基于ESP8266 和Zigbee 的宿舍火情监测预警系统

田羿，胡佳星，谭鸿棣，祝光，李双科，李豪现

（武汉理工大学信息工程学院，湖北 武汉 430070）

当今社会，机关、学校、企事业单位的单身职工、学生多居住于集体宿舍。众所周知，集体宿舍由于人多物杂，稍有不慎便会留下火灾安全隐患，造成严重的人员伤亡和财产损失。当今广泛应用的火灾监测系统监测手段单一，智能化程度低，难以进行精细化的管理。Zigbee 有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点。这些优点使得Zigbee 和无线传感器网络完美地结合在一起。基于ESP8266 和Zigbee 的宿舍火情监测预警系统传输延迟低、数字化程度高、能耗低，不仅可以对火灾进行预警，而且可以为后续的火情处置及溯源工作提供更多维度的数据支撑。系统设计体现了以人为本、服务为民的精神。

1 系统的总体设计

根据预警系统设计要求，系统总体设计方案如图1所示。

图1 系统总体设计方案

火情监测预警系统由监测终端节点、无线传输网络以及在线控制平台3 个部分组成[1]：①监测终端节点主要由火焰、烟雾、气体、温度4 种传感器以及Zigbee控制芯片组成，其主要功能是对环境参数的收集并将其上传至协调器；②无线传输网络由Zigbee 协调器以及ESP8266 控制芯片组成，主要负责对各终端数据的整合并将其上传至服务器；③在线控制平台的主要功能是对各节点数据进行可视化，并对传输系统下达简单的指令，调整系统的工作状态。

2 系统的硬件设计

2.1 电源模块的硬件设计

系统使用AMS1117 作为稳压芯片，AMS1117-3.3是一种输出电压为3.3 Ⅴ的正向低压降稳压器，输入电压为5 Ⅴ，在输入端加入2 个滤波电容，分别滤除幅度较小和较大的波动，输出端同样接入2 个电容作为滤波的同时避免因通电和断电产生的脉冲对系统造成损伤[2]。模块设计了2 种供电模式，分别是USB 供电和电池供电，正常情况下可以外接220 Ⅴ转5 Ⅴ的变压器依靠室内的插座供电，紧急情况断电时可以依靠备用电池供电，保证了系统工作的稳定性。电源模块原理如图2 所示。

图2 电源模块原理图

2.2 温度检测模块的硬件设计

由于火灾现场往往能达到较高的温度，所以温度传感器的测量范围应当足够宽，才能为火情处理提供支撑。温度传感器使用LMT85LP，该型号兼容3.3 Ⅴ的电源电压，输出信号为模拟信号，测温范围为-50～150 ℃满足设计需求。与此同时，该传感器电路设计简单，只需与单片机引脚串联即可，节约了电路板空间。

2.3 火焰检测模块的硬件设计

红外线火焰检测装置是利用火焰亮度和闪烁频率来判断火焰的真实存在，火焰燃烧会产生大量的红外辐射，远远超过日常生活中能够产生的红外强度。火焰监测模块通过一个电压比较器，将输入的红外辐射转化的电压与基准电压比较，从而判断是否有火焰产生[3]。

2.4 气体检测模块的硬件设计

火焰不完全燃烧会产生CO，而且会有大量烟雾产生，因此监测模块需要实时测量空气中CO 和烟雾颗粒的质量浓度，作为判断火情的依据。烟雾和CO 传感器选择MQ-2 和MQ-7，其技术较为成熟，成本低廉，适用于本场景。可燃物未充分燃烧产生的CO 和烟雾扩散到气体传感器时，其输出端电位的变化就同质量浓度的变化直接有关，通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小，便可检测出CO 和烟雾的质量浓度，并且有很宽的线性测量范围。传感器只能用5 Ⅴ电源供电，为了使其输出的模拟信号能够被单片机测量，在其输出端口设计了分压电路。烟雾和CO质量浓度测量电路原理如图3 所示。

图3 电源模块原理图

2.5 终端节点主控模块的硬件设计

终端节点的主控模块需要采集传感器信息并实现基于Zigbee 协议的射频通信，系统选择亿佰特公司出品的E18 系列Zigbee 自组网模块。该模块以TI 公司的CC2530 芯片作为主控，并将其引脚引出加以封装，简化了电路设计。由于该芯片的串口通信电平为3.3 Ⅴ，而系统使用5 Ⅴ电压作为通信电平，所以在P1.4、P1.5引脚处串联3 k 电阻以作保护终端节点主控模块原理，如图4 所示。

图4 终端节点主控模块原理图

2.6 USB 转串口模块的硬件设计

系统选择CH340C 芯片作为串口转换芯片，该型号芯片应用广泛，工作性能稳定，而且不需要外接晶振，大大简化了电路设计。根据数据手册，5 Ⅴ供电的该芯片需要在4 号引脚串联0.01 μF 的电容后再接地。

2.7 协调器的硬件设计

协调器要与所有终端节点进行通信，并实现与互联网的连接。系统使用ESP8266 作为主控，该芯片功能强大，而且能够接入Wi-Fi，符合使用情境[4]。与终端的通信依然选用E18 自组网模块，通过ESP8266 发送的串口指令控制其在协调器模式下工作。E18 与ESP8266 的连接如图5 所示。

图5 E18 与ESP8266 的连接原理图

2.8 终端与协调器的PCB 设计

由于系统需要进行Zigbee 通信这一高频通信部分，所以印刷电路板在设计时充分考虑了可能存在的干扰问题，将E18 芯片的天线伸出板外。并在物理层上远离电源、串口等可能产生干扰的部分，系统的通信质量得到了一定的保障。

3 系统的软件设计

系统的软件开发使用Arduino 集成开发环境对ESP8266 进行编程，软件主要分为Zigbee 收发模块、数据整合处理模块、网络通信和工作管理模块3 个部分。

3.1 Zigbee 收发模块的软件设计

由于系统直接使用亿佰特公司的E18 自组网模块作为节点的主控芯片，所以在组网方面不需要进行额外的工作。为了增强网络的可靠性，系统采用如图6所示的节点网状连接方式，每个节点在加入网络时都会被自动分配一个短地址ShortADDR，这个短地址是在加入网络时随机分配的，具有不确定性，但是每个Zigbee 设备在出厂时有固定的8 Byte 长度的MAC 地址，协调器可以根据这个确定的MAC 地址获取每个设备在当前网络中的短地址。

图6 系统采用的节点网状连接方式

系统开机后，ESP8266 首先入网，向服务器发出请求，读取存储在服务器中的设备MAC 地址并将其存储在本地，这种获取地址的方式和直接将地址存储在本地相比扩展性更好。在存储了所有设备的MAC 地址后，ESP8266 向协调器发送指令读取组网状态，待组网完成后，根据已有的MAC 地址获取每个设备的短地址。随后，ESP8266 通过AT 指令按照有无火焰产生、CO 质量浓度、烟雾质量浓度、温度的顺序依次点播，获取每一个节点的监测数据并存储。

3.2 数据整合处理模块的软件设计

数据整合处理部分对协调器传来的节点数据进行处理，并向自组网络发送指令。终端设备使用的传感器均为模拟信号，通过芯片自带的ADC 转换器读取电压值送入协调器再传入ESP8266 完成模拟电压值到实际浓度或温度的换算。LMT85LP 模拟温度传感器的输出电压随温度的变化线性变化，其电压-温度曲线如图7 所示，经过换算可以得到实际温度值。气体传感器所使用的气敏材料的电导率在洁净空气中较小，随空气中其他气体质量浓度的增加而增大。由于两种气体传感器都以洁净空气作为标准，故在实际应用中很难得到精准的质量浓度数值。系统将CO 和烟雾的质量浓度分为三档，分别是“安全”“过高”“危险”，分别为其设置合适的阈值电压定性监测气体成分。

图7 LMT85LP 模拟温度传感器的电压-温度曲线

在该模块还要完成火情判断，若火焰传感器检测到火焰产生，则直接判断为有火情并向服务器和监测终端发送报警信号；若火焰传感器没有检测到火焰，但烟雾、CO 的质量浓度或温度中的一项或几项有升高的趋势，则判断为有火灾风险，并向服务器和监测终端发送提示信息；若检测到温度快速升高，CO 和烟雾的质量浓度处于“过高”或“危险”，则判断为有火情并向服务器和监测终端发送报警信号。

3.3 网络通信和工作管理模块

ESP8266 模块支持STA/AP/STA+AP3 种工作模式，系统中选择STA 模式即ESP8266 模块通过路由器连接互联网，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程控制。设置要接入的Wi-Fi 名、密码、服务器地址和私钥，即可实现串口透传[5]。

系统有2 种工作模式：当未检测到异常时，系统工作在低功耗状态，终端节点休眠时间长、数据发送频率低，能有效节能；当接收到监测终端的提示信息时，ESP8266 控制系统进入警戒模式，系统取消休眠，高频率监控各个节点的各项指标，以求对火情的发生进行最实时的跟踪和报警。

4 结语

本系统应用ESP8266 作为主控制器，结合ZigBee技术进行无线传输，使用火焰、气体、温度等传感器构成监测系统，实现对宿舍火情的监测预警。系统运行结果表明，该设计方案切实有效，具有一定的应用价值。