孫雪景

（吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院 長(zhǎng)春 130118）

引言

火災(zāi)一直是影響人類(lèi)安定生活的隱藏殺手，為了處理火災(zāi)突發(fā)與頻發(fā)的情況，尤其是針對(duì)現(xiàn)有建筑配電系統(tǒng)火災(zāi)早期預(yù)警問(wèn)題，值得更加關(guān)注和重視。本系統(tǒng)針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種更加合理的消防報(bào)警系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸上采用無(wú)線通信模塊進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn)，從而做到早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早處理，從而在源頭進(jìn)行防控和檢測(cè)火災(zāi)，使得人民財(cái)產(chǎn)損失降到最低[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文將單片機(jī)與傳感器、無(wú)線傳輸模塊以及串口調(diào)試技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)消防報(bào)警和聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，使用了煙霧傳感器和溫度傳感器兩種傳感器，將室內(nèi)的溫度和日常生活環(huán)境的測(cè)量結(jié)果與設(shè)定的限值進(jìn)行對(duì)比，從而確定日常生活中的環(huán)境有無(wú)著火。本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)與NRF24L01無(wú)線通信模塊為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙霧、溫度的檢測(cè)。系統(tǒng)由主控電路、電源電壓電路、溫度傳感器等組成，系統(tǒng)功能的主體由兩部分組成，第一部分是依靠傳感器去采集信息，第二部分是當(dāng)溫度值和煙霧值超出設(shè)定的上限時(shí)，蜂鳴器和LED等會(huì)發(fā)出警報(bào)。具體的系統(tǒng)機(jī)制是通過(guò)Proteus軟件先設(shè)定煙霧及溫度的上限值，然后依靠keil軟件編寫(xiě)溫度和煙霧的相關(guān)程序和串口助手軟件設(shè)定某些基本數(shù)據(jù)。仿真時(shí)，如果串口助手我們?cè)O(shè)置的數(shù)據(jù)超過(guò)煙霧或溫度的上限濃度，LED燈及蜂鳴器就會(huì)進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，程序設(shè)置簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，對(duì)火災(zāi)的早期預(yù)警有一定的防范價(jià)值。系統(tǒng)的發(fā)送側(cè)和接收側(cè)結(jié)構(gòu)框圖如圖1和圖2所示。

圖1 發(fā)送側(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 接收側(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

根據(jù)智能消防控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要,本文對(duì)電源電壓模塊、無(wú)線傳輸模塊、液晶顯示器、火災(zāi)探測(cè)器、煙霧傳感器等主要模塊和設(shè)備進(jìn)行選型并進(jìn)行詳細(xì)地分析說(shuō)明。表1為消防報(bào)警和聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備類(lèi)型及選型。

表1 設(shè)備類(lèi)型及選型

2.2 無(wú)線傳輸模塊

本文利用NRF24L01的無(wú)線收發(fā)模塊[2]，將探測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮斩?，?shí)現(xiàn)對(duì)火情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和聲光報(bào)警。NRF24L01是一種單片無(wú)線收發(fā)芯片，適用于（2.4～2.5）GHz國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的 ISM波段。無(wú)線收發(fā)信機(jī)由頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型 SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器等組成，輸出功率，頻道選擇，以及協(xié)議設(shè)定都可以用 SPI界面來(lái)設(shè)定。其功耗非常?。汗ぷ饔?6 dBm時(shí)，其功耗為9 mA，而在接收方式下為12.3 mA。在電源下降和備用狀態(tài)下，功耗更小。

2.3 火災(zāi)探測(cè)器

本論文選擇了JTF-YW-ZM2251TB智能復(fù)合感溫感煙火災(zāi)檢測(cè)器。它兼具光電式煙霧檢測(cè)和溫度檢測(cè)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力、高靈敏度、全方位可視指示燈、可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程顯示、磁體試驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合式火警探測(cè)器工作原理不管什么火源參數(shù)，只要有一個(gè)火源參數(shù)達(dá)到了一定的檢出值，它就會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，圖3為無(wú)線傳輸模塊原理圖。復(fù)合式火災(zāi)檢測(cè)器利用微型加工的芯片，對(duì)全部檢測(cè)器進(jìn)行測(cè)量。復(fù)合式火災(zāi)探測(cè)器能夠準(zhǔn)確、有效地探測(cè)各類(lèi)火災(zāi)，極大地降低了虛警率，減少了火災(zāi)的發(fā)生。該系統(tǒng)智能化程度高，可靠性高，功能多樣。

圖3 無(wú)線傳輸模塊原理圖

2.4 煙霧傳感器模塊

此次設(shè)計(jì)涉及兩種新型的煙霧感應(yīng)器，一種是用一種氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料制造的煙霧感應(yīng)器，另一種是用一種單晶半導(dǎo)體器件制造的煙霧感應(yīng)器。按其敏感性，可分為兩類(lèi)：電阻型和非電阻型。半導(dǎo)體氣體傳感器可分為 N類(lèi)和 P類(lèi)。N型阻值隨煙氣濃度的增大而減??；P型阻值隨煙氣濃度的增大而增大。MQ-2型二氧化錫氣體敏感元件是一類(lèi)具有表面離子的 N類(lèi)半導(dǎo)體元件。二氧化錫在（200～300）℃時(shí)，能吸收空氣中的氧，從而產(chǎn)生負(fù)離子，從而使半導(dǎo)體器件的電子密度下降，并使其電阻增大。當(dāng)它與煙塵接觸時(shí)，如果因此煙塵的調(diào)整而使粒子間的位壘發(fā)生變化，就會(huì)引起其表面電導(dǎo)率的變化。用這種方法可以獲得有無(wú)煙的數(shù)據(jù)。

2.5 聲光報(bào)警模塊

蜂鳴器在正常狀況下的工作電流較高，想要驅(qū)動(dòng)單片機(jī)的 I/O端口，就需要使用放大電路，通常采用三極管對(duì)其進(jìn)行放大。用P2.0管腳來(lái)控制聲告警，P2.0的電平狀態(tài)處于低電平狀態(tài)時(shí)，三極管會(huì)被接通，蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲響警報(bào)；否則，三極管斷開(kāi)，蜂鳴器就不會(huì)響了。聲音報(bào)警電路如圖4所示。三種不同顏色的LED燈報(bào)警電路圖如圖5所示，通過(guò)單片機(jī)的P2.1控制綠燈，P3.4控制紅燈，P3.5控制藍(lán)燈。當(dāng)設(shè)計(jì)的消防報(bào)警和聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)感應(yīng)到火情突然發(fā)生時(shí)，三個(gè)LED燈的端口在單片機(jī)的控制下會(huì)在自上到下的順序輸出低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的三個(gè)燈也會(huì)按照自上到下的順序交替閃爍發(fā)出光芒報(bào)警，直到解除報(bào)警。

圖4 報(bào)警器報(bào)警電路圖

圖5 燈光報(bào)警電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括主程序，溫度數(shù)據(jù)采集子程序，煙霧數(shù)據(jù)采集子程序，火焰信號(hào)采集子程序，火災(zāi)判斷和警報(bào)子程序。主程序先對(duì) LCD進(jìn)行初始化，然后配置無(wú)線發(fā)送模塊，確認(rèn)無(wú)線信號(hào)傳輸，如果正常，可以進(jìn)行無(wú)線傳輸，延遲一段時(shí)間后，更新數(shù)據(jù)，液晶顯示。圖6中顯示了主要程序的流程。

圖6 主程序流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)際仿真與制作

本系統(tǒng)具有抗干擾性強(qiáng)、成本低、體積小、編程容易的特點(diǎn)，因此對(duì)于實(shí)際電路能夠較容易實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)仿真需要將設(shè)計(jì)所需的各種元器件放置并連線以后，選中并雙擊單片機(jī)，點(diǎn)擊Program File后的小文件夾，找到.hex為后綴的程序文件，并點(diǎn)擊確定，設(shè)定串口調(diào)試軟件的相關(guān)參數(shù)，原理圖中的Compim元器件的物理端口選擇com1，串口調(diào)試軟件選擇com2，波特率為4 800，液晶顯示器的煙霧極限值與溫度極限值分別設(shè)定為100和50，煙霧和溫度設(shè)定的極限值液晶顯示圖如圖7所示。程序仿真完成以后要進(jìn)行原理圖PCB板的繪制，首先點(diǎn)擊菜單欄的PCB布局，進(jìn)入PCB板界面以后點(diǎn)擊左下角的布局選擇器，選擇Board Edge繪制封閉區(qū)域，此外，選擇Board Edge進(jìn)行布局的時(shí)候要右擊選擇放置，再利用正方形選擇封閉區(qū)域，選完封閉區(qū)域之后，選擇菜單欄的自動(dòng)定位器，自動(dòng)將原理圖用到的元器件以PCB形式布局，為了便于觀看，點(diǎn)擊自動(dòng)定位器旁的自動(dòng)路由器，封閉區(qū)域內(nèi)的PCB元器件自動(dòng)連線，PCB板顯示圖如圖8所示。

圖7 液晶數(shù)據(jù)顯示圖

圖8 PCB板顯示圖

5 結(jié)論與展望

本文主要針對(duì)建筑中的低壓電氣火災(zāi)報(bào)警進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于ZigBee無(wú)線技術(shù)采用CC2530芯片以STC89C52單片機(jī)為核心，分別利用MQ-2煙霧傳感器與DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行周?chē)h(huán)境的信息采集，通過(guò)ZigBee無(wú)線技術(shù)進(jìn)行信息傳輸，通過(guò)將采集到的信息與閾值進(jìn)行對(duì)比，兩次檢測(cè)數(shù)值均大于閾值的情況下，通過(guò)聲光報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，蜂鳴器報(bào)警的同時(shí)亮起紅色LED燈，本文所提方案為低壓配電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)提供理論借鑒。