基于ZigBee的室内火灾监测报警系统

费正龙

（安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

0 引 言

随着社会的发展，我国城市现代化程度不断提高的同时，火灾事故也日渐增多。根据2020年火灾数据显示，2020年一共发生25.2万次火灾，1 183人死于火灾，775人因火灾而受伤，一共造成损失高达40.9亿元[1]。火灾是危害公共安全的最常见的重大灾害之一[2]。火灾监测报警系统是人们预防火灾的重要手段，能够在火灾初期及时发现火情为火灾扑救和人员疏散赢得时间[3]，从而大大减少人员伤亡[4]。本文设计一套无线火灾监测报警系统，选用低成本、低功耗的ZigBee无线通信技术，将烟雾传感器、一氧化碳传感器采集到的信息通过STM32单片机处理后无线传输给电脑端实时显示，并在数据异常时发出警报，使负责人提高警惕，起到火灾预警的效果。

1 系统总体结构

本文设计了一种基于ZigBee技术与STM32单片机的室内火灾监测报警系统。该系统以ZigBee通信技术为纽带，通过烟雾传感器、一氧化碳传感器采集数据，将单片机与DL-20模块连接，通过DL-20无线传输模块将信息传送给电脑端，并通过串口打印的方式查看实时显示的数据。当传感器检测到的烟雾等数值超过阈值时，单片机将通过串口给有源蜂鸣器一个下拉信号，触发报警。

2 系统硬件设计

系统采用STM32F103C8T6最小系统板作为主控模块，采用模块化的设计思路，将MQ-2、MQ-7传感器模块，按需求与开发板的各引脚连接。通过单片机接收并处理数据，通过阈值比较的方式来决定是否触发蜂鸣器报警。系统选用DL-20无线串口模块，将单片机串口发送的传感器采集的数据发出。系统硬件接线图如图1所示。

图1 系统硬件接线原理

2.1 最小系统设计

系统选用STM32F103C8T6最小系统板，其拥有48个引脚，电源供电电压为3.3 V，环境适应温度为-40～80 ℃，其可全年在各种温度环境下工作，具有功耗低的优点。最小系统板包括复位电路和时钟电路。复位电路可在每次给系统上电时对系统进行复位，也可在系统需要时进行手动复位。

2.2 通信模块设计

ZigBee是一种低速、短距离传输的无线网上协议，具备低成本、低功耗、低时延、可靠等特点[5]，ZigBee技术免协议专利费、芯片价格低，更适用于无线智能家居的应用场景[6]。

系统选用DL-20无线串口模块，其是一款基于UART接口的全双工无线透明传输模块，采用CC2530芯片，符合IEEE 802.15.4协议，可通过无线将两个或多个串口连接起来。DL-20模块可以配置点对点模式和广播模式，此系统将两个DL-20模块分别配置为A端和B端，在同一个频道下进行点对点通信。在点对点通信模式下可保证数据丢失率为0。使用DL-20与电脑进行串口通信时，需使用CH340芯片。CH340芯片模块是一个USB总线的转接芯片，实现USB转TTL。通过串口的正确连接实现DL-20模块与电脑之间的通信。通信模块实物如图2所示。

图2 通信模块实物

2.3 数据采集模块

2.3.1 烟雾传感器

液化气等可燃气体的泄露是火灾发生的重大隐患，MQ-2传感器通常用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置中，适宜于液化气、苯、烟雾、酒精等气体的探测[7]。此传感器可以测出0.01%到1%的气体浓度[8]。MQ-2传感器共有4个接口，分别为电源、地线、数字量输出管脚DO以及模拟量输出管脚AO，系统将DO引脚悬空，通过AO引脚向单片机输出模拟量，通过单片机的ADC1的通道1将采集到的模拟量转化为数字量，通过转换电压值的变化可以直观反映气体浓度的变化。

2.3.2 一氧化碳传感器

考虑到家中常因电线绝缘层老化破损而发生火灾，常用作绝缘的塑料有聚乙烯、聚氯乙烯等[9]，常用作绝缘的橡胶材料有氯丁橡胶、乙丙橡胶等，不同的有机聚合物在热解时所释放出的大量同类型气体有CO，且CO是火灾早期的标志性产物[10]，测量一氧化碳浓度可有效感知火灾的发生。测量一氧化碳气体含量选用MQ-7型传感器，其对一氧化碳的灵敏度高，传感器的电导率会随着一氧化碳气体浓度的增加而增大，因此可将电导率的变化转换为一氧化碳浓度相对应的信号。同时MQ-7传感器还具有响应速度快、抗干扰能力强等特点，可长期稳定工作，在火灾检测系统中被广泛使用。

3 系统软件设计

系统通过ADC多通道DMA读取的方式，读取烟雾传感器和一氧化碳传感器采集输入的模拟量，经过处理后通过USART3串口将信息经由DL-20模块传输给电脑端实时打印显示。同时当传感器输入的电压值超过阈值时，系统将给PB6端口一个低电平触发蜂鸣器报警。软件主流程如图3所示。

图3 软件主流程

4 系统测试实验

系统通电后，选择使用打火机以模拟可燃气体泄漏，改变空气中可燃气体和一氧化碳浓度，测试输入模拟量的变化。测试结果如图4所示。从数据中容易看出，当气体浓度增加时，传感器输入的电压值随之迅速增加，随后迅速降低。

图4 系统测试结果

5 结 语

本文设计的基于ZigBee的室内火灾监测报警系统，通过采集并比较烟雾和一氧化碳浓度的方式实现及时报警，通过ZigBee技术实现在电脑端的实时显示。系统可放置于室内的各个角落，对潜在的火灾风险进行实时监测，其具有时效性强、通信稳定、功耗低等优点，能够有效地对火灾进行预警。