一种智能实用型公寓楼防火监测系统

覃春武 朱剑锋 李槟材 谢好 常梅芳

摘 要：为解决传统安防系统存在的成本大与功耗大等问题，提出一种智能实用型的防火监测系统，系统由APP、管理终端、烟雾报警器组成;在APP可实时远程监测公寓楼每个房间的火情，根据火情温度变化进行智能预测生成安全的逃生路线;管理终端采用UPS不间断电源实现掉电保持正常运行。烟雾报警器自带电池，由ZigBee定时采集数据并传输。该设计具有功耗低、实用性强、安装便捷等特点，能为公寓楼提供高效的安全保障。

关键词：防火监测;烟雾报警器;ZigBee;UPS不间断电源;

1 引 言

随着经济的不断发展与高层建筑物的不断增加，对公寓楼的智能防火监测报警系统的要求也越来越高。火灾事故的发生会对生命安全造成威胁，所以选择一个智能的防火监测系统十分重要。市面上的防火系统多数采用有线式，安装及改造成本较大、维护难度高;虽然市面上也有采用无线式，但存在实用性较差、功耗高、短时间内停电无法实时监测等问题。本系统正好解决了这些问题，烟雾报警器采用光电检测方式使其制造成本低与安装便捷等优点 [3]。系统可在APP实时定位火情;系统均采用电池供电达到掉电运行功能，具有功耗低、实用性强等优点，使其该系统更具有发展前景。

2 系统总体设计

2.1系统管理终端结构设计

防火监测系统框图如图1所示，主要由APP端、系统管理终端、烟雾报警器三部分组成。

系统管理终端也为网关设备，通过ZigBee网络采集到多个烟雾报警器节点的数据，再通过WiFi网络将数据上传到云平台及手机端APP进行显示。当采集到某房间的烟雾报警器节点发生烟雾弥漫或温度超过阈值时蜂鸣器高声报警，管理终端会通过GSM模块实现自动拨打电话给房东或小区物业管理，以便及时发现并处理;可以根据公寓楼多个室内温度变化进行智能预测生成安全逃生路线。系统管理终端采用UPS不间断电源实现掉电运行功能，当市电停电后，系统会自动的切换为备用电源来供电保障系统的正常运行，通过电压检测电路测量电池电量，防止电池过度放电导致损坏;当市电恢复后则自动的切换为市电供电，再自動为电池进行充电，充满时自动停止，有利于延长电池使用的寿命。

手机端APP主要实现与安防管理终端的数据交互，用户可以通过手机查询公寓楼的烟雾与温度情况，当发生火情时可以快速查看火情位置以便从安全的路线快速逃生。烟雾报警器采用ZigBee作为无线传输烟雾与温度数据，ZigBee终端节点定时采集烟雾、温度数据传输至网关的ZigBee协调器，从而传输至主控制器通过WiFi与云平台转发到手机端APP。

2.1.1 主控制器

智能安防系统的主控制器采用ST公司的STM32主流单片机，具有先进的Cortex-M3架构，数据处理快、传输速率高，具有ADC、DAC、DMA等丰富的内部资源，比传统的8051单片机性价比高，因此开发起来较为便利，能够快速地完成开发和投入市场。

2.1.2 无线网络通讯模块

系统无线网络传输技术传输均采用集成模块，主要由WiFi、ZigBee、GSM无线模块组成。

ESP8266无线模组，是由安信可自主开发的高性价比WiFi SoC模组，该系列模组拥有国际标准的IEEE802.11b/g/协议，并内置了TCP/IP协议栈。该模块既可用以实现设备的连接，也可以形成自己的网络控制器，支持AT指令开发和SDK开发[1]。

ZigBee无线模块使用亿佰特电子公司自主研发的ZigBee自组网模块E18-MS1， E18-MS1模块采用TI公司的CC2530射频芯片，内部具备8051单片机及无线收发器，出厂自带固件基于ZigBee协议实现的串口数据透传，使用UART通讯接口进行串口指令通信，可以快速实现二次开发，具有自组网灵活、超低功耗等特点，低功耗模式下待机功耗小于2uA[2]。使用ZigBee技术的感应节点及协调节点均具有功耗低、成本低、延时短、大容量、可靠性高等特点，能够满足系统安防检测的需求[2]。

GSM无线模块采用SIM808模块，该模块是一款工业级且高性能的GSM、GPRS、GPS多功能模块，可以低功耗实现语音、短信、彩信、数据的传输[3]。模块板载USB转TTL串口电路并支持单独TTL串口连接，使用AT指令进行二次开发，具有移植性高、开发效率快等特点[4]。

2.2烟雾报警器节点硬件结构设计

烟雾报警器节点硬件结构框图如图2所示，主要由电源稳压电路、STM32L0单片机、ZigBee模块、传感器检测电路、指示灯与蜂鸣器报警电路组成。主控制器采用STM32L051C8T6单片机低功耗系列处理器，主控制器通过串口与ZigBee模块进行通讯，定时控制ZigBee模块切换工作模式，当需要采集数据时唤醒进入工作模式，当无需传输数据时则进入低功耗待机模式。为减少系统不必要的功耗，系统方案基本都采用低功耗方案设计，使得烟雾报警器可以超长待机。

2.2.1 烟雾检测方案

烟雾检测采用红外光电式检测方案，采用红外对射管实现光电式反射检测原理，当发射红外光源时，处于正常情况下，红外接收头是无法接收到红外光源的;当发生火灾时，烟雾粒子进入烟雾迷宫，光源就会发生反射现象，从而导致红外接收管的模拟电压发生变化，烟雾越浓，模拟信号变化越大，从而能检测出烟雾的浓度[5-10]。

3系统软件设计

3.1系统管理终端网关设备程序设计

安防系统的管理终端程序流程图如图3所示，系统初始化后开始控制ZigBee协调器建立ZigBee网络，以及定时10秒采集电池电压，防止电池过度放电导致损坏。使WiFi模块连接至路由器与云平台服务器，当网络连接成功后将ZigBee网络采集到的节点数据进行温度智能预测，把检测结果显示在LCD屏幕并通过WiFi上传至云平台及手机端APP。电池电量采集部分采用节能式采集方法，当需要测量电压时再使能采集电路，采集完电压后再断开测量电路，通过程序实现节能采集，减少产生不必要的耗电。

3.2烟雾报警器节点程序设计

安防系统的烟雾报警器程序设计流程图如图4所示，系统初始化后即加入ZigBee网络，主控STM32单片机采集烟雾、温度、电池电压等数据通过ZigBee网络传输到系统管理终端的ZigBee协调器，如果采集的数据存在阈值异常，则启动蜂鸣器进行报警;采集与上传数据后系统是处于空闲状态，所以此时主控控制ZigBee模块进入待机模式，主控也进入STOP模式，使用内部RTC定时唤醒功能，定时3S唤醒与ZigBee模块再次进入数据采集上传任务，以此轮询实现低功耗的烟雾检测功能。

4结论

本设计结合了电子技术、单片机技术、无线通讯技术等结合实现了一套智能防火监测系统。系統管理终端采用UPS不间断电源，以确保系统断电也能正常的实时监测，完成了低功耗的无线远程烟雾实时监测功能，智能预测室内温度变化，以实现火情智能逃生路线的实用功能。使用烟感与温感双重检测火情，使系统具有更好的稳定性与可靠性等优势，且系统的功耗低、实用性强、成本低等优点，可为公寓楼提供高效的安全保障。

参考文献：

[1]何锦淳，李爵成，李丹.基于STM32的智能安防系统[J].物联网技术，2020，10（05）：49-54.

[2]赵民生.基于物联网ZigBee技术的消防报警系统的设计与研究[J].今日消防，2021（1）：39-41.

[3]黎文炎，段淑玉.基于GPS/GSM及超声波测距的智能导盲手杖设计[J].电脑知识与技术，2017，13（35）：263-265.

[4]王颖，陈梁洁，丁孟飞.基于GPRS的智能家居环境监测控制系统设计[J].电子制作，2013（24）：32-32.

[5]宋清亮，阮颐，邓正敏.一种基于MCU的光电式烟雾报警器设计[J]. 集成电路应用， 2018， 35（04）： 63-65.

[6] Ehow Ye.基于RE46C190的3V光电烟感器实现方案[M].Microchip Technology Inc， 2013.

[7] 陈涵. 机房监控报警系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2011.

[8] 徐良芝.CC2530在智能烟雾检测报警器上的应用[J].安徽电子信息职业技术学院学报， 2012，11（02）：49-51.

[9]宋清亮，阮颐，邓正敏.一种基于MCU的光电式烟雾报警器设计[J].集成电路应用，2018，35（04）：63-65.

[10] 程俊红.基于单片机的烟雾报警器设计[J].信息通信，2014（02）：61.

作者简介：

覃春武（2000-），男，壮族，广西宜州人，北部湾大学本科在读，研究方向：嵌入式系统

通讯作者简介：

朱剑锋（1986-），男，汉族，广西陆川人，硕士，讲师，研究方向：传感技术及信号处理

基金项目：2021年广西壮族自治区大学生实践创新训练项目（项目编号：S202111607033）。