姜棗

【摘要】 本系統(tǒng)是基于arduino平臺的火災(zāi)自動偵測預(yù)警系統(tǒng)，使用可燃氣體濃度傳感器，溫度傳感器以及濕度傳感器，捕捉火災(zāi)發(fā)生后火光、煙霧、熱能的變化，然后反饋給監(jiān)測人員，并發(fā)出警報。利用多節(jié)點無線傳輸聯(lián)動機制，闡述了多點聯(lián)動無線火災(zāi)檢測系統(tǒng)的軟硬件流程。測試結(jié)果顯示本系統(tǒng)可有效檢測到火災(zāi)發(fā)生時的物理化學(xué)信號，并及時準確地發(fā)出警報。

【關(guān)鍵詞】 arduino 無線傳輸 火災(zāi)監(jiān)測

據(jù)世界火災(zāi)統(tǒng)計及歐洲共同體研究測算，火災(zāi)直接損失占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的2‰，火災(zāi)總損失占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的10‰?，F(xiàn)代社會經(jīng)濟空前發(fā)展，積累巨額財富。尤其城市社區(qū)密集，建筑設(shè)施鱗次櫛比，一旦發(fā)生火災(zāi)，嚴重危害人民的生命財產(chǎn)安全，造成慘重損失?；馂?zāi)危害不亞于地震洪水危害，不僅嚴重影響經(jīng)濟發(fā)展和人類的正常生活，還污染了大氣，破壞了生態(tài)環(huán)境?；馂?zāi)的早期發(fā)現(xiàn)，是充分利用滅火措施、減少火災(zāi)損失、保護生命財產(chǎn)的重要保證[1]。選擇合適的火災(zāi)探測器來探測火情是一個首要問題，因為要考慮探測原理、適用場合、環(huán)境適應(yīng)性及局限性，才能有效地發(fā)揮各種探測器的作用[2]。本系統(tǒng)是基于arduino控制板的多點聯(lián)動無線火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，對可燃氣體濃度、環(huán)境溫度和濕度進行實時檢測，多種傳感器進行多點多樣布置，對各傳感器發(fā)出的物理化學(xué)信號信息進行綜合計算并發(fā)出聲光警報，同時由于本系統(tǒng)采用多點聯(lián)動機制，還可以有效防止誤報警。

一、系統(tǒng)組成

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。它構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板；軟件部分是程序開發(fā)環(huán)境Arduino IDE。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。本系統(tǒng)基于arduino的多點聯(lián)動無線檢測火災(zāi)的發(fā)生。

該系統(tǒng)通過多個可燃氣體濃度傳感器、濕度傳感器以及溫度傳感器捕捉火災(zāi)發(fā)生后火光、煙霧、熱能的變化，并發(fā)送給arduino控制板，通過計算判斷是否有火情，如果系統(tǒng)判斷發(fā)生火情則發(fā)出聲光警報。

本系統(tǒng)由可燃氣體濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、無線串口發(fā)射模塊、arduino控制板、報警燈和蜂鳴器組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，為Arduino平臺的參考標準模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB接口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復(fù)位按鈕。既可以通過外部直流電源插入直流插座供電，又可以通過USB接口供電，還可以通過電池連接VIN和GND引腳供電，使用范圍廣，應(yīng)用靈活，能夠滿足多種環(huán)境的需求。

2.1 傳感器模塊

2.1.1 可燃氣體濃度傳感器

采用TGS5342 CO氣體傳感器。TGS5342是費加羅研發(fā)的可電池驅(qū)動的電化學(xué)式傳感器，與現(xiàn)有的電化學(xué)式傳感器相比，具有以下優(yōu)勢：電解質(zhì)是環(huán)保型的，沒有電解液泄漏的危險；一氧化碳可檢測濃度高達1%；操作使用溫度范圍廣；對干擾氣體的靈敏度很低。這種傳感器具有使用壽命長、穩(wěn)定性好、精度高的特點，通過每個傳感器的條形碼可以單獨打印傳感器的數(shù)據(jù)，使用戶可以避免昂貴的氣體校準程序，還允許對個別傳感器進行追蹤。

2.1.2 溫度傳感器

采用STT-W壁掛式溫度傳感器。STT-W系列溫度傳感器采用ABS外殼防護，側(cè)面帶有通氣孔，測量環(huán)境溫度迅速準確，適用于氣象、房間等環(huán)境溫度的測量。

2.1.3 濕度傳感器

采用電容型HS1101濕度傳感器，該傳感器具有全互換性，在標準環(huán)境下不需校正，長時間飽和情況下能夠快速脫濕等特性。由于其固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，可提供線性電壓或頻率輸出，反應(yīng)快速，具有高可靠性與長時間穩(wěn)定性。

2.2 無線通信模塊

本系統(tǒng)采用APC220 - 43模塊。該模塊是一款多通道嵌入式無線數(shù)傳模塊，可設(shè)置頻道，步進精度為 1Khz，發(fā)射功率高達20 MW，但是仍然具有較低的功耗。模塊采用了高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，最大可以糾正24bits連續(xù)突發(fā)錯誤，其編碼增益高達3dBm。模塊外部接口采用透明數(shù)據(jù)傳輸方式，能適應(yīng)標準的用戶協(xié)議，所接收的數(shù)據(jù)就是所發(fā)送的數(shù)據(jù)。

2.3 供電系統(tǒng)

由于Arduino UNO的特點，既可以通過外部5v直流電源插入直流插座供電，又可以通過5v電池連接VIN和GND引腳供電，還可以通過USE接口連接大容量電池進行供電，因此使用范圍廣，應(yīng)用靈活，能夠滿足多種環(huán)境的需求。

2.4 傳感器節(jié)點布置方案

根據(jù)本系統(tǒng)所采用的傳感器自身特點，探測區(qū)域的每個房間至少應(yīng)設(shè)置一只火災(zāi)探測器。一個探測區(qū)域內(nèi)所需設(shè)置的探測器數(shù)量，不應(yīng)小于下式的計算值：

N = S ÷ A × K

式中：N-探測器數(shù)量（只），N應(yīng)取整數(shù)；S-該探測區(qū)域面積（㎡）；A-探測器的保護面積（㎡）；K-修正系數(shù)，特級保護對象宜取0.7～0.8，一級保護對象宜取0.8～0.9，二級保護對象宜取0.9～1.0。節(jié)點周圍5m范圍內(nèi)不能有強電磁干擾源。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

火災(zāi)報警系統(tǒng)控制器上采用Arduino UNO作為主控芯片，其主要功能包括邏輯判斷處理、語音報警和數(shù)據(jù)采樣等，該部分是火災(zāi)報警系統(tǒng)智能化的集中體現(xiàn)。

為了便于系統(tǒng)維護，在火災(zāi)報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計中采用了模塊化程序設(shè)計方法，系統(tǒng)各個模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實現(xiàn)的[3]。這既使得程序結(jié)構(gòu)清晰，又便于以后進一步擴展其功能。本系統(tǒng)主要包括主程序、溫度煙霧數(shù)據(jù)采集子程序、火災(zāi)判斷與報警子程序等。系統(tǒng)程序流程圖如圖7所示。

系統(tǒng)溫度濕度煙霧信號采集程序流程圖如圖8所示：

四、實驗測試

經(jīng)實驗測試表明，系統(tǒng)開始運行后，各傳感器及上位機運行正常，各傳感器采集到的溫度、濕度及煙霧信號可實時傳送至上位機，采集溫濕度及煙霧信號與真實值相當，檢測到的數(shù)據(jù)準確，誤差小。由于實驗場所在室內(nèi)，受風(fēng)力等環(huán)境因素影響較小。各傳感器在不同時間采集到的數(shù)據(jù)值變化在允許范圍之內(nèi)，當某傳感器信號超出預(yù)警值時，系統(tǒng)可迅速準確地發(fā)出警報。

五、結(jié)論

本系統(tǒng)是在對煙霧、溫度傳感器和濕度傳感器進行細致選擇的基礎(chǔ)上，全面比較國內(nèi)外同類產(chǎn)品的技術(shù)特點，合理地確定系統(tǒng)的設(shè)計方案，經(jīng)實驗?zāi)軡M足室內(nèi)場所的火災(zāi)報警功能。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期的目標。

本系統(tǒng)通過設(shè)計一個以Arduino UNO為核心的火災(zāi)報警器，可以實現(xiàn)聲光報警、溫度顯示、濕度、煙霧氣體濃度顯示、報警設(shè)置等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的火災(zāi)報警器，具有一定的實用價值。本報警器結(jié)構(gòu)簡單、可維護性好。由于實現(xiàn)了對普通環(huán)境中溫濕度和煙霧的實時監(jiān)控，因此具有非常普遍的意義，能廣泛應(yīng)用于居民家庭、企事業(yè)單位等室內(nèi)場所多方面的安全防范。

參 考 文 獻

[1] 范維澄. 中國火災(zāi)科學(xué)基礎(chǔ)研究概況[J]. 火災(zāi)科學(xué)，2005，6：57～ 62.

[2] 吳龍標，袁宏永. 火災(zāi)探測與控制工程[M]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999.11：1～ 20.

[3] 王釗. 智能型火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計與研究.（碩士學(xué)位論文）. 西安理工大學(xué)，2009.