吳曉紅 石麗梅 黃振興

摘? 要：為有效預防和監(jiān)控電動車充電樁的實際應用環(huán)境中的火災情況，文章設計了一種以STM32F103C8T6單片機平臺為核心，通過系統(tǒng)處理顯示具體環(huán)境，當傳感器模塊獲得的信息值超過系統(tǒng)設定的安全閾值，驅動模塊會通過液晶顯示屏顯示當前溫度、火焰、煙霧等信息，并及時地通過LED燈和蜂鳴器進行提醒，然后再把數(shù)據(jù)通過Wi-Fi傳到上位機觀察，完成整個火災監(jiān)控和報警的過程。

關鍵詞：STM32F103C8T6單片機;火災;煙霧報警

中圖分類號：TN873;TP368.1? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）01-0171-04

Design and Implementation of Fire Alarm System Based on STM32F103C8T6 Single Chip Microcomputer

WU Xiaohong，SHI Limei，HUANG Zhenxing

（Guangdong Ocean University，Zhanjiang? 524088，China）

Abstract：In order to effectively prevent and monitor the fire situation in the practical application environment of electric vehicle charging pile. In this paper，a STM32F103C8T6 single chip microcomputer platform is designed as the core，and the specific environment is displayed through the system processing. When the information value obtained by the sensor module exceeds the safety threshold set by the system，the driver module will display the current temperature，flame，smoke and other information through the LCD，and timely remind through the LED light and buzzer，then the data is transmitted to the upper computer for observation through Wi-Fi to complete the whole process of fire monitoring and alarm.

Keywords：STM32F103C8T6 single chip microcomputer;fire;smoke alarm

0? 引? 言

隨著電動車的不斷普及，我國電動車充電樁數(shù)量呈現(xiàn)出翻倍增長趨勢。而充電樁在充電過程中起火事件頻頻發(fā)生，特別是在無人監(jiān)控的區(qū)域或夜晚，一旦發(fā)生將會對人們的生命財產(chǎn)安全帶來重大隱患。目前火災報警系統(tǒng)應用較少，特別是在居民區(qū)、學校等區(qū)域的電動車充電樁特別容易出現(xiàn)問題[1]。更不用說針對這些區(qū)域對電動車充電樁火災進行報警的系統(tǒng)，因此為了規(guī)避風險、提前發(fā)現(xiàn)和預防火災，這里設計了一款用于監(jiān)測電動車充電樁在充電過程中是否發(fā)生火災以及發(fā)生火災時及時報警的系統(tǒng)，這對于預防火災是非常有意義的。

1? 系統(tǒng)總體功能設計

基于STM32F103C8T6單片機的火災報警系統(tǒng)是以電動車充電樁為實際應用背景，它具有應用場景更廣、功能更加完善、可擴展性強的優(yōu)勢，不僅可以實現(xiàn)報警功能，還可以通過一定技術處理后實現(xiàn)對火災監(jiān)測進行閾值調整的功能，故本產(chǎn)品具有很好的發(fā)展前景和實際應用意義。根據(jù)系統(tǒng)的應用背景和應用需求進行總體功能分析，可以分兩個應用場景進行描述：

（1）在未出現(xiàn)火災的正常情況下，顯示屏可以實時顯示當前環(huán)境的溫度、煙霧、火焰值，并且綠色提示燈一直保持亮著的狀態(tài)，Wi-Fi模塊保持通信，還可以通過按鍵實時設置報警值。所以，為了實現(xiàn)本設計的功能，就必然需要用到煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌囟葌鞲衅?、液晶顯示器、Wi-Fi模塊。因為煙霧傳感器可以實現(xiàn)對環(huán)境中煙霧濃度變化的感知，火焰?zhèn)鞲衅骺梢詫Νh(huán)境中的火焰大小進行識別，還有溫度傳感器也是必不可少的。

（2）當出現(xiàn)火災時，系統(tǒng)可以快速準確地識別火災，同時顯示屏可以顯示當前環(huán)境的溫度、火焰、煙霧實時變化的值，并且紅色提示燈會亮，蜂鳴器會響，Wi-Fi模塊可以保持通信。除此之外，系統(tǒng)還需要一個可以通過按鍵進行調整火災報警的閾值的功能。

2? 系統(tǒng)整體模塊設計

為了更快、更精確地發(fā)現(xiàn)火災和對火災進行及時有效的報警，系統(tǒng)功能需求由多個子模塊協(xié)作完成。通過對系統(tǒng)的整體功能進行分析得出，系統(tǒng)子模塊需要由STM32F103C8T6單片機小系統(tǒng)模塊、液晶顯示模塊、溫度傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、煙霧傳感器模塊、ESP8266模塊、蜂鳴提示模塊、LED指示燈模塊等共同組成。系統(tǒng)整體模塊設計框圖如圖1所示。

通過系統(tǒng)的整體模塊設計可以看出，系統(tǒng)需要將溫度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞑杉降男畔⒆鳛閿?shù)據(jù)輸入到STM32F103C8T6單片機控制處理器，STM32F103C8T6單片機對接收的數(shù)據(jù)進行處理后，驅動液晶顯示屏進行顯示，通過LED燈和蜂鳴器進行有效的報警，然后再把數(shù)據(jù)通過Wi-Fi傳到上位機進行實時觀察監(jiān)控，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的火災監(jiān)控和報警的過程。

3? 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計要綜合考慮方案可行性、成本、耐用性、操作性等因素。這里只介紹部分硬件電路設計。

3.1? 單片機控制電路

STM32系列單片機具有高性能、高速率、低成本、低功耗，集成度高、工具易用、可實現(xiàn)產(chǎn)品化等優(yōu)點而得到廣泛使用[2]。所以系統(tǒng)選擇使用STM32F103C8T6單片機作為系統(tǒng)控制處理器，配合使用其他各種功能模塊進而實現(xiàn)火災報警系統(tǒng)的各種功能。STM32F103C8T6單片機最小系統(tǒng)電路設計主要包括STM32F103C8T6芯片、晶振電路、復位電路、啟動模式電路[3]等。

3.2? 火焰?zhèn)鞲衅麟娐?/p>

在火災報警系統(tǒng)中火焰?zhèn)鞲衅餍枰獫M足可以識別火焰的功能，要求準確性要高。此外還需要注意現(xiàn)實中常見的火焰波長在880 nm左右，因此在選擇火焰?zhèn)鞲袝r，其感應到的火焰大小值需要包含該值[4]。本系統(tǒng)選用的MH-Sensor-Series火焰?zhèn)鞲衅髌鋬r格低，探測波長為700～1 000 nm、探測角度為60度、可以有效地識別火焰，具有較好的穩(wěn)定性?；鹧?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測電路如圖2所示。

當靠近火焰時，紅外發(fā)射管導通，此時VCC經(jīng)過電阻R1后經(jīng)過紅外發(fā)射管后直接接地，那么到達引腳3處AC端的電壓值變小，INA+變小，反之當遠離火焰或者火焰強度變小時，紅外發(fā)射管慢慢斷開，此時相當于電源VCC經(jīng)過一個電阻后直接接到引腳3處，此時AC端得到的電壓比較大，那么INA+變大，從而輸出到STM32單片機的值就會變大。

3.3? 煙霧模塊監(jiān)測電路

系統(tǒng)煙霧傳感器需要實時準確地采集到環(huán)境中煙霧濃度。系統(tǒng)選用的MQ-2煙霧傳感器模塊具有響應速度快、壽命長、靈敏度高等優(yōu)點而得到廣泛使用[5]。系統(tǒng)監(jiān)控MQ-2煙霧濃度電路如圖3所示。

MQ-2器件的引腳4和引腳6為輸出信號引腳，RL3為MQ-2的內部電阻。當氣體濃度上升時，電阻RL3將變小。而電阻RL3的減小則使得MQ-2的引腳4和引腳6對地輸出的電壓變大。所以隨著氣體濃度慢慢變大時，其輸出的電壓也會跟著增大，當氣體濃度降低時，其輸出的電壓會變小。最后這些模擬量再經(jīng)過ADC0832芯片進行A/D轉換成相應的數(shù)字信號，最后傳回給單片機處理器。

4? 軟件設計與系統(tǒng)驗證

4.1? 軟件設計

軟件設計是系統(tǒng)的核心，同時要兼顧系統(tǒng)的功能需求、實時性、安全性和可拓展性等。

系統(tǒng)在進入工作模式之后，首先會進行系統(tǒng)初始化，然后就直接進入一個無限循環(huán)中，在循環(huán)狀態(tài)中系統(tǒng)不斷檢測是否有按鍵中斷發(fā)生：

（1）當無中斷發(fā)生時，調用子函數(shù)獲取火焰、煙霧、溫度的值，在這個過程中，需要檢測系統(tǒng)是否發(fā)生火災報警異常，當獲取的數(shù)據(jù)值都沒有超過界限值時，系統(tǒng)就保持正常狀態(tài)，液晶顯示屏顯示表1無火災實時的數(shù)據(jù);當獲取的數(shù)據(jù)超過界限值時，系統(tǒng)就保持異常的狀態(tài)，液晶顯示屏顯示表0著火后的實時的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

（2）當有按鍵終端發(fā)生時，系統(tǒng)根據(jù)按鍵子函數(shù)功能進行調整溫度、煙霧、火焰的預警閾值。系統(tǒng)警報界限值可進行靈活調整，這里通過按鍵設計動態(tài)界限值，正常無火災情況下，火災指示燈綠燈一直保持亮著的狀態(tài)，當發(fā)生火災時，火災指示燈紅燈會亮。本設計不僅可以應用于模擬火災實驗和實際復雜的環(huán)境，工作人員可以通過按鍵調整報警值，這樣更加適合復雜的外界環(huán)境。

系統(tǒng)的主流程如圖4所示。

本系統(tǒng)為了使用多種應用場景和實際復雜的工作環(huán)境，使用人員可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進行多次測試而得到適應具體環(huán)境的溫度值、火焰值、煙霧值等，這樣使得系統(tǒng)的兼容性更好。

4.2? 系統(tǒng)驗證

基于STM32單片機的火災報警系統(tǒng)是通過溫度、火焰、煙霧傳感器模塊采集當前環(huán)境的溫度、火焰、煙霧的數(shù)據(jù)值與預先設置好的安全閾值進行比較，當采集到的數(shù)據(jù)，超過預先設定的安全閾值時，系統(tǒng)就會報警，反之則不會報警，只是顯示正常環(huán)境參數(shù)的值。當沒有火災發(fā)生時，系統(tǒng)實時采集環(huán)境中的數(shù)據(jù)參數(shù)并進行系統(tǒng)顯示，無火災系統(tǒng)正常工作情況如圖5所示。

為了更好地對火災報警系統(tǒng)功能進行驗證，這里通過打火機制造火焰來模擬火災發(fā)生的情況。通過模擬環(huán)境中火焰的變化來驗證是否達到系統(tǒng)的設計目標。當環(huán)境中的火焰值超過設定的閾值，系統(tǒng)會開啟火焰報警功能，有火焰報警情況如圖6所示。

同理，通過當前環(huán)境中煙霧濃度的變化，來模擬火災發(fā)生時煙霧濃度的變化情況，進一步判斷是否發(fā)生火災。當環(huán)境中的煙霧值超過設定的閾值，系統(tǒng)會開啟煙霧報警功能，有煙霧報警情況如圖7所示。

基于STM32單片機的火災報警系統(tǒng)可以將當前環(huán)境的溫度、火焰、煙霧相關數(shù)據(jù)進行采集，然后可以通過ESP8266 Wi-Fi模塊傳回到電腦端進行查看，可以進行有效地遠程監(jiān)控環(huán)境是否發(fā)生火災。例如有火焰報警情況Wi-Fi傳回數(shù)據(jù)如圖8所示。

同理，可以通過ESP8266 Wi-Fi模塊傳回其他情況環(huán)境的溫度、火焰、煙霧等信息，以便進行遠程監(jiān)控火災。

5? 結? 論

本系統(tǒng)主要是實現(xiàn)監(jiān)測電動車充電樁的火災報警的系統(tǒng)，它通過多種傳感器模塊采集當前環(huán)境的煙霧、火焰、溫度等信息，當采集的參數(shù)值超過設定的閾值，則系統(tǒng)進行報警。系統(tǒng)可經(jīng)過多次對現(xiàn)實火災的實驗模擬，采集發(fā)生火災時的數(shù)據(jù)，根據(jù)采集發(fā)生火災時的數(shù)據(jù)進行一定處理后設置合適的閾值，故本系統(tǒng)可以做到準確地預防和避免火災的發(fā)生，降低了因為電動車充電引起火災造成的損失。

參考文獻：

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[4] 徐明遠.區(qū)域聯(lián)網(wǎng)式火災自動報警系統(tǒng)調試技術的研究 [J].城市住宅，2019（11）：193-194+196.

[5] 胡喻杰，楊龍成.基于單片機的家庭煙霧報警系統(tǒng) [J].電子技術與軟件工程，2019（22）：243-244.

作者簡介：吳曉紅（1995—），女，漢族，廣東湛江人，本科，工學學士，研究方向：通信工程;通訊作者：石麗梅（1986—），女，漢族，吉林四平人，講師，碩士;研究方向：移動互聯(lián)，通信工程。