4.3.1 数据采集和传输测试

本文开展了多次测试传感器的数据采集和传输性能实验。结果表明，各传感器能够稳定、准确地采集环境数据，并通过ESP8266-01S 模块将数据实时传输至OneNet 平台。数据传输的延迟控制在50 ms 以内，保证了系统的实时性。

4.3.2 系统功能测试

利用打火机释放有害气体，当有害气体浓度升高至一定浓度时，蜂鸣器可以正常工作。同时，在无人区点燃纸张模拟火灾情况并且进行测试，结果表明，系统能够在火焰出现的瞬间进行准确识别，平均监控速度为45 帧/s，监控延迟控制在22 ms以内，达到了实时监控的要求。

4.3.3 系统稳定性测试

通过对整个系统进行长时间的运行测试，以验证其稳定性。结果表明，系统能够连续稳定运行48 h 以上，传感器数据采集、传输和火焰监控功能正常，无明显性能下降或系统崩溃的现象。

4.3.4 人机交互测试

人机交互界面使用Vue.js 构建，用户可以通过该界面实时监控环境数据、查看历史趋势，并对系统进行控制。人机交互测试结果表明，该系统界面响应迅速，数据更新及时，用户体验良好。

5 结论

本文设计了一种智能多源火灾监控系统，该系统集成了STM32103C8T6 微控制器、ESP8266-01S模块、树莓派4B 以及先进的深度学习算法，提供了稳定和可靠的火灾监控方案。实验结果表明，该系统性能良好，具有在火灾安全领域的应用潜力。未来工作将集中于进一步优化系统性能、扩展其功能，以及探索其在其他领域中的应用。

参考文献

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[2] 王迪，孙伟，王一美，等. 物联网技术在智能建筑火灾检测系统中的应用 [J]. 集成电路应用， 2022， 39（ 6）：140-141.

[3] 宋仕斌，于海跃. 智慧监控系统在森林防火安全管理工作中的应用研究 [J]. 电子产品世界， 2022， 29（6）： 28-30.

[4] 刘威，樊旭斌. 基于蓝牙Mesh 与NB-IoT 的火灾检测系统设计 [J]. 无线通信技术， 2023， 32（ 4）： 34-37.

[5] 章主龙. 多源数据融合在灾害应对与防火监督中的应用与效益分析 [J]. 今日消防， 2024， 9（ 2）： 23-25，40.

[6] 白玉， 马广焜， 彭新茗， 等. 基于YOLO 框架的农田火源自动检测系统 [J]. 现代计算机， 2022， 28（19）： 33-38.