影院智能消防控制系统设计

董 旭，魏魏，李泽滔

（贵州大学 电气工程学院，贵阳 550025）

0 引言

随着国民经济的不断增加，人们娱乐活动的方式也在不断改变，但看电影仍然是众多人的首选。但是，由于影院的环境与其它场所不同，存在人员密集度高、火灾荷载大，并且用电设备多，建筑结构比较复杂，空间较大但通风较差等不利因素。所以一旦有火灾发生，特别容易造成生命安全和财产安全等严重恶果。

影院内的装修设计、场地的出租以及多种经营模式的发展，是近年来大型影院为了生存和发展下去的必然趋向。这些影剧院在建筑构造与使用功能上有以下特点：

（1）占地面积大、空间大、耐火等级不高。

（2）装修精致、用电设备多、负荷大。为满足放映或演出的音效要求，在装潢的过程中需要用到数量庞大的非阻燃性的吸音材料，而且目前影院中依然会有较多的木质架子、隔墙以及可燃吊顶、幕布，场内的软座位也会增加火灾负荷。

（3）窗户设计较高、排烟量小。因为影剧院的观众厅较大，对室内的音响效果以及空气温度要求较高，所以从墙面的吸音和能源的节约来考虑，不会采用可开启的墙面窗户，一般都会设计为高窗。

针对上述特点，本文消防控制系统基于单片机STM32 设计，并负载多个检测模块和联动装置，在火灾发生初期就能及时探测到信息，动作时间短，能够及时扑救。另外，系统结构简单、操作方便、有较高的灵活性，从而大幅提升了系统的稳定性和实用性。

1 总体设计

1.1 方案选择

方案一：串级报警电路设计

串级电路设计，首级的设计为气敏传感器电路，作用是当火灾产生的烟雾气体进入到传感器中时发出报警信号，使远端的装置接受信号。设计末级为接受报警电路，其作用是接受气敏传感器电路发出的信号后，在远端发出报警功能。

方案二：区域报警灭火设计

区域报警电路设计，是将气体烟雾报警器放置于固定区域内，报警电路是由电源电路、稳压电路和气敏传感器触发报警电路、以及区域内的灭火装置共同组成。

综合对比上述两种方案，串级远程报警电路设计适合于人流较多且安全隐患不集中的地方。这种设计最主要特点就是所监控的范围广且很便捷，可以进行远程报警。但也存在一些劣势，如实施难度较大，投入成本高且线路复杂，不适用于小区域设置。

商业银行理财产品的类别化是实现“功能性金融监管”的基础。目前，针对商业银行理财产品的分类标准很多，分类方法各不相同，一定程度上造成了理财产品划分上的混乱。事实上，对现有产品进行合理分类，一方面有利于确定法律关系，明确各方权利义务；另一方面也有利于评估风险，并进行合理地风险匹配和有效地监管。根据《商业银行个人理财业务管理暂行办法》的规定，按照客户获取收益的方式不同，理财产品可分为保本固定收益产品、保本浮动收益产品与非保本浮动收益产品三类。这一分类有利于消费者明晰理财产品收益情况和维护自身利益，有利于监管者针对不同类型的理财产品采取相应的监管措施，可以满足金融微观监管的需求。

区域报警灭火设计可以应用在一定范围内的火灾气雾报警。如，小型办公室或者家庭等。该设计方案的优点是实用简单、投入成本低而且便于实现。但对控制检测能力不强，没有自动功能，不适于设计要求。

方案三：单片机灭火设计

单片机设计电路具有高精度和稳定的工况的特点，并且能更好地实现控制要求。利用其无线传输的特征可以更好地实现功能拓展，方便监控。所以本设计首选此方案。

1.2 单片机报警灭火系统设计

本系统采用STM32 芯片，再经过软件的编程实现对影院内的温度、烟雾浓度进行探测以及对火焰的探测，并能够通过人工来调节温度和烟雾浓度所发出报警的阈值。当温度、烟雾浓度超过设定的阈值，或者直接探测到了火焰，就会发出声光报警，随后启动消防联动装置。其中包括启动排烟机、应急电源、打开防火阀并且启动自动灭火系统等。系统结构如图1 所示，单片机STM32 芯片作为主控中心，数据采集模块中包括数字温度传感变送器、烟雾浓度传感器、火焰探测器，以及能够调节报警阈值的键位电路。由于烟雾传感器和火焰探测器都检测的是模拟量，所以要通过A／D 转换电路传送到单片机中。后端的消防联动装置有防火阀、报警装置、应急电源、排烟机、灭火装置等。系统整体结构如图1 所示。

图1 系统结构Fig.1 System structure diagram

2 硬件设计

2.1 微处理器

STM32 单片机是ST 公司研发生产的以cortex-M 为核心的32 位单片机，相较于51 单片机，STM32的功能更为强大，内部集成的资源也更多，能够进行多任务工作。STM32F101R6 是低密度访问线路的微控制器，图2 为STM32 单片机的最小系统。内部集成了以36 MHz 频率运行的高性能ARM cortex-M为核心的32 位单片机，工作温度范围在-40 ℃～85 ℃，电源电压为2.0～3.6 V。

图2 单片机最小系统Fig.2 MCU minimum system

2.2 温度检测模块

本文设计中，温度传感器选用DS18B20 数字温度传感器，其采用的是一线总线技术，由单根数据线和地线组成半双工的通讯方式，只有一根DQ线来传输数据，所需的元器件也都挂在DQ 上。

2.3 烟雾浓度探测模块

模块采用MQ-2 烟雾传感器。由按键模块、复位电路、晶振电路、AD 烟雾采集模块构成。图3为MQ-2 烟雾传感器铁电路图。该传感器由半导体二氧化锡构成，当环境温度较高时，二氧化锡会与空气中的氧气发生化学反应形成氧离子，半导体二氧化锡中的电子数量减少，使得其电阻值增加。在与空气中的烟雾颗粒接触之后，如果晶粒间处的势垒受到烟雾的调至而变化，在表面的半导体的导电率也会随之变化。烟雾中的颗粒浓度越高，半导体的导电率就会越大，模拟信号的输出也会越大。

图3 MQ-2 电路图Fig.3 MQ-2 circuit diagram

2.4 火焰探测模块

系统中火焰探测模块采用单片机设计的光敏电阻火焰探测器来代替。模块工作时，将光信号转换成电信号后，对应引脚的数据传入单片机中，信号通过控制电路，若探测到火焰，控制蜂鸣器发出报警提示，并改变数码管的数值。

2.5 消防联动装置

消防联动装置包括：声光报警电路、应急电源、防火阀以及灭火装置，采用LED 灯和蜂鸣器组成声光报警。当温度、烟雾浓度其中一个达到设定值，或者探测到火焰信号时，发出声光报警。

应急照明在回路中需要2 根线，一根连接在应急电源上，在火灾发生时能够为照明回路提供电源，另一根则接在普通的照明线路中。在发生火灾或其他紧急情况时，能够自动切换到应急电路中。

防火阀和灭火装置主要由继电器来控制，继电器在工作时，衔铁因继电器通电产生电磁力，形成闭合回路，电磁铁断电时失去磁性，衔铁被弹开，切断工作电路。消火栓的给水量分配无须依据经济因素，主管道的水量应保持在最大状态，其余的水流量应进行智能分配。

3 软件设计

3.1 主程序设计

系统中主要由主程序模块、温度检测模块、烟雾以及火焰探测模块、LM016L 液晶显示模块、按键设计模块等。主程序负责在启动系统时，完成显示屏的初级显示、开外部中断、判断系统是否发出报警以及执行相应的子程序，完成系统功能。

系统进入工作状态时，首先进行初始化，然后对影院的温度、烟雾浓度、是否有火焰进行数据采集并传入单片机。根据影院的环境进行温度值和烟雾浓度值的设定，随之开始相应的数据采集和检测。当有对应的数据达到甚至超过设定的阈值时，发出声光报警，同时进行火焰的探测，当其中之一到达设定值时，发出声光报警，启动消防联动装置和灭火装置。主控程序流程如图4 所示。

图4 主程序流程图Fig.4 The flow chart of main program

3.2 温度传感器程序设计

当温度传感器工作时，总控制线会发出温度转换指令，将产生的温度数据存储到寄存器中，单片机通过DQ 单线接口读取到该数据。温度探测流程如图5 所示。

图5 温度探测流程图Fig.5 Temperature detection flow chart

3.3 显示屏程序设计

设计中采用LM016L 液晶显示器，其中控制器是HD44780。在HD44780 输入控制指令来控制显示屏，其主要的控制指令有：地址归位、清屏操作、设定输入模式、显示控制、功能选择设定DDRAM 及CGRAM的地址等。

3.4 设计效果

本系统的运行环境是影院内，所以将报警的温度设定在45 ℃，烟雾浓度达到的报警值设在15%。在系统正常工作时，即温度和烟雾浓度都不超过设定值时，报警系统和消防联动装置不工作。

图6 正常工作时的状态Fig.6 State during normal work

当温度或烟雾浓度超过设定的阈值时，系统进入工作模式，发出报警，并且启动消防联动装置。

图7 温度超过报警值时的状态Fig.7 The state when the temperature exceeds the alarm value

从以上仿真效果图来看，本系统的反应迅速，火焰、温度、烟雾浓度三者其一达到设定的阈值时，便可迅速的启动灭火及后续的消防联动装置，为影院的火灾救援提供了很好的帮助。

4 结束语

本设计以单片机STM32F101R6 为核心，连接LM016L 液晶显示器，蜂鸣器以及搭配DS18B20 温度传感器，MQ-2 烟雾浓度传感器等构成的一个影院消防控制系统。该系统可对影院内的环境进行实时监测，当温度、烟雾浓度超过设定值，发出报警并启动消防联动装置以及进行灭火操作。该设计不仅达到了预期效果，并可为进一步研究和推广提供了一定的参考价值。