基于物联网平台的禁烟防火预警系统

王 力，殷明宇

（南通职业大学 电子信息工程学院，江苏 南通 226007）

大学生公寓作为高校人群的密集场所，其室内防火安全问题日益突出。尽管学校从技术上、管理上和宣传上对防火安全进行了监督检查，如宿舍禁止吸烟、禁止使用明火和电器，但是存在部分学生违规吸烟、使用违规电器的现象，甚至出现室内冒浓烟、火灾等严重事件。针对这一现象，不管是人工检查还是视频监控巡查都极大地浪费了人力和财力资源，并且效果也不好。本项目设计的系统具有火灾预警功能，主要以烟雾报警为主，可以实时监测室内温湿度、火情动态并及时做出处理。如何快速准确地发现险情，并根据险情的等级制定出合理的解决方案，是预警系统亟待解决的问题。

1 系统设计方案

本系统的宗旨在于防范险情，系统设备采用烟雾传感器、火焰传感器、温度传感器与ESP8266[1]连接，采集环境信息，提前预知监测火灾的发生，并通过WiFi发送数据，上传到阿里云物联网平台。首先监测宿舍内是否存在烟雾，当烟雾浓度达到设定值后报警。当室内使用明火时，云平台能检测到火焰传感器的数值变化，并发布警告消息。当物体燃烧后，必然导致宿舍温度升高，当检测到温度超过35℃时，网络端检测到温度传感器数值变化，Arduino对继电器模块进行控制，模拟室内水箱阀门启动，喷水灭火。

系统的整体设计方案如图1所示，系统由电源模块、传感器电路模块、单片机模块、WiFi模块、显示屏模块和控制模块等电路组成。

图1 系统设计方案

目前的物联网平台[2]有很多，本系统选择阿里云物联网平台；该平台为设备提供安全可靠的连接通信能力，支持设备采集数据上传到平台，阿里云物联网平台提供接入物联网场景的一整套基础设施和强大的在线配置，实现大规模的物联网场景应用。阿里云物联网平台的功能模块有“产品设备的创建和管理”，可以快速定义产品和设备模型等信息。

阿里云平台是物联网数据服务平台，传感器电路采集数据通过ESP8266上传，通过数据模式存储，实现对宿舍险情事件的检测和预警，平台实现以图表形式呈现动态变化的物联网数据。

微消息队列MQTT协议是阿里云推出的一款面向移动互联网以及物联网领域的轻量级消息中间件，主要承担移动端连接接入、连接管理和数据转发等工作，相当于一个具备无线扩展能力的连接网关；支持标准协议MQTT协议，方便用于连接阿里云物联网平台，实现Pub异步通信。

2 电路设计

2.1 电源电路

电源适配器输出直流电压为9 V，经过7805稳压电路得到5 V电压后，再选用AMS1117芯片的降压模块电路得到3.3 V电源，提供液晶显示屏、烟雾传感器电路模块、火焰传感器模块、温湿度传感器和ESP8266供电。电路如图2所示，设计的电路实现了对整个系统的供电。

图2 电源电路图

2.2 传感器电路

温湿度传感器采用DHT11温湿度复合传感器，DHT11是一款含有已校准数字信号输出的传感器，具有抗干扰能力强、性价比极高的优点。单片机对采集数据使用数字端口，单线总线数据格式，一次通信时间为4 ms左右，能同时测量到温度数据和空气湿度数据。

烟雾传感器采用MQ-2，对烟雾的灵敏度高，是一款低成本的传感器。单片机通过ADC模块来读取烟雾传感器的输出值，当监测到附近有烟雾时数据变化。烟雾传感器的电路设计为比较器电路，设置数字量输出，用于判断是否有烟雾。

火焰传感器采用电压比较电路模块，可以检测火焰或者在760～1 100 nm范围的光源，用打火机测试火焰距离为80 cm，灵敏度可调。电路模块有输出数字量端口和模拟电压输出端口。本系统采用数字量端口，采集室内环境的火焰灵敏度高。

电路可以采用LED灯报警，当室内有火焰和浓烟产生时，可以启动继电器模拟控制装置，以有效预警室内的火灾险情，为学生的生活带来安全保障。

2.3 显示电路

OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）显示技术具有自发光的特性，不需要背光源；模块通电后，有机材料就会发光，OLED显示屏幕的可视角度大、功耗低、视角广、反应速度快，可以显示汉字、图案等。本系统中OLED与ESP8266采用I2C通信，如图3所示，SCL连接单片机的D1引脚，SDA连接单片机的D2引脚。接通电源适配器，对系统设备供电，然后使用万用表测量输出电压，当电压输出正确时，断电，将各传感器模块安装好，再次通电，若OLED屏上显示传感器的数据正常，则可以说明电路的焊接正确。

3 系统程序设计

3.1 物联模块程序设计

如图3所示，ESP8266采集3种传感器的数据，本系统采用最新版本的开源软件Arduino[3]IDE软件进行编程，调用了DHT11库文件，火焰传感器采用数字量端口；烟雾传感器采用模拟量端口，并通过显示屏OLED实时显示数据。

图3 传感器电路图

3.2 WiFi程序设计

无线连接点的网络名称和密码需要在程序中进行配置。如图4所示，WiFi初始化函数用于无线连接调试，判断是否联网；在串口监视器中查看有错误，需要修改一下MQTT源文件的配置参数，最终实现连接成功。

图4 WiFi串口调试程序

3.3 阿里云物联网平台的接入

使用阿里云物联网平台首先要注册账号，可以免费试用企业版一个月。账号注册成功后，创建产品，并定义物联模型，然后创建设备，与产品绑定，获取设备配置的信息。

本系统是基于PubSubClient库的底层连接，上层采用阿里云SDK封装，可以方便发送数据和订阅远程指令，传感器感知环境温度、湿度、烟雾浓度和火势情况，并上报物联网平台，通过云平台集中管理和远程监控学生公寓内的情况，可以预警，将消息发送给钉钉群。程序编写需要下载相关的开源库文件AliyunIoTSDK、ArduinoJson等。如图4所示，云平台的产品ID、设备名称和设备密钥，及时配置和修改。阿里云物联网平台的使用，在程序编写时，调用AliyunIoTSK可以直接使用组装数据，数据绑定并且会自动合并数据，将设备配置信息写入代码，烧录到单片机，就可以实现数据到平台的上传了。

3.4 系统联调

根据电路图2和图3手工焊接电路板[4]，将传感器液晶屏模块，ESP8266模块组装通电，程序设计调试后，打开手机热点，通过WiFi接入互联网，然后登陆阿里云物联网平台，打开IoT Hub控制台，可以看到设备已经接入成功，实时查看室内环境的情况，有火焰和烟雾情况下，物联网平台有显示，云平台还可以设置报警规则，以短信、邮件和钉钉机器人的方式发送给联系人。

打开手机APP[5]可以成功查看室内情况。阿里云物联网平台可以增加预警功能，设置传感器的上限值，当数据超过数值后，会反馈给手机消息和钉钉通知。

4 结束语

本系统的设计成功实现了大学生公寓环境的实时监测，无误差，精度非常高。本系统可以广泛应用于密集的大学生公寓环境系统的数据采集，实现了远程无线监控，并且具有禁烟、防火和报警的功能。将学生公寓建设成网络化的管理技术将深受学生的欢迎，让未来的生活更科学、美好。