談敏，萬濱源

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，江蘇江陰，214405）

0 引言

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，正壓送風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)μ由ǖ浪腿胱銐蛐迈r的空氣，使其氣壓高于外部氣壓，著火時(shí)產(chǎn)生的煙霧被排到樓梯外，使人員不會(huì)因?yàn)槲胗泻Φ臒熿F而窒息傷亡。建筑施工單位的住宿區(qū)，由于是簡易工棚生活區(qū)，不適合做永久、固定式的正壓送風(fēng)消防安全設(shè)施，但是工人的生活水平隨著社會(huì)發(fā)展在逐步提高，生活區(qū)內(nèi)的各式生活用電設(shè)備的數(shù)量和種類也在逐年不斷地增加，因此，安全隱患也隨之而日益明顯。在建筑施工單位的管理過程中，若缺乏一套強(qiáng)有力的消防安全管理系統(tǒng)與科學(xué)的消防控制策略，則會(huì)產(chǎn)生大量的問題，進(jìn)而影響施工的順利開展。本文結(jié)合適合的煙霧報(bào)警傳感器模塊與控制器等電路模塊設(shè)計(jì)的基于WIFI技術(shù)的移動(dòng)正壓送風(fēng)系統(tǒng)，能夠?qū)づ锷顓^(qū)等簡易建筑的火警火情進(jìn)行全天候有效地實(shí)施監(jiān)控，來確保消防安全。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)按照設(shè)備可分為下位機(jī)與上位機(jī)兩部分，上、下位機(jī)借助無線路由器構(gòu)成局域網(wǎng)，完成整個(gè)系統(tǒng)的無線連接成網(wǎng)。下位機(jī)由STC15單片機(jī)電路、MQ-2煙霧探測(cè)模塊、繼電器控制電路模塊、ESP8266WIFI無線傳輸模塊電路組成；上位機(jī)以電腦為載體，開發(fā)基于LabVIEW的應(yīng)用軟件，進(jìn)行上、下位機(jī)交互即遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制[1]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

上位機(jī)即遠(yuǎn)程報(bào)警及監(jiān)控端，使用電腦登陸無線路由器，通過TCP/IP協(xié)議接收來自單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)WIFI模塊向上位機(jī)所發(fā)送的采集信號(hào)；同時(shí)，上位機(jī)監(jiān)控軟件根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀況，通過無線路由器發(fā)送相應(yīng)的控制指令，再借助 WIFI 模塊發(fā)送至單片機(jī)系統(tǒng)，通過繼電器模塊控制相應(yīng)電氣回路。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制功能，則要采用ESP8266WiFi模塊。該無線傳輸模塊是一種嵌入式串口通信方式的WIFI 模塊產(chǎn)品，在物聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)可作組網(wǎng)之用。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

通常，在設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行過程中，代碼越復(fù)雜、繁瑣，常常會(huì)因?yàn)槁┒吹募冊(cè)诙鴮?dǎo)致運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤。為防止系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象，本次設(shè)計(jì)的硬件電路遵循簡約的宗旨，已完成系統(tǒng)功能要求所需最少電路為原則。因此，在選擇核心部分時(shí)，將報(bào)警設(shè)備的可靠、穩(wěn)定作為選擇的最重要衡量指標(biāo)之一。本設(shè)計(jì)采用STC15W4K56S4單片機(jī)作為報(bào)警及控制端，因?yàn)槠錇樵鰪?qiáng)型8051CPU，速度快，內(nèi)置10位高速ADC，性價(jià)比非常高的，且能低電壓工作，耗較低，適合小型智能化設(shè)備的開發(fā)[2]。

■2.1 WIFI硬件設(shè)計(jì)

ESP8266WiFi 模塊的供電電源為3.3V單電源，其內(nèi)置32位處理器，具有強(qiáng)大的處理和存儲(chǔ)能力，可以實(shí)現(xiàn)串口無線傳輸?shù)裙δ?，亦具有超低功耗的特點(diǎn)。本項(xiàng)目通過對(duì)WIFI模塊GPIO 引腳控制，將其應(yīng)用于傳感器數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)。

WIFI 模塊原理圖如圖2所示，CHPD引腳接P3.5口，RET引腳接P3.6口，UTXD和URXD接P4.6和P4.7口即串口2。

■2.2 煙霧傳感器硬件設(shè)計(jì)

煙霧傳感器能實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的重要依據(jù)是其能監(jiān)測(cè)煙霧的濃度值。目前，煙霧傳感器類型主要可分為：離子型和光電型兩大類煙霧傳感器型號(hào)。其中，前者的檢測(cè)原理是根據(jù)其內(nèi)部的電離子因煙霧粒子影響而造成其動(dòng)態(tài)平衡電流發(fā)生變化而進(jìn)行報(bào)警；后者的檢測(cè)原理是火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧粒子對(duì)其內(nèi)部的紅外光造成反射、折射進(jìn)而產(chǎn)生報(bào)警。綜合比較上述兩者的特點(diǎn)，相較于光電式煙霧報(bào)警傳感器，離子煙霧報(bào)警傳感器對(duì)于體積相對(duì)較小的煙霧產(chǎn)生的顆粒靈敏度更高。

圖2 WIFI 模塊原理圖

此次設(shè)計(jì)采用了 MQ-2 離子型煙霧傳感器，其探測(cè)范圍相對(duì)較廣，穩(wěn)定性較好、靈敏度較高，且與系統(tǒng)的控制器接口電路相對(duì)簡易。煙霧傳感器模塊原理圖如圖3所示，數(shù)據(jù)引腳接穩(wěn)定輸出的上拉電阻后接P1.0口。

圖3 煙霧傳感器模塊原理圖

■2.3 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

通常，工作電壓低的單片機(jī)控制系統(tǒng)其工作電流較小，因而，無法直接對(duì)大功率的用電設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所以，常常用繼電器作為單片機(jī)與用電設(shè)備的接口連接電路。通過控制單片機(jī)的輸出口的高、低控制電平，即可控制繼電器的連通，從而控制與其連接的電氣設(shè)備與回路。繼電器驅(qū)動(dòng)模塊原理圖如圖4所示，單片機(jī)P2.6口控制繼電器通斷。

圖4 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)為了配合相關(guān)硬件電路的工作，還與之配套地設(shè)計(jì)了上、下位機(jī)的相關(guān)軟件程序。下位機(jī)的軟件程序部分包含單片機(jī)系統(tǒng)程序、MQ-2 煙霧監(jiān)測(cè)器采集程序、WIFI 模塊的通信以及繼電器驅(qū)動(dòng)程序。同時(shí)為了使本次設(shè)計(jì)有更好的人機(jī)對(duì)話和交互體驗(yàn)，還自主設(shè)計(jì)了基于LabVIEW技術(shù)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)測(cè)控制上位機(jī)軟件系統(tǒng)[3]。

■3.1 ESP8266連接路由器

ESP8266通過路由器連接上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)，連接上位機(jī)時(shí)ESP8266使用到的指令：

（1）將8266設(shè)置為STA模式： AT+CWMODE=1

（2）設(shè)置完之后重啟： AT+RST

（3）8266連接路由器發(fā)出的WiFi：AT+CWJAP=“WiFi名”,“WiFi密碼”

（4）啟動(dòng)多連接： AT+CIPMUX=1

（5）建立server： AT+CIPSERVER=1

（6）通過協(xié)議、IP和端口連接服務(wù)器：

AT+CIPSTART=0,“TCP”,“192.168.1.1”,5000

（7）發(fā)送數(shù)據(jù)的長度： AT+CIPSEND=0,8

（8）發(fā)送數(shù)據(jù)： 12345678

借助網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，服務(wù)器可以通過監(jiān)聽窗口看到接收到的“12345678”字符串。至此，ESP8266WiFi 模塊連接到了由路由器構(gòu)建的局域網(wǎng)中[4]。

■3.2 下位機(jī)主流程圖

下位機(jī)主流程圖如圖5所示。首先開始系統(tǒng)初始化，完成相關(guān)端口配置，同時(shí)將ESP8266WiFi模塊設(shè)置為服務(wù)器模式。

圖5 下位機(jī)程序主流程圖

系統(tǒng)終端采集的煙霧數(shù)據(jù)經(jīng)STC15單片機(jī)處理后，相關(guān)數(shù)據(jù)由串口2利用WIFI模塊通過無線路由傳輸給上位機(jī)正壓送風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、記錄，同時(shí)根據(jù)閾值設(shè)定情況發(fā)送相應(yīng)控制命令，STC15單片機(jī)接收并處理相關(guān)控制命令，如此循環(huán)往復(fù)[5]。下位機(jī)主流程

圖6 上位機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖如圖5所示。

■3.3 上位機(jī)拓?fù)鋱D

配合本系統(tǒng)工作的遠(yuǎn)程火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制在系統(tǒng)后臺(tái)內(nèi)置IP地址設(shè)置，以連接相應(yīng)的路由器，并與各采集終端聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。主要工作界面包括閾值設(shè)置、當(dāng)前采集數(shù)據(jù)顯示、煙霧報(bào)警顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)控等幾個(gè)方面。將當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間和煙霧濃度進(jìn)行顯示，并定時(shí)發(fā)送采集到的煙霧濃度數(shù)據(jù)。如果煙霧濃度過高則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，即可控制風(fēng)機(jī)與風(fēng)門，進(jìn)行正壓送風(fēng)。并將煙霧濃度數(shù)據(jù)記錄在文本中[6]。上位機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

4 結(jié)果與分析

該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，一方面通過煙霧傳感器采集煙霧濃度參數(shù)，另一方面通過WIFI模塊傳輸數(shù)據(jù)和接收控制命令。監(jiān)測(cè)與報(bào)警的工作流程是：煙霧傳感器采集濃度數(shù)據(jù)，由單片機(jī)處理后，相關(guān)參數(shù)經(jīng)過 WIFI 模塊和無線路由器接入工作站，上位機(jī)客戶端應(yīng)用軟件將下位機(jī)所采集到的煙霧濃度數(shù)值實(shí)時(shí)地進(jìn)行波形顯示并進(jìn)行文本記錄，當(dāng)前煙霧濃度超過所預(yù)先設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，上位機(jī)進(jìn)行報(bào)警指示，應(yīng)用軟件發(fā)送控制指令控制相應(yīng)電氣回路工作，控制流程為，控制指令經(jīng)過無線路由器、WIFI模塊至下位機(jī)，下位機(jī)控制繼電器驅(qū)動(dòng)正壓送風(fēng)控制電氣回路動(dòng)作，開啟相應(yīng)的電氣設(shè)備。系統(tǒng)的工作運(yùn)行圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行圖

當(dāng)前系統(tǒng)采集的煙霧數(shù)值為236，高于系統(tǒng)設(shè)置的閾值230，上限報(bào)警燈亮起，同時(shí)同步發(fā)送了控制命令，接通繼電器模塊，開啟了正壓送風(fēng)系統(tǒng)，反之，則系統(tǒng)不動(dòng)作。

同時(shí)，系統(tǒng)將相關(guān)的采集數(shù)據(jù)以文本形式記錄，以備日后查閱和調(diào)取。記錄格式如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)記錄

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基于WIFI的移動(dòng)正壓送風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其成本低廉，僅需 ESP8266WiFi模塊配合單片機(jī)外接煙霧傳感器，就可以很好地實(shí)現(xiàn)變復(fù)雜的工程布線為簡易的無線通信配置，硬件控制電路簡化，非常適合非固定式場所如簡易工棚等的移動(dòng)消防所需，同時(shí)配合上位機(jī)監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)、高效和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可對(duì)火災(zāi)做出有效控制，將火災(zāi)損害降低，并能很好地克服了目前的固定式樓宇正壓送風(fēng)系統(tǒng)的存在的應(yīng)用局限性問題，對(duì)今后的智能樓宇的消防監(jiān)測(cè)以及疏散指示等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很好的借鑒意義。