基于单片机技术的无线智能报警系统设计

摘要

　　基于单片机技术，研制了一种新型多功能无线智能消防报警系统。系统在实 现传统烟雾报警的同时，使用 MQ-2 气体敏感元件来实现对一些可燃气体浓度的 检测，通过热敏电阻构成温度采集模块，使用火焰传感器，通过捕捉火焰发出的 红外线来进行火焰识别与监控。系统对上述四种监测信号进行多信号采集与处理 之后发送给单片机。系统通过搭建 BP 神经网络来进行数据处理，进一步提高报 警的准确性。系统在实际测试中达到预期设计目标，体现在当监测参数超过系统 预设阀值，系统即进行报警。系统基于 LORA 无线通信协议，使用 433 无线模块 来进行短距离无线通讯，同时使用 GPRS 模块来进行远距离传输。系统具备集成 度高，通信方式多样化，消防报警功能全，运行功耗低，易于普及和移植的特点， 可满足多种场合的烟雾检测、可燃气体浓度报警、温度监控、火焰识别的功能。

　　关键词：单片机；消防报警；多信号采集；BP 神经网络；无线通信

　　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

目录

　　第 1 章 绪论

　　1.1 研究背景

　　随着人们生活水平的提高，煤碳、壁炉、酒精灯等一些易引发消防事故或者高 污染的资源和设备正逐渐被天然气、管道煤气所代替，人们的生活方式得到了一定 的改善，危险系数也进一步的降低。尽管如此，每年因为各种因素，居民楼、医院、 学校、工厂等地还是出现了各种大大小小的消防安全事故，加之城市里高层建筑密 集，人口密度大，短时间疏散困难等一系列原因，每年因为消防事故而造成的人员 伤亡和财产损失都不可估量[1-5].

　　目前市面上的大多产品还是停留在了传统的烟雾报警层面，主要存在的问题表 现在报警不及时，报警距离受布线的限制，功耗大，大面积安装成本大以及实施难 度大，报警方式单一，功能匮乏等缺陷[6].例如家用、小空间独立式烟雾报警器， 一旦现场没有人的时候，受到报警方式和距离的限制，一旦出现消防事故，也无法 第一时间提醒到当事人和消防部门，从而无法及时做出反应和处理。再例如，网上 已经出现了一些无线报警器，其报警方式具备 GPRS 无线传输，虽然解决了传统的布 线问题，但是只是具备某种一种通讯方式，而且成本高，顾此失彼，没有考虑全面[7].

　　再例如目前广泛使用的烟雾报警器，使用的是光电传感器来感应监控环境中的烟雾 浓度，只具备了一种报警信号采集模块，此模块可以很好的应对一般燃烧过程中会 产生浓烟的火灾，但在其他消防事故中就显得捉襟见肘，比如实验室中一些由易燃 金属引起的燃烧，或者周围可燃物为一些燃烧过程中不产生浓烟的物体，或者是面 对可燃气体的泄露，在这些特殊情况下，传统的烟雾报警器就不能满足需要[8].

　　综上，本设计针对目前生活中传统消防报警器的不足开发出了一种低功耗，性 能稳定，传输方式多样，安装便捷，易于普及，可以采集多种报警信号的无线智能 报警系统。

　　1.2 研究目的和意义

　　近些年来，由于人工智能的发展与普及，很多行业和领域的设备都进行了换代 更新，通过更加精准的算法与更先进的控制方式，使得很多设备都具备了高集成度、 高性能、多目标分析等特点[9]. 虽然目前市面上已经陆续出现一些基于无线控制方式的火灾报警器，但是其性 能与稳定性良莠不齐，各种弊端也是层出不穷，应用领域窄，因为其本身的功能就 决定了其应用的范围，存在着很大的改进与升级空间[10].市面上的消防报警器有一 些也加入了温度监控功能，但是依旧远远不够，报警精度和系统不能做到很好的兼容，各自过于独立没有形成完备的系统，报警器之间，报警器与系统之间没有太多 的关联性。

　　另外，在一些非烟雾性质的易燃危险气体泄露方面，也是绝大多数烟雾 报警器无法检测到的，例如酒精、甲烷等。在当今大数据很普及的环境下，报警器 几乎还停留在独立的个体层次，报警的范围也有着很大的局限性，虽然近期也出现 了一些带 GPRS 或者无线功能的报警器，但是其成本往往又不能很好的控制，不易普 及，也给产品的批量化生产增加了难度[11].由于独立式无线报警器是单独供电，如 何在满足基本功能的同时又可以尽可能的延长待机时间，这对于报警器本身也是一 个不得不去考虑问题，因此功耗问题也显得至关重要[12].

　　基于单片机技术的智能无线消防报警系统是在光、机、电一体化平台上实施的， 综合计算机、光学、信息与传感器技术、图像处理、数据采集分析等多学科技术背 景下设计出来的，在增加了多项功能和提升系统各项性能的同时，其尺寸与传统报 警器接近，甚至更小[13].应用范围广泛，有着极低的待机功耗，智能化程度高，这 也是今后智能报警方面的发展趋势与要求。

　　1.3 国内外研究现状

　　1.3.1 国内报警器发展现状

　　国内目前普遍采用的火灾自动报警技术，主要有两种：一种是非智能火灾自动 报警技术，包括嫁接新技术的老式或传统火灾自动报警技术，七十年代末出现的可 寻址火灾自动报警技术和八十年代初期出现的模拟量可寻址火灾自动报警技术，这 些技术尽管高技术含量少，但由于成木低，能满足众多小型民用和商业防火保护需 要，而被国家广泛应用[14-17]. 另一种是代表现代火灾自动报警技术发展水平和发展趋势的智能火灾自动报警 技术，从八十年代中期开始开发到九十年代中期己发展成熟，并得到广泛应用的采 用具有人工智能理论和技术的高级算法软件的智能集中型模拟量可寻址智能火灾自 动报警技术（即由智能控制器做报警决策的智能火灾自动报警技术）和九十年代初 期开发，并得到应用的采用人工智能理论和技术的高级算法软件（主要指模糊逻辑 和神经网络软件技术）的智能分布型智能火灾自动报警技术（即由智能探测器做报 警决策的智能火灾自动报警技术）[18].

　　智能集中型智能火灾自动报警技术发展最快、应用最广、现已成为智能火灾自 动报警技术中的一种主导技术，其中，由 50 只左右模拟量可寻址感烟探测器构成的 小型智能集中型火灾自动探测系统发展最快、应用数量最多，不仅大大改进了小空 间的防火安全，而且也推动了火灾报警工业的发展。智能火灾自动报警技术主要用 于解决大、中型空间防火安全和多种系统的联动问题[19-22].

　　1.3.2 国外报警器发展现状

　　八十年代以来，特别是九十年代以来，随着经济建设和半导体、微电子、光电、 计算机和信息等科学技术的迅速发展，国外火灾自动报警技术以市场为导向，以应用高新技术为先导，以减少误报率、提高可靠性、灵敏度和扩大探测范围为根 本目的，在开展基础理论和应用技术研究、老产品技术改造、新产品开发、标准和 规范制修订、产品质量认证和检验、系统设计安装和维护、扩大应用范围和提高应 用效益等方面，都有了很大发展，出现了许多新产品、新技术、使火灾自动探测报 警系统从火灾探测、报警传输、信号处理、报警控制显示到与其他系统联动等一系 列功能性能和可靠性大大提高与完善，减少了误报率，增强了人们预防现代各种火 灾的能力，为保卫人类生命和消费安全发挥了重要作用，成为现代消防技术中的一 种必不可少具有广阔发展前途的前沿消防技术和手段[23-26].

　　1.3.3 报警器发展趋势

　　当前，智能火灾自动报警技术发展的一个显著特点和重要趋势是使用模糊逻辑 和神经网络高级算法软件。人工智能理论和交互技术被越来越多的智能火灾自动探 测系统采用，已成为消防自动报警技术中的前沿技术和核心技术[27].

　　1.4 研究内容及主要工作

　　研究主要设计了一款智能无线报警系统，系统主要由独立式无线报警器、现场 集中器、终端设备组成。独立式无线报警器主要由传感器、信号放大处理模块、蜂 鸣器、复位按键及 LED、电源模块、无线通信模块、单片机及其外围电路组成。设 计中的现场集中控制器提供了一个现场报警、监控以及信号传输的功能，现场集中 控制器配备了一款具备触摸显示功能的 TFT 屏幕，可以实时显示各项监控数据以及 完成一些监控阀值的设置。同时，使用配套的人机界面开发平台还可以针对不同的 场合需要设计出不同的人机界面。上位机设计主要是监控界面的设计以及报警终端 接收报警信息的方式设置[28-31].

　　本设计考虑了不同的应用场合，配备了四种报警传感器分别是烟雾传感器、温 度传感器、捕捉火焰燃烧时发散出的红外线的火焰传感器，以及检测易燃危险气体 浓度的可燃气体浓度传感器。

　　1.5 论文结构

　　论文的主要分为六章来进行阐述。

　　第一章主要介绍一下研究的背景、研究的意 义、报警器国内外发展现状以及报警系统未来的发展趋势，介绍了研究的内容和具 体工作内容。

　　第二章阐述了系统的总体设计方案，介绍了系统的硬件设计与软件编 程环境，分析了系统的性能需求并给出了系统的应用案例。

　　第三章对系统的主要模 块的硬件电路进行了细致的分析与介绍，包括其设计思路与工作原理。

　　第四章介绍 系统的软件设计，主要包括主程序、故障自诊断、数据采集与处理和系统的报警逻 辑。

　　第五章是对系统的干扰因素进行了分析与介绍以及针对提高系统抗干扰能力所 采取的优化措施。

　　第六章进行了样机的实际调试，对系统的主要功能进行了实际测 验，观察系统的各项指标与性能。

　　第 2 章 无线智能报警系统的设计方案

　　2.1 无线智能报警系统的概述

　　2.2 系统总体设计方案与结构

　　2.3 系统硬件架构设计

　　2.3.1 独立式无线报警器

　　2.3.2 集中控制器

　　2.3.3 监控终端

　　2.4 系统软件架构设计

　　2.5 系统功能结构

　　2.6 系统性能需求分析

　　2.6.1 报警精度与反应时间要求

　　2.6.2 可靠性与安全性要求

　　2.6.3 兼容性与扩展性要求

　　2.6.4 故障处理要求

　　2.7 硬件设计平台和程序编辑环境介绍

　　2.4.1 AD 软件简介

　　2.4.2 KEIL 软件简介

　　2.8 系统应用方案介绍

　　2.9 本章小结

　　第 3 章 系统的硬件电路设计

　　3.1 电源模块

　　3.2 单片机的选择以及外围最小系统电路的设计

　　3.2.1 单片机的选择

　　3.2.2 单片机外围电路设计

　　3.3 可燃气体检测模块

　　3.3.1 MQ-2 的工作原理

　　3.3.2 可燃气体浓度检测模块的电路设计

　　3.4 红外火焰监控模块

　　3.4.1 红外火焰传感器的工作原理

　　5 烟雾监控模块

　　3.5.1 烟雾监控传感器的工作原理

　　3.5.2 烟雾监控模块的电路设计

　　3.6 温度监控模块

　　3.6.1 温度监控模块的工作原理

　　3.6.2 温度监控模块的电路设计

　　3.7 声光报警模块

　　3.7.1 蜂鸣器驱动电路设计

　　3.7.2 LED 驱动电路设计

　　3.8 无线信号传输模块

　　3.8.1 433 短距离传输模块电路设计

　　3.8.2 GPRS 远距离传输模块电路设计

　　3.9 本章小结

　　第 4 章 系统的软件设计

　　4.1 系统报警逻辑

　　4.2 人机界面设计

　　4.3 报警器的干扰源

　　4.4 报警系统抗干扰措施

　　4.5 本章小结

　　第 5 章 BP 神经网络数据分析

　　5.1 系统 BP 神经网络搭建

　　5.1.1 样本数据

　　5.1.2 BP 神经网络架构设计

　　5.2 数据预处理

　　5.3 输出数据分析

　　5.4 输出数据处理

　　5.5 本章小结

　　第 6 章 系统样机的综合调试

　　6.1 系统测试环境

　　6.2 系统功能测试

　　6.2.1 可燃气体浓度检测

　　6.2.2 火焰监控与识别

　　6.2.3 烟雾浓度检测

　　6.2.4 温度采集与监控

　　6.3 本章小结

　　结论

　　针对目前广泛应用的烟雾报警器进行了从有线布局到无线信号传输的创新， 基于 LORA 无线通信协议下，使用了 433 段距离无线通信模块，使得独立式报警 器在具备一定的信号穿透力的同时，报警传输距离可以达到 200 米，结合 GPRS 远距离无线传输模块以及因特网等方式，可以进一步极大的拓展报警信号的传输 距离并丰富报警信号的接收方式。设计针对复杂工业环境有着很好的应用效果， 在实现传统火灾烟雾报警的同时又融合了温度监控、火焰识别以及可燃危险气体 浓度监测，大大拓宽了消防报警器的应用环境。硬件方面主要使用到了 STM8 和 STM32 这两款单片机，利用 STM8 本身的低功耗特性以及心跳程序可以实现独立 式报警器的超低功耗待机。 设计中利用 BP 神经网络，通过分析输入的报警样品值来得到一个输出范围值。 依据系统输出的数据，结合智能报警系统的报警触发条件，可以极大程度上减少因 为系统电路以及模块自身设计缺陷所带来的误差从而提高智能报警系统的报警触发 精度与正确性。

　　软件上使用了 KEIL 来进行 C 语言的编写，主要包括独立式无线报警器程序 编写以及现场集中控制器程序编写。使用 AD 软件来进行了 PCB 的设计与绘制， 针对系统的功能需求设计了包括单片机电路，传感器电路，电压转换电路等一些 列电路。使用特定的人机界面开发软件在现场集中控制器上制定了一套特定的操 作界面，用户可以实时离线设置报警阀值与系统参数设置。 最后，在特定环境下对烟雾报警功能、温度监测功能、火焰识别功能以及可 燃危险气体浓度监测功能进行了硬件上的运行与测试。最终，在满足基本烟雾报 警识别的同时，火焰识别报警触发率在 95%,报警器温度采集精度高达 99.59%, 温度采集误差为 0.41%,可燃危险气体浓度监测方面，利用电压每升高 0.1V,实际 被测气体的浓度增加 200ppm 的模块输出特点也可以很好的监控环境中气体浓度的 变化。

　　设计综合考虑了各种报警触发条件，使得报警器的运用场合得到了很大的扩展， 具备无线通信功能，安装快捷方便，配合设计的低功耗电路，可以实现长时间待机 功能。另外根据具体的需求搭配相应的无线模块，实现不同距离的无线传输。本设 计在多点触发，防误触发方面也做了一定的逻辑判断，防止出现死机现象。针对一 些特殊场合，还需要满足更加高的测量精度，这就需要传感器的精度需要达到一定 的要求，另外现实环境中，不免会有各种干扰信号和一些阻挡，影响信号的接收和 发送，目前本设计在产品功能上基本实现，之后还会针对以上问题来进行不断优化。

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　　致谢

　　随着毕业将至和毕业论文撰写完成，我的硕士学习生涯也随之告一段落，回首 这两年多，我经历了生命中最精彩的一段时光，因为硕士的学习平台，我有机会接 触到了很多行业大咖，有机会出国参加一些国际学术会议，有机会加入老师的研究 项目去一些更高层次的平台。这两年多，是我目前为止学生生涯中最忙碌的几年， 但同时也是收获最大，成长最快的几年。 这其中，我很感激我的导师蒋文萍老师，从当初的考研复试开始，我的技术基 础薄弱，卷面成绩也并不突出，但是导师还是很坚定的选择了我，可以说，她的这 个决定直接改变了我的命运，因此，我倍加珍惜这次来不不易的学习机会，也憧憬 着能做到最好，把最好的一面展示给老师。无论是在我平时的学习研究中，或者参 加竞赛或者出席各类学术活动，蒋老师总会把学生的发展和需求放在第一位，纵使 自己很忙碌，她都会停下手上的脚步，优先帮我解决遇到的困难。也是她一步一步 的引导我，给我指明前进的方向，让我从当初进校时的默默无闻，到最后获得了研 究生国家奖学金。

　　其次我想感谢我的两位师兄桑建和刘永，是他们带我入门，在我撰写毕业论文 完成毕业设计的过程中，给了我大量的技术指导。一直以来，两位师兄不仅仅是我 的前辈，也是我最真挚的朋友，学习上他们毫无保留，一点一点的指导我，生活上， 他们也对我这个小师弟百般照顾，让独自一人漂泊在外的我感受到了如同兄长般的 温暖。每当我遇到技术难题，他们都会主动帮助我，很轻易的就发现了问题关键所 在，弹指间便提出了解决方案，在我心里，两位师兄的技术能力高度是我可望而不 可即的。最后我要感谢我的一位同学王丹，从我决定考研开始直至最后的毕业，她始终 都在我的背后鼓励支持我，给了我很多实质性的建议，可以说，没有她的帮助与鼓 励，我也不会有这么大的动力，奋起直追，不断进步，没有她的建议与支持，我也 不会争取到这么多机会，接触到研究领域中的高等学府，最后能进入到一个理想的 高校。对我来说，她和同济大学一样，是机遇也是挑战，需要我不断努力，持之以 恒的同时，也给我带来了无限的可能，让我的人生更加精彩，辉煌！

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