基于物联网技术的火灾预警系统设计
2022-09-21张孟媛张莹
张孟媛，张莹
（1.山东英才学院工学院，山东济南，250104；2.济南幼儿师范高等专科学校，山东济南，250307）
0 引言
火灾预警装置是人类同火灾斗争必不可少的有力武器，在现代建筑防火中具有极其重要的作用。在所有灾难中，火灾是危害公共安全和社会发展的最常见的重大灾害之一，在新标准中，火灾被定义为时间和空间不受控制的燃烧。其中的家庭火灾常常因为事发突然，无法得到迅速的救援，而造成无法挽回的损失。
对于火灾而言，预防远比灾后补救重要的多，但由于目前火灾预警系统仍存在成本、技术等问题，应用不广泛。本装置目的旨在火灾还未发生时或者发生的早期，通过准确地判断火情、预报火警，最大限度的保障人民的生命、财产安全，有效降低城市火灾发生率以及带来的损失,提高城市火灾救援效率和消防服务水平。
1 系统整体设计
本系统主要由信息收集、数据中心和传输警报三部分构成。本项目旨在设计一个结合ZigBee传感技术、GSM（全球移动通讯系统）、蜂 窝移动通讯技术与可动态化监控的火灾预警系统，达到提前预警，以降低火灾带来损失的目的。本项目计划利用ZigBee低功耗的特点，通过无线组网通讯技术，使其将数据准确传送到总装置处，提高工作效率，降低使用成本，可有效延长系统工作时间；利用GSM，通过在系统中安放的SIM卡实现与手机通信，保证在第一时间获取相关信息，用户可以通过短信及手机连接的动态化监控装置了解火灾情况，以实现用户对火灾的充分掌控；在必要时，利用蜂窝移动通讯技术，可直接将用户获知的信息发送给消防中心，极大程度改善了因用户语言障碍、情绪波 动而导致火警获取信息有误，造成更大的损失。工作流程如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 控制板块
采用51单片机设计方便，结构简单，修改或扩充都较为方便，具有规整性、灵活性、可维护性高的优点，并利用ZigBee网络（由一个协调器以及多个路由器和多个终端设备组成）进行检测节点数据之间的传输，并汇总至总节点。
2.2 环境火灾检测板块
它主要由远程红外火焰传感器、双金属温度传感器和烟雾探测器组成。火焰灯的波长760～1100nm，红外传感器检测到700nm～1000nm范围内的红外光，与火焰高度一致。因此，红外线炎症可以将红外线外部强度的变化转化为电流的变化。A/D转换器反映值在0和255之间的变化。外部红外线越强，值越低。红外线越弱，值越高。然后，随着火灾的发生，温度在短时间内发生了很大的变化。使用双金属温度传感器，金属材料比其他金属具有更大的可扩展性，这使得折叠板材并将弯曲曲率转换为输出信号成为可能。此外，当没有烟雾时，即探测器工作，当离子流平衡时，其参考输出相对稳定。如果有烟雾，电流将发生变化，参考点电位将根据-160置换烟雾的大小发生变化；改变可能性以评估烟雾的存在并执行自动烟雾监测。这三种装置具有较高的灵敏度、稳定性和可靠性，广泛应用于各种火灾报警系统中[1]。
温度传感器模块电路图如图2所示。
图2 温度传感器电路
本次设计的烟雾监测原理图如图3所示。
图3 烟雾传感器电路图
2.3 监测及定位装置板块
各测量节点处装有摄像头，必要时用户可选择打开摄像装置进行观测，满足用户离家时，及时了解家中情况的需求。在总结点处存放用户家庭住址信息，在必要时便于消防员获取，进行抢救。
2.4 数据存储板块
这一装置中存在特定的数值（如烟雾浓度、温度），在总节点处再次对各分节点进行传感器数据的读取分析，预警系统报警判断条件是数据值大于等于一项存储在总节点处的正常范围，在超过的情况下触发警报。这一板块主要负责数据的存储和火灾监测，判断是否有火情的发生，并将数据实时保存。
2.5 传输报警板块
测定值超过正常范围后，系统自动发送声音警报信息，GSM模块向预先设定的电话号码发送警报信息[2]，用户可根据需要使用平台软件打开摄像头，一触即发出警报设备可以通过蜂窝移动通信技术将主节点存储的位置信息传递到火灾报警中心（包括防火点位置、楼层防火图等）。发生火灾时，用户可以使用平台软件打开摄像头，必要时按一键报警按钮，按下取消按钮即可取消警报，该装置可以发送存储在主节点中的位置信息（包括防火点位置、楼层防火图等）。火灾报警中心采用蜂窝移动通信技术，经业主同意，消防队员可使用相机进行动态监测，传感器检测人的红外信号，消防队员可进行应急救援[3]。
2.6 主控制器
检测装置主要由远红外火焰传感器、双金属温度传感器以及烟雾检测电路构成，这三种传感器电路利用导线连接在同一块电路板上，同时工作、传输数据。传统火警系统中通常只含有单一的测量传感装置，可能存在无法及时发现火情的情况发生，本装置采用三种传感测量器，极大程度上提高了及时发现火情的几率，同时由于三种传感装置一起工作，在一定程度上减少了火情误判的可能。
微型计算机单片机是通用名为英特尔8051的单片机教学系统，为U380单片机命名为Magnum 12290。Intel 8051单机控制端壁12290在单片机指令系统中的实现。51单片机的指令系统、内部结构相对简单，8051单片机通常至少具备以下功能和外设：8位CPU、程序存储器（ROM），寻址空间64KiB、数据存储器（RAM），寻址空间64KiB、4组8位共32个输入输出口、5至6个中断源，分2个优先级、全双工串行口。
2.7 ZigBee板块
ZigBee是一系列短距离运行的低数据传输速率电子设备的新无线通信技术，因为无线ZigBee通信技术允许基于特定无线节点的数千个微传感器之间的协调通信该技术通常被称为RF Lite家庭无线技术和Firex无线技术[4]。无线ZigBee通信技术还用于存储计算机装置与一系列数字装置之间的电缆，以相互通信或利用因特网还可以应用于基于无线通信的小型控制和自动化，其可以在不同的数字设备之间建立无线连接。
本次单片机系统采用5V直流电源进行供电，图4是其硬件电路原理图。
图4 系统硬件原理图
2.8 复位按键
本次设计是按键复位方式，此电路是当按键被按下时，相当于一个上电复位；当按键压下时，RST端通过电阻和+5V的电源相连，保证提供宽度的阀值电压来的完成复位。单片机最小系统由3个部分构成，即电源电路单片机和晶振电路，但是不可忽视的是复位电路的重要组成部分是复位电路。单片机启动时，必须复位。实际上，复位也可以理解为从零开始执行的单芯片机器程序。因为执行程序的话，单片机不会像人一样思考，不会根据命令处理数据或中断数。据单片机的初始化，实际上是从一开始就执行程序。我们经常能看到电脑崩溃的现象，需要重新启动电源。可以将CPU或其他功能设为原来的模式，从单片机的主要功能开始工作。执行程序时，需要初始化8051芯片机器。实际上，在记述程序的时候，很多模块和芯片在记述程序的时候需要记述初始化。这不仅仅是整理之前放置的数据。因此，单片机复位看起来相对简单，但实际上是非常复杂的操作过程。每个芯片机器都有复位功能，电源切断后也需要复位。例如，当应用程序被执行到问题映射中时，通常需要使用开启设置和关键设置重置按键操作。这个设计是重置模式。程序执行后，可以将CPU直接控制为启动重置模式。与接通时的复位电流对应，RST端由电阻器与+5V电源连接，确保宽度的阈值电压，完成复位。按键复位电路如图5所示
图5 复位电路图
3 结论
火灾是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一，由于目前火灾预警系统仍存在成本、技术等问题，应用不广泛。本系统设计了一种基于物联网技术下的无线火灾智能预警系统，通过该系统不仅可以检测用户火情，及时发现火灾隐患和火灾，通过警报方式提醒用户，并在有需求时进行一键报警；还可以利用视频功能对房屋进行动态化监控和定位功能在火灾发生后大大缩短搜救时间，在最大程度上减少人员伤亡与财产损失。通过该系统能够及时发现火灾, 实时掌握火灾发生位置, 还可以实现多个部门及个人的联动.该系统通信成本低、电池寿命长, 而且可有效地降低城市火灾发生率, 提高城市火灾救援效率和消防服务水平。
