基于物联网技术的智能消防控制系统设计

何建强，杨振宝，王边驰

（商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛 726000）

火灾给全国人民的生命和财产安全造成了巨大的损失，且火灾发生率还在逐年攀升[1]。根据我国消防部门公布的数据，近十年来重大火灾事故近千人死亡，造成财产损失近5亿元[2]。随着人民生活水平的逐步提高，各种电器设备也在逐年增加，发生重大火灾的概率也会增加，如何有效地保护和提高家庭用电安全，预防火灾发生是人们必须面对的问题。传统的消防系统是有线网络进行传输，成本高、难铺设、易老化，对灾情信息发现不及时，火灾蔓延时不能准确地发现重大灾情，错过宝贵的消防联动逃生机会和时间，造成重大人员伤亡[3]。本文将物联网技术与智能消防技术融合，利用物联网数据传输快的优点，补齐传统消防系统的短板。利用多个不同传感器实时采集火灾相关信息，随时将火灾信息经过Wifi无线传输模块上传至服务器中，单片机对当前信息进行有效判断，将结果反馈到手机APP端。用户可以随时从手机端查阅火灾信息，一旦发生火灾，单片机会根据感知层感知信息实时报警、断电、打开灭火系统，为火后安全逃生或营救赢得宝贵时间。

1 系统总体方案设计

物联网技术的消防智能控制系统由火灾探测模块、数据传输模块和信息处理模块组成，火灾探测模块主要检测是否有可燃气体和是否存在明火。火灾探测模块中的传感器将光电信号转换为电流信号，并在该电路中完成I/V转换。得到的电压信号接入单片机进行模数转换，得出转换后的数值。一路通过数据传输系统上传至手机APP，一路通过单片机显示至显示屏。最后使用单片机进行判断是否发生火灾，同时将判断结果发送至手机端APP。系统设计总框图见图1。

图1 系统设计总框图

2 硬件设计

2.1 数据处理系统电路

电路的数据处理系统为STM32最小系统（STM32F103C8T6、复位电路）。以单片机芯片STM32F103C8T6 为核心[3]，加上 1 个 10 μF 电容与1个10 kΩ电阻构成复位电路，如图2所示。

图2 数据处理系统电路

2.2 无线传输系统电路

本系统使用ESP8266作为数据传输芯片，使用MQTT作为数据传输协议，TXD0和RXD0是该模块的通讯引脚，与单片机之间进行数据通讯，发送脚TXD连接单片机IO口PB11，接收脚RXD连接单片机IO口PB10。

2.3 传感器电路设计

温湿度传感器采用DHT11，该传感器共有四个引脚，其中VDD脚接电源正极，DATA和NC为信号线，接单片机PB0口。

烟雾传感器选用U4 MQ-9，硬件连接电路如图3所示。其中1脚与3脚相接实现TTL电平输出，连接单片机PA3脚；6脚与4脚相接实现模拟量输出，连接单片机PA4脚；5脚接VCC，2脚接GND。

图3 烟雾传感器U4 MQ-9的电路连接

2.4 灭火系统电路设计

整个灭火系统共包括三个部分：火焰和可燃检测报警[5]、排烟系统和灭火喷淋系统。报警系统是通过单片机控制一个有源蜂鸣器，实现报警功能。排烟系统使用一个12 V，2 W的风扇连接继电器实现开关实时控制。灭火喷淋系统使用了12 V，2 W的常闭式电磁阀控制消防喷淋管道，并连接继电器实现开关可控。

3 软件程序设计

软件主要针对实现火灾探测模块、数据传输模块和信息处理模块的功能进行设计。火灾探测模块主要负责进行数据采集，数据传输模块主要进行信息传递和信息交互处理。信息处理模块是用户基于感知层信息的不同应用做出的反应，即手机端对于系统的控制，从而使用物联网实现智能化控制。

3.1 火灾探测模块

火灾探测模块主要为温湿度检测和火焰检测。系统根据传感器检测到的信息判断是否发生火灾，并将传感器检测到的信息传给网络层，通过网络层将传感器实时检测信息通过服务器传送至手机端，为用户的下一步决断提供判断依据。火灾探测流程如图4所示。

图4 火灾探测流程图

3.2 无线传输模块

无线传输模块是整个系统的网络层，主要进行各个模块之间的信息传递和信息交互、处理。通过MQTT传输协议将感知层采集的信息进行发送传递[6]。程序流程如图5所示。

图5 无线传输流程图

3.3 灭火系统

灭火系统是通过继电器控制排烟扇、家用空开控制器和喷淋系统，当火焰传感器检测到明火时，蜂鸣器开始报警，用户可以通过手机端APP控制继电器模块实现断电，打开喷淋系统和排烟扇等灭火操作。灭火系统程序控制流程如图6所示。

图6 灭火系统控制流程图

3.4 手机端APP设计

APP简要控制流程如图7所示。

图7 手机APP简要控制逻辑流程图

手机APP的设计使用APP Interver2。它是一款全中文的APP在线设计网站，采用中文逻辑图进行控制，简单易用，操作方便[7]。下位机将采集到的数据通过无线模块传输至服务器，手机APP读取服务器信息[8]，并完成显示。

3.5 手机端APP设计实现

用户根据所反馈的实时信息，决定打开或关闭某些应用。根据APP的设计逻辑，对其所实现的逻辑功能进行统计，记录其是否实现，并根据统计数据对APP进行改进[9]。APP设计逻辑图如图8所示，制作完成的手机APP界面如图9所示。

图8 APP设计逻辑图

图9 手机APP界面

4 系统测试

各模块设计完成后，联调整个系统，测试各部分功能是否正常[10]，数据是否合理。硬件实物模型如图10所示，各个模块测试如表1所示。

图10 硬件实物模型

表1 智能消防控制系统测试

5 结论

本文给出了一种简单易行的智能消防解决办法。设计主要以ESP8266为核心，通过采用模块化、层次化的电路设计，以硬件设计为主，软件程序编写为辅，并且采用主流火焰检测传感器与无线通讯模块实现对实时信号的检测与传输，再运用单片机STM32F103C8T6进行数据分析和处理，为显示电路提供信号，达到了测量温度、湿度、可燃气体的目的，实现了相关参数的自动监测，消防联动的功能。