基于多传感器家居火灾报警系统的设计

郭泽琛

（惠州经济职业技术学院，广东惠州，516006）

0 引言

随着生活水平的提高，人们对家居的安全性方面提出了新的要求。家居火灾的事件时有发生，给人们的生命财产造成不可估量的损失，因此防火成了家居安防的重要组成部分。目前家居火灾探测主要是采用单一传感器探测，可测气体种类少、误报率较高[1]。随着互联网的普及，软硬件技术的不断发展，家居防火设备逐步升级。人们通过手机APP随时随地可以了解家庭火灾特征的各环境参数信息，在环境参数超标时可实现现场报警和远程提醒，同时采取一定的应急措施，从而让家居火灾在萌芽状态或是早期阶段及时发现处理，避免生命财产的损失。

1 系统设计方案

家庭火灾常伴随着温度、烟雾浓度、C0气体浓度的升高。家居防火监测系统通过探测相关参数并进行融合判断，得出家庭是否有火灾的结论。该系统包括了上位机和下位机，上下位机信息交换通过WIFI无线网络实现。下位机通过功能引脚获取传感器采集到的温度、烟雾浓度、CO气体浓度等与火灾发生的特征参数信息，并对采集到的数据进行处理，当参数超标时，则进行应急处理，同时现场进行声音报警。WiFi模块通过串口获取到的下位机的环境参数，并上传至云端，上位机通过手机APP对火灾的特征参数进行显示。当参数超标时，WiFi模块会发送相关动作指令，使手机振动与微信公众号信息推送进行提醒。在无网络或弱网络时，只会影响上位机的动作，下位机的声音报警和应急动作并不会受其影响，确保电路在离线状态的时候能够正常保持原有的保护措施。家居火灾监控报警系统的组成框图如图1所示。

图1 火灾报警系统的硬件框图

2 下位机设计

家居防火监控报警系统下位机以8位STM8S单片机为核心，通过传感器对家居环境的CO气体、温度、湿度、烟雾浓度进行检测，外接风扇驱动电路和LED驱动电路，从而实现环境参数的探测、现场报警和相关应急措施。

■2.1 烟雾传感器

家居火灾的发生通常会伴随烟雾的产生。MQ-2烟雾传感器对丙烷、烟雾等有良好的灵敏度，而且测量范围宽，寿命长、低成本、驱动电路简单[2]。本系统先用此型号传感器进行烟雾探测。测试传感器时，加热器电压（VH）交直流电源均可，但测试电压（VC）必须要用直流电源。当检测一定范围内的易燃、有毒气体浓度超过阈值时，电路的蜂鸣器与风扇将会工作，手机端也会收到震动与微信公众号消息的推送提醒，直到浓度降低到阈值以下才会停止蜂鸣器与风扇，有效避免气体中毒和家居因煤气或天然气泄漏造成的火灾或中毒事件。

■2.2 一氧化碳传感器

火灾发生时，CO气体浓度会升高，本系统选用MQ-7一氧化碳传感器对该参数进行探测。该传感器会根据环境一氧化碳的浓度改变电导率，通过外接电路实现CO气体的探测[4]。该传感器的测试电路注意事项与MQ-2相同。

■2.3 温湿度传感器模块

火灾发生的另一个重要特征参数是温度的升高，湿度的降低。环境温湿度的检测选用的是数字化采集的DHT11传感器[3]。这是一款温度与湿度兼备测量的复合传感器，其温湿度的精度和量程范围非常适合家居环境的检测，且干扰性强，外围电路简单，单片机通过单总线就可与DHT11通讯，读取其温湿度的数据，但需注意的是两次测量的间隔最好大于10s。

■2.4 风扇和报警驱动电路模块

该模块主要从成本角度出发，选用三极管驱动蜂鸣器与风扇。当可燃性气体浓度或环境温度超过阈值时，蜂鸣器就会发声进行报警，同时启动风扇，进行排风工作。

■2.5 下位机主控制器

下位机的主控制器选用ST公司的8位单片机STM8S 103F3P6，具有16路GPIO，其中3路可作为PWM输出，5路可以可用于ADC模拟输入，性价比高。该单片机提供四种不同的低功耗模式，有效保证产品的低功耗的性能。

■2.6 下位机程序设计

多传感器家居火灾监测报警系统根据传感器对采集烟雾传感器和温湿度传感器的数据进行转换，当烟雾传感器值超过阈值时，将会启动排风扇，同时进行声报警，同时会发送指令到WiFi模块，用于进行上位机提醒动作。程序流程如图2所示。

图2 下位机主程序流程图

3 上位机的设计

多传感器家居火灾报警系统可通过手机端实时查看家居的温度、湿度、烟雾浓度、CO气体浓度，风扇运行次数，以及温度、湿度、烟雾浓度的历史数据曲线，可显示1小时/24小时/7天的信息变化。当家居环境异常时通过手机振动与微信公众号消息推送进行提醒；且手机端APP也可控制家居LED灯状态。该APP使用点灯科技的物联平台开发，该开发平台提供企业版、专业版和免费版三种技术支持，本系统选用免费版本，该版本支持多种设备接入方式，提供一定的云存储空间、微信通知等强大的功能接口。家居防火监控系统手机端APP界面如图3所示，微信公众号消息推送提醒图4所示。

4 上下位机的通信

上下位机的信息交换采用WiFi无线通信模式，这是一款由乐鑫公司推出的ESP8266 WiFi芯片[5]，它支持SPI、I2C、UART等通信方式，与单片机电路连接简单。ESP8266模块使用了Blinker物联网接入方案，该方案提供手机APP端、设备端、服务端的支持，提供物联网开发所需的API接口。

图3 家居防火监控系统APP界面

图4 微信公众号消息提醒

上下位机通道建立后，服务器会马上发送第一次心跳包确认，之后每30s发送一次，确认下位机设备在线的情况，60s一次的数据上传更新，其时间间隔在合理的范围中，可以满足基本需求，ESP8266会以30s的周期向STM8S获取当前环境参数。通信程序流程图如图5所示。

图5 WIFI通信程序流程图

5 小结

本系统主要是实现了家居火灾特征参数的数字化监测，主控制器对多个传感器检测的数据进行融合判断家居是否有火情，当环境异常时发出报警信息。经测试，该系统可以实时远程采集家居环境温度、湿度、烟雾浓度和CO气体浓度，手机端APP实时显示，数据准确，实时性高。当超过阈值时，能够实现实地的声音报警和应用端的手机振动与微信公众号消息推送提醒，并智能起动排风扇，实现了对家庭环境的监控与现场和远程的报警提醒。