一种单片机的智能居家火灾报警系统研究

2021-09-18徐淼鑫王鑫

电子测试 2021年16期

徐淼鑫，王鑫

（1.佳木斯市消防救援支队防火监督科，黑龙江佳木斯，154004；2.中国人民银行佳木斯市中心支行科技科，黑龙江佳木斯，154002）

0 引言

家用电器的使用为人们的生产生活带来很大便捷，但是由于家用电器的增多导致居家用电负荷有所增加，致使用电火灾发生的概率增大，一旦发生用电火灾会对人们的生命财产造成严重破坏。目前，在建筑防火规范中已经明确要求要配套火灾报警系统设施，随着电子技术的不算完善，居家火灾报警系统也逐渐得到优化，本文设计了适合于智能居家火灾防护的报警系统，能够实现对火灾情况进行实时监控并报警。

1 需求分析

传统单一简单的火灾报警系统已经难以满足现代建筑的发展和使用需求，随着智能家居的深入发展对火灾报警系统提出了更高的要求，通过火灾报警系统需能够及时、快速、准确的实现对火灾的检测、报警以及控制功能，快速发展完善的网络通信技术及科学技术为智能家居火灾报警系统提供了强大的技术支撑，智能火灾报警系统发展迅速，目前电子技术、计算机网络通信技术、传感器、自动控制技术等已经应用在火灾报警系统的研究与设计中，多种智能火灾报警系统已投入到实际应用中。但现阶段的火灾报警系统在智能性、实时性、准确率方面仍存在不足，传统火灾报警系统在对火灾发生状况进行判断时大多基于单个传感器和单个阀值完成，但在发生火灾时受到环境因素及火灾产生的各参数等的相互作用和影响，室内环境的复杂程度较高，如果传感器性能难以满足对复杂环境的检测需求，将会导致火灾误报、漏报等问题，现代建筑的火灾发生情况仅使用基于阀值方式的火灾报警系统已难以实现有效的检测过程。目前在控制领域高性能的单片机成为主流的控制方案，具备精度高、通用性好、工况稳定性高、功耗低等优势的单片机可有效弥补传统报警系统装置在可靠性和准确性等方面的不足。本文在现有研究成果的基础上完成了一种基于单片机的智能家居火灾报警系统的设计，该系统结构简单、操作便利，并显著提高了系统的稳定性及报警精确度。

2 基于单片机的智能居家火灾报警系统设计方案

2.1 整体架构设计

基于单片机的智能居家火灾报警系统由探测器、传感器以及报警系统组成，整体结构如图1 所示。当室内发生火灾时，传感器会对室内的烟雾颗粒以及室内温度进行检测，然后通过转换处理电路对采集到的信息进行转换，经过火灾控制器对采集数据进行分析，最终得出是否发生火灾的结论。在火灾探测模块中，控制中心选用STC15L2K32，将探测模块所传送的信息进行数据融合，得出报警信号并发送到用户手机，用户可以通过传输信息了解火灾方位，及时采取救治措施。

图1 系统总体架构示意图

2.2 单片机的应用

单片机选用STC15 系列的STC15L2K32 来对探测模块进行实现，该单片机具有很高的可靠性及应用性，处理速度较快而且功耗较低，由中央处理器、A/D 转换器、程序及数据存储器、2 个16 位可重装载定时器、5 个外部中断、I/O 口等组成，各串口功能及PWM 功能均可通过定时器完成。根据火灾报警系统控制模块的实际需求，STC15L2K32 单片机通过可重载定时器可再实现3 个定时器或D/A 转换器。

3 智能居家火灾报警系统的实现

3.1 控制模块

本文所研究的居家火灾报警系统以模块化设计为主，经过各模块之间的相互通信来实现居家意外火灾的识别与检测，控制模块主要通过人机交互来产生报警功能，高质量实现报警控制。控制模块的正常运转需要通过稳定的电源作为基础，本研究选用的电源电路可以提供不同的电源电压，在短时间内实现控制系统程序代码、文件传输等功能。经过控制模块可以显示传感器采集的探测数据，根据实际需求设置参数信息，通过语音及短信两种方式实现报警。在电源模块中会使用3.3V、4.2V、5V、12V 等在内的多种电源值，通过LM1117_3.3 电源电路将5v 电压转换为3.3V 电压，确保各集成电路均能够使用。通过MP2307 电源电路可以将12v 的直流通电转换为5v 或4.2v，确保系统GSM 模块串口及继电器模块使用。在键盘电路中，采用6 个行式键盘，将单片机I/O 口与按键相连，设置不同按键的具体功能，包括菜单兼确认、上翻兼短信号码设置、退出并返回上一级菜单、开启报警装置、撤除报警装置等。

3.2 探测模块

探测模块由电源模块、传感器、探测处理单元、调理电路组成，经过探测器对烟雾、温度、CO 浓度等模拟信号进行采集，由相应的调理电路完成后续的数据放大及转换处理，最终经过探测处理单元对数据进行汇集统筹后向火灾报警控制传送数据信息。

3.3 系统软件的实现

3.3.1 系统控制模块软件设计

系统的主程序流程如图4 所示，先完成对系统相应模块（包括无线通信、GSM、LCD 液晶显示等模块）的初始化处理，然后进入系统主界面的分机搜索状态（显示scaning client），一台主机可连接分机的上限为15 个，由主机依次发射相关数据帧（地址为1～15，通过A7139 无线模块完成）。发射完每一数据帧后如果能收到分机回复（需在规定时间内）则证明存在该地址分机，这个地址会被程序记录到分机列表中，搜索结果在搜索完成后实时显示于屏幕上（find xx client addr...），然后系统程序对包括SIM 卡、网络注册结果等在内的GSM 模块状态进行查询（Initing GSM_model...），提示GSMstatus ok/err（注册网络成功/失败），接下来进入主界面显示布/撤防状态及在线分机数量，通过点击BF 和CF 按键进行布撤防，操作过程根据提示信息即可完成，在布防状态下系统主机仅在传感器数据值大于门限值时触发报警。点击菜单键进入设置主菜单界面，上下移动菜单选项点击确认进入当前选项，按EXIT 键返回或退出，在通电情况下通过分机搜索对在线分机进行重新搜索，通过原始数据显示实现对各前端模块传感器数据实时直观的查看，数据采用16 进制（AD 转换后的原始值）显示模式，通过短信号码设置按钮设置短信接收号码（保存于单片机EEPROM 中）。系统主机在待机状态下每200ms 查询一次分机列表中的各分机并完成各分机传感器数据的读取，系统报警的判断条件为：分机各传感器设置3 个数据阀值（高中低），以当前传感器检测数值及系统预设判断条件为依据完成当前分机的火险系数的计算，在该系数超过预定值且系统处于布防状态的情况下会触发报警，系统显示屏会实时显示报警的分机编号，通过继电器动作触发扬声器发出X 防区报警语音提示，同时GSM 模块会将报警短信发送到预设手机号码中，按撤防键可取消报警。

3.3.2 探测模块软件设计

探测模块主程序流程如图2 所示，单片机上电后探测模块先配置端口资源，并根据地址跳线状态读取结果完成相应地址信息的计算和确定，然后开启3 路AD 转换通道，并在完成初始化处理无线模块后进入无线监听状态，接收到主机的有效查询数据帧后（数据帧长度为8 个字节），对其中的地址同自己地址的一致性进行判断，一致则返回包括包括3 路传感器当前数值在内的数据（按照相同数据帧结构），数据帧格式为2 字节帧头+1 字节分机地址+1 字节co 浓度数值+1 字节烟雾数值+1 字节温度数值+2 字节帧尾，其中帧头和帧尾固定为0XA8 0XC5 和0X8A 0X5C。