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基于單片機技術的無線智能報警系統設計

添加時間:2021/11/10 來源:未知 作者:樂楓
基于單片機技術,研制了一種新型多功能無線智能消防報警系統。系統在實 現傳統煙霧報警的同時,使用 MQ-2 氣體敏感元件來實現對一些可燃氣體濃度的 檢測,通過熱敏電阻構成溫度采集模塊,使用火焰傳感器,通過捕捉火焰發出的 紅外線來進行火焰識別與監控。
以下為本篇論文正文:

摘要

  基于單片機技術,研制了一種新型多功能無線智能消防報警系統。系統在實 現傳統煙霧報警的同時,使用 MQ-2 氣體敏感元件來實現對一些可燃氣體濃度的 檢測,通過熱敏電阻構成溫度采集模塊,使用火焰傳感器,通過捕捉火焰發出的 紅外線來進行火焰識別與監控。系統對上述四種監測信號進行多信號采集與處理 之后發送給單片機。系統通過搭建 BP 神經網絡來進行數據處理,進一步提高報 警的準確性。系統在實際測試中達到預期設計目標,體現在當監測參數超過系統 預設閥值,系統即進行報警。系統基于 LORA 無線通信協議,使用 433 無線模塊 來進行短距離無線通訊,同時使用 GPRS 模塊來進行遠距離傳輸。系統具備集成 度高,通信方式多樣化,消防報警功能全,運行功耗低,易于普及和移植的特點, 可滿足多種場合的煙霧檢測、可燃氣體濃度報警、溫度監控、火焰識別的功能。

  關鍵詞:單片機;消防報警;多信號采集;BP 神經網絡;無線通信

  Abstract

  Based on the technology of single chip microcomputer, a new multifunctional wireless intelligent fire alarm system is developed. The system can realize the traditional smoke alarm function, and use mq-2 gas sensor to detect the concentration of some combustible gases. The temperature acquisition module is composed of thermistor, and the flame sensor is used to identify and monitor the flame by capturing the infrared ray emitted by the flame. The system collects and processes the four kinds of monitoring signals and sends them to the single chip microcomputer. The system uses BP neural network to process data and further improve the accuracy of alarm. The system achieves the expected design goal in the actual test, which is reflected in the alarm when the monitoring parameters exceed the preset threshold value of the system. Based on Lora wireless communication protocol, the system uses 433 wireless module for short-distance wireless communication and GPRS module for long-distance transmission. The system has the features of high integration, persified communication mode, full fire alarm function, low operation power consumption, easy to be popularized and transplanted, and can meet the functions of smoke detection, combustible gas concentration alarm, temperature monitoring and flame identification in various occasions.

  Keywords:Single chip computer; Fire alarm; Multi-signal acquisition; BP neural network; Wireless communication

目錄

  第 1 章 緒論

  1.1 研究背景

  隨著人們生活水平的提高,煤碳、壁爐、酒精燈等一些易引發消防事故或者高 污染的資源和設備正逐漸被天然氣、管道煤氣所代替,人們的生活方式得到了一定 的改善,危險系數也進一步的降低。盡管如此,每年因為各種因素,居民樓、醫院、 學校、工廠等地還是出現了各種大大小小的消防安全事故,加之城市里高層建筑密 集,人口密度大,短時間疏散困難等一系列原因,每年因為消防事故而造成的人員 傷亡和財產損失都不可估量[1-5].

  目前市面上的大多產品還是停留在了傳統的煙霧報警層面,主要存在的問題表 現在報警不及時,報警距離受布線的限制,功耗大,大面積安裝成本大以及實施難 度大,報警方式單一,功能匱乏等缺陷[6].例如家用、小空間獨立式煙霧報警器, 一旦現場沒有人的時候,受到報警方式和距離的限制,一旦出現消防事故,也無法 第一時間提醒到當事人和消防部門,從而無法及時做出反應和處理。再例如,網上 已經出現了一些無線報警器,其報警方式具備 GPRS 無線傳輸,雖然解決了傳統的布 線問題,但是只是具備某種一種通訊方式,而且成本高,顧此失彼,沒有考慮全面[7].

  再例如目前廣泛使用的煙霧報警器,使用的是光電傳感器來感應監控環境中的煙霧 濃度,只具備了一種報警信號采集模塊,此模塊可以很好的應對一般燃燒過程中會 產生濃煙的火災,但在其他消防事故中就顯得捉襟見肘,比如實驗室中一些由易燃 金屬引起的燃燒,或者周圍可燃物為一些燃燒過程中不產生濃煙的物體,或者是面 對可燃氣體的泄露,在這些特殊情況下,傳統的煙霧報警器就不能滿足需要[8].

  綜上,本設計針對目前生活中傳統消防報警器的不足開發出了一種低功耗,性 能穩定,傳輸方式多樣,安裝便捷,易于普及,可以采集多種報警信號的無線智能 報警系統。

無線智能報警系統設計

  1.2 研究目的和意義

  近些年來,由于人工智能的發展與普及,很多行業和領域的設備都進行了換代 更新,通過更加精準的算法與更先進的控制方式,使得很多設備都具備了高集成度、 高性能、多目標分析等特點[9]. 雖然目前市面上已經陸續出現一些基于無線控制方式的火災報警器,但是其性 能與穩定性良莠不齊,各種弊端也是層出不窮,應用領域窄,因為其本身的功能就 決定了其應用的范圍,存在著很大的改進與升級空間[10].市面上的消防報警器有一 些也加入了溫度監控功能,但是依舊遠遠不夠,報警精度和系統不能做到很好的兼容,各自過于獨立沒有形成完備的系統,報警器之間,報警器與系統之間沒有太多 的關聯性。

  另外,在一些非煙霧性質的易燃危險氣體泄露方面,也是絕大多數煙霧 報警器無法檢測到的,例如酒精、甲烷等。在當今大數據很普及的環境下,報警器 幾乎還停留在獨立的個體層次,報警的范圍也有著很大的局限性,雖然近期也出現 了一些帶 GPRS 或者無線功能的報警器,但是其成本往往又不能很好的控制,不易普 及,也給產品的批量化生產增加了難度[11].由于獨立式無線報警器是單獨供電,如 何在滿足基本功能的同時又可以盡可能的延長待機時間,這對于報警器本身也是一 個不得不去考慮問題,因此功耗問題也顯得至關重要[12].

  基于單片機技術的智能無線消防報警系統是在光、機、電一體化平臺上實施的, 綜合計算機、光學、信息與傳感器技術、圖像處理、數據采集分析等多學科技術背 景下設計出來的,在增加了多項功能和提升系統各項性能的同時,其尺寸與傳統報 警器接近,甚至更小[13].應用范圍廣泛,有著極低的待機功耗,智能化程度高,這 也是今后智能報警方面的發展趨勢與要求。

  1.3 國內外研究現狀

  1.3.1 國內報警器發展現狀

  國內目前普遍采用的火災自動報警技術,主要有兩種:一種是非智能火災自動 報警技術,包括嫁接新技術的老式或傳統火災自動報警技術,七十年代末出現的可 尋址火災自動報警技術和八十年代初期出現的模擬量可尋址火災自動報警技術,這 些技術盡管高技術含量少,但由于成木低,能滿足眾多小型民用和商業防火保護需 要,而被國家廣泛應用[14-17]. 另一種是代表現代火災自動報警技術發展水平和發展趨勢的智能火災自動報警 技術,從八十年代中期開始開發到九十年代中期己發展成熟,并得到廣泛應用的采 用具有人工智能理論和技術的高級算法軟件的智能集中型模擬量可尋址智能火災自 動報警技術(即由智能控制器做報警決策的智能火災自動報警技術)和九十年代初 期開發,并得到應用的采用人工智能理論和技術的高級算法軟件(主要指模糊邏輯 和神經網絡軟件技術)的智能分布型智能火災自動報警技術(即由智能探測器做報 警決策的智能火災自動報警技術)[18].

  智能集中型智能火災自動報警技術發展最快、應用最廣、現已成為智能火災自 動報警技術中的一種主導技術,其中,由 50 只左右模擬量可尋址感煙探測器構成的 小型智能集中型火災自動探測系統發展最快、應用數量最多,不僅大大改進了小空 間的防火安全,而且也推動了火災報警工業的發展。智能火災自動報警技術主要用 于解決大、中型空間防火安全和多種系統的聯動問題[19-22].

  1.3.2 國外報警器發展現狀

  八十年代以來,特別是九十年代以來,隨著經濟建設和半導體、微電子、光電、 計算機和信息等科學技術的迅速發展,國外火災自動報警技術以市場為導向,以應用高新技術為先導,以減少誤報率、提高可靠性、靈敏度和擴大探測范圍為根 本目的,在開展基礎理論和應用技術研究、老產品技術改造、新產品開發、標準和 規范制修訂、產品質量認證和檢驗、系統設計安裝和維護、擴大應用范圍和提高應 用效益等方面,都有了很大發展,出現了許多新產品、新技術、使火災自動探測報 警系統從火災探測、報警傳輸、信號處理、報警控制顯示到與其他系統聯動等一系 列功能性能和可靠性大大提高與完善,減少了誤報率,增強了人們預防現代各種火 災的能力,為保衛人類生命和消費安全發揮了重要作用,成為現代消防技術中的一 種必不可少具有廣闊發展前途的前沿消防技術和手段[23-26].

  1.3.3 報警器發展趨勢

  當前,智能火災自動報警技術發展的一個顯著特點和重要趨勢是使用模糊邏輯 和神經網絡高級算法軟件。人工智能理論和交互技術被越來越多的智能火災自動探 測系統采用,已成為消防自動報警技術中的前沿技術和核心技術[27].

  1.4 研究內容及主要工作

  研究主要設計了一款智能無線報警系統,系統主要由獨立式無線報警器、現場 集中器、終端設備組成。獨立式無線報警器主要由傳感器、信號放大處理模塊、蜂 鳴器、復位按鍵及 LED、電源模塊、無線通信模塊、單片機及其外圍電路組成。設 計中的現場集中控制器提供了一個現場報警、監控以及信號傳輸的功能,現場集中 控制器配備了一款具備觸摸顯示功能的 TFT 屏幕,可以實時顯示各項監控數據以及 完成一些監控閥值的設置。同時,使用配套的人機界面開發平臺還可以針對不同的 場合需要設計出不同的人機界面。上位機設計主要是監控界面的設計以及報警終端 接收報警信息的方式設置[28-31].

  本設計考慮了不同的應用場合,配備了四種報警傳感器分別是煙霧傳感器、溫 度傳感器、捕捉火焰燃燒時發散出的紅外線的火焰傳感器,以及檢測易燃危險氣體 濃度的可燃氣體濃度傳感器。

  1.5 論文結構

  論文的主要分為六章來進行闡述。

  第一章主要介紹一下研究的背景、研究的意 義、報警器國內外發展現狀以及報警系統未來的發展趨勢,介紹了研究的內容和具 體工作內容。

  第二章闡述了系統的總體設計方案,介紹了系統的硬件設計與軟件編 程環境,分析了系統的性能需求并給出了系統的應用案例。

  第三章對系統的主要模 塊的硬件電路進行了細致的分析與介紹,包括其設計思路與工作原理。

  第四章介紹 系統的軟件設計,主要包括主程序、故障自診斷、數據采集與處理和系統的報警邏 輯。

  第五章是對系統的干擾因素進行了分析與介紹以及針對提高系統抗干擾能力所 采取的優化措施。

  第六章進行了樣機的實際調試,對系統的主要功能進行了實際測 驗,觀察系統的各項指標與性能。

  第 2 章 無線智能報警系統的設計方案

  2.1 無線智能報警系統的概述

  2.2 系統總體設計方案與結構

  2.3 系統硬件架構設計

  2.3.1 獨立式無線報警器

  2.3.2 集中控制器

  2.3.3 監控終端

  2.4 系統軟件架構設計

  2.5 系統功能結構

  2.6 系統性能需求分析

  2.6.1 報警精度與反應時間要求

  2.6.2 可靠性與安全性要求

  2.6.3 兼容性與擴展性要求

  2.6.4 故障處理要求

  2.7 硬件設計平臺和程序編輯環境介紹

  2.4.1 AD 軟件簡介

  2.4.2 KEIL 軟件簡介

  2.8 系統應用方案介紹

  2.9 本章小結

  第 3 章 系統的硬件電路設計

  3.1 電源模塊

  3.2 單片機的選擇以及外圍最小系統電路的設計

  3.2.1 單片機的選擇

  3.2.2 單片機外圍電路設計

  3.3 可燃氣體檢測模塊

  3.3.1 MQ-2 的工作原理

  3.3.2 可燃氣體濃度檢測模塊的電路設計

  3.4 紅外火焰監控模塊

  3.4.1 紅外火焰傳感器的工作原理

  5 煙霧監控模塊

  3.5.1 煙霧監控傳感器的工作原理

  3.5.2 煙霧監控模塊的電路設計

  3.6 溫度監控模塊

  3.6.1 溫度監控模塊的工作原理

  3.6.2 溫度監控模塊的電路設計

  3.7 聲光報警模塊

  3.7.1 蜂鳴器驅動電路設計

  3.7.2 LED 驅動電路設計

  3.8 無線信號傳輸模塊

  3.8.1 433 短距離傳輸模塊電路設計

  3.8.2 GPRS 遠距離傳輸模塊電路設計

  3.9 本章小結

  第 4 章 系統的軟件設計

  4.1 系統報警邏輯

  4.2 人機界面設計

  4.3 報警器的干擾源

  4.4 報警系統抗干擾措施

  4.5 本章小結

  第 5 章 BP 神經網絡數據分析

  5.1 系統 BP 神經網絡搭建

  5.1.1 樣本數據

  5.1.2 BP 神經網絡架構設計

  5.2 數據預處理

  5.3 輸出數據分析

  5.4 輸出數據處理

  5.5 本章小結

  第 6 章 系統樣機的綜合調試

  6.1 系統測試環境

  6.2 系統功能測試

  6.2.1 可燃氣體濃度檢測

  6.2.2 火焰監控與識別

  6.2.3 煙霧濃度檢測

  6.2.4 溫度采集與監控

  6.3 本章小結

  結論

  針對目前廣泛應用的煙霧報警器進行了從有線布局到無線信號傳輸的創新, 基于 LORA 無線通信協議下,使用了 433 段距離無線通信模塊,使得獨立式報警 器在具備一定的信號穿透力的同時,報警傳輸距離可以達到 200 米,結合 GPRS 遠距離無線傳輸模塊以及因特網等方式,可以進一步極大的拓展報警信號的傳輸 距離并豐富報警信號的接收方式。設計針對復雜工業環境有著很好的應用效果, 在實現傳統火災煙霧報警的同時又融合了溫度監控、火焰識別以及可燃危險氣體 濃度監測,大大拓寬了消防報警器的應用環境。硬件方面主要使用到了 STM8 和 STM32 這兩款單片機,利用 STM8 本身的低功耗特性以及心跳程序可以實現獨立 式報警器的超低功耗待機。 設計中利用 BP 神經網絡,通過分析輸入的報警樣品值來得到一個輸出范圍值。 依據系統輸出的數據,結合智能報警系統的報警觸發條件,可以極大程度上減少因 為系統電路以及模塊自身設計缺陷所帶來的誤差從而提高智能報警系統的報警觸發 精度與正確性。

  軟件上使用了 KEIL 來進行 C 語言的編寫,主要包括獨立式無線報警器程序 編寫以及現場集中控制器程序編寫。使用 AD 軟件來進行了 PCB 的設計與繪制, 針對系統的功能需求設計了包括單片機電路,傳感器電路,電壓轉換電路等一些 列電路。使用特定的人機界面開發軟件在現場集中控制器上制定了一套特定的操 作界面,用戶可以實時離線設置報警閥值與系統參數設置。 最后,在特定環境下對煙霧報警功能、溫度監測功能、火焰識別功能以及可 燃危險氣體濃度監測功能進行了硬件上的運行與測試。最終,在滿足基本煙霧報 警識別的同時,火焰識別報警觸發率在 95%,報警器溫度采集精度高達 99.59%, 溫度采集誤差為 0.41%,可燃危險氣體濃度監測方面,利用電壓每升高 0.1V,實際 被測氣體的濃度增加 200ppm 的模塊輸出特點也可以很好的監控環境中氣體濃度的 變化。

  設計綜合考慮了各種報警觸發條件,使得報警器的運用場合得到了很大的擴展, 具備無線通信功能,安裝快捷方便,配合設計的低功耗電路,可以實現長時間待機 功能。另外根據具體的需求搭配相應的無線模塊,實現不同距離的無線傳輸。本設 計在多點觸發,防誤觸發方面也做了一定的邏輯判斷,防止出現死機現象。針對一 些特殊場合,還需要滿足更加高的測量精度,這就需要傳感器的精度需要達到一定 的要求,另外現實環境中,不免會有各種干擾信號和一些阻擋,影響信號的接收和 發送,目前本設計在產品功能上基本實現,之后還會針對以上問題來進行不斷優化。

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  [51]黃湘瑩,張認成。CO 氣體傳感器在火災探測中的應用[J].儀表技術與傳感 器,2006(06):6-8+11.

  致謝

  隨著畢業將至和畢業論文撰寫完成,我的碩士學習生涯也隨之告一段落,回首 這兩年多,我經歷了生命中最精彩的一段時光,因為碩士的學習平臺,我有機會接 觸到了很多行業大咖,有機會出國參加一些國際學術會議,有機會加入老師的研究 項目去一些更高層次的平臺。這兩年多,是我目前為止學生生涯中最忙碌的幾年, 但同時也是收獲最大,成長最快的幾年。 這其中,我很感激我的導師蔣文萍老師,從當初的考研復試開始,我的技術基 礎薄弱,卷面成績也并不突出,但是導師還是很堅定的選擇了我,可以說,她的這 個決定直接改變了我的命運,因此,我倍加珍惜這次來不不易的學習機會,也憧憬 著能做到最好,把最好的一面展示給老師。無論是在我平時的學習研究中,或者參 加競賽或者出席各類學術活動,蔣老師總會把學生的發展和需求放在第一位,縱使 自己很忙碌,她都會停下手上的腳步,優先幫我解決遇到的困難。也是她一步一步 的引導我,給我指明前進的方向,讓我從當初進校時的默默無聞,到最后獲得了研 究生國家獎學金。

  其次我想感謝我的兩位師兄桑建和劉永,是他們帶我入門,在我撰寫畢業論文 完成畢業設計的過程中,給了我大量的技術指導。一直以來,兩位師兄不僅僅是我 的前輩,也是我最真摯的朋友,學習上他們毫無保留,一點一點的指導我,生活上, 他們也對我這個小師弟百般照顧,讓獨自一人漂泊在外的我感受到了如同兄長般的 溫暖。每當我遇到技術難題,他們都會主動幫助我,很輕易的就發現了問題關鍵所 在,彈指間便提出了解決方案,在我心里,兩位師兄的技術能力高度是我可望而不 可即的。最后我要感謝我的一位同學王丹,從我決定考研開始直至最后的畢業,她始終 都在我的背后鼓勵支持我,給了我很多實質性的建議,可以說,沒有她的幫助與鼓 勵,我也不會有這么大的動力,奮起直追,不斷進步,沒有她的建議與支持,我也 不會爭取到這么多機會,接觸到研究領域中的高等學府,最后能進入到一個理想的 高校。對我來說,她和同濟大學一樣,是機遇也是挑戰,需要我不斷努力,持之以 恒的同時,也給我帶來了無限的可能,讓我的人生更加精彩,輝煌!

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