基于智能传感器的火灾报警系统设计与实现

PAGEPAGE1基于智能传感器的火灾报警系统设计与实现摘要随着计算机模拟技术的发展，本文将使用单片机STM32L151C8T6芯片和LORA模块，设计一款无线烟雾传感器，通过传感器（烟雾）采用红外对射的原理，通过红外发射管的红外光束被烟尘粒子散射，散射光的强弱与烟的浓度成正比，所以光敏管接收到的红外光束的强弱会发生变化，转化为电信号，最后转化成报警信号。一旦确认火警，传感器通过主控芯片驱动LORA模块发出火警信号，实现报警数据数据通过无线上传。关键词单片机；STM32L151C8T6；LORA；烟感；无线上传1设计研究目的和意义设计研究目的首先，对于火灾给我们带来的惨痛教训已经不止一次，这种本可防患于未然的火灾险情，一旦发生，轻则损毁财产，重则会对我们可爱的消防战士造成伤亡，所以将火灾浇灭在“摇篮”之中十分重要。其次，国家投入了大量人力物力来预防火灾的发生，很多地方得到改善，但是人的精力总归有限，很多时候我们不可能做到24小时的坚守，这就要求我们人工智能的加入，来保障对于火灾预防报警的续航。最后，这次我选择的设计题目是基于智能传感器的火灾报警系统设计与实现，完成无线烟雾传感器的制作。设计研究意义理论意义智能烟雾传感器的制作是适应国家重视消防，提高智能行业在消防领域应用的发展；该传感器系统能够结合对应系统，实现对STM32F103L151C8T6芯片的开发与使用，可结合学过的单片机知识进行融会贯通；可通过此传感器的制作对操作STM32的库函数有一定练习，熟练掌握，可解决今后工作之后可能会遇到的硬件问题。实践意义在我国城市现代化进程中,消防力量不足、资源利用率不高等问题严重影响了城市消防安全管理工作的开展。"智慧消防"利用物联网、人工智能、虚拟现实、移动互联网+等最新技术,配合大数据云计算平台、火警智能研判等专业应用,实现城市的消防的智能化,可以有效解决社会消防工作的瓶颈问题。将自己在单片机领域学到的知识拓展应用到消防领域，为国家消防事业和人民财产安全贡献自己的一份力量。2国内外消防报警系统研究现状近年来，由于火灾带来的惨痛教训，国内消防意识逐步提高，在对火灾防控的投入明显加大。但是单纯依靠人力来预防火灾现状显然不现实，不可能所有的地方设施都能够做到24小时有人值守的一个状态，比如说博物馆、居民楼、文化古城等地方，这就要求我们要对消防报警功能的智能化进行有效提升，能够系统化地对火灾隐患提供报警，有效地将火灾险情防患于未然。随着社会工业化的不断进步与发展,消防安全一直是人们安全进行生产工作的重要问题。而在信息化的社会中,消防报警终端需要网络化才能发挥出最大的作用,作为一个成熟的通信网络,远程通信技术无疑成为了连接消防报警终端与显示设备的一个最佳选择[1]。基于ZigBee的智能火灾报警系统针对火灾探测复杂的、非结构的对象,以温度、烟雾和CO浓度为检测参数,采用了数据融合思想,用前馈BP神经网络作融合系统特征层,用模糊逻辑推理作决策层判决火灾或非火灾;将ZigBee应用于火灾报警系统,选用MSP430+CC2420方案设计的ZigBee节点,利用TI公司的Z-stack协议栈;结合ZigBee网络节点能量受限的特殊要求,采取相应信息融合策略,在监控主机与探测节点间合理分配信息融合层次,保证了在提高系统报警可靠性的条件下,提高网络寿命[2]。传统联网式烟感成熟可靠,但需重新布设网络和电源线,对于绝大多数已建成和已装修的建筑而言,改造施工代价太高,无法实施。而独立式烟感成本低、易部署,但是无法联网报警和管理,功能受限。系统的前端智能报警器可选择无线烟感报警器、声光报警器、可燃气体报警器等。前端设备为信息传感设备，主要负责采集现场的实时信息并将其传输至管理平台进行处理。无线网关是整个系统的枢纽站，其作用是桥接终端和服务器，接收来自终端的信号并转发至服务器,之后将服务器返回的信号传送到终端。前端设备与网关之间使用LoRa技术进行通信。后台的监控管理平台建立在消防报警指挥中心，包括网络服务器、数据库服务器、Web服务器等各种软硬件设备[3]。低压光电式烟感控制芯片,正在替代9V烟感芯片,成为安防系统中的主流,可以通过MCU及外围电路,在无烟和有烟环境下,根据经验算法完成自动标定,并通过485接口完成上位机的数据监测和统计,极大地简化了光电烟感器的生产和标定过程[4]。在此基础上设计了报警系统性能评估指标分析软件。然后对报警系统的抑制策略进行了研究,由于现有报警系统相关研究中缺少抑制策略和基于状态的报警相关研究,现有报警抑制方法缺乏完整性和系统性等问题,因此设计并提出了新的静态报警抑制策略。在现有的报警抑制研究基础上,总结并提出了静态/动态报警抑制策略的定义和特征,将分类筛选与数据过滤结合,建立基于数据驱动的静态报警抑制策略,以解决由于生产状态变化引起的误报警问题,提高报警系统工作效率[5]。3主要研究内容首先选择消防报警系统的设计与实现是针对目前国家对消防的重视，因为已经有很多的消防战士或者无辜人民因为无情的火灾而丢失生命，这些本可以防患于未然的火灾，需要我们用专业的知识来提供我们的帮助。之后我将实现烟雾报警传感器的设计与实现，其中核心模块主要是STM32F103L151C8T6芯片作为主控，通过对射灯来检验烟雾，之后加入了一个LORA芯片，目的是实现信息无线上报的功能。最后，通过应用AutoDesigner软件来画出电路图，之后用keil5软件对程序进行编写，编写成功后对硬件进行功能的测试。4无线烟感系统的设计方案和工作原理4.1系统设计的基本功能无线烟感可以实现对烟雾信息的实时监测，烟雾浓度超过报警值时，红外对射会检测到报警信息，将报警数据通过LORA无线上报至第三方设备，第三方设备可以通过二总线将数据上传至消防报警主机，实现远程监控。4.2烟雾报警传感器的介绍烟雾传感器是将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置，烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中。4.3烟雾报警传感器的分类1、离子式烟雾传感器离子式烟雾报警器内部采用例子式烟雾传感，离子式烟雾报警器是一种技术先进工作稳定可靠的传感器，它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下向正负电极稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压方向就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。2、光电式烟雾传感器光电式烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对射管，无烟时候，红外接收，本设计采用光电式烟雾传感器。4.4无线烟感的工作原理红外发射管的红外光束被烟尘粒子散射，散射光的强弱与烟的浓度成正比，所以光敏管接收到的红外光束的强弱会发生变化，转化为电信号，最后转化成报警信号。传感器对烟雾感应主要由光学迷宫完成，迷宫内有一组红外发射、接收光电管,对射角度为135度。当环境中无烟雾时，接收管接收不到红外发射管发出的红外光，后续采样电路无电信号变化;当环境中有烟雾时，烟颗粒进入迷宫内使发射管发出的红外光发生散射，散射的红外光的强度与烟雾浓度有一定线性关系，后续采样电路发生变化，通过传感器器内置的主控芯片判断这些变化量来确认是否发生火警，一旦确认火警，主控将电信号转换成报警信号，通过驱动SPI的使能LORA芯片将数据通过无线上报。5无线烟感系统的硬件设计5.1STM32F103L151单片机介绍5.2STM32F103L151单片机内部工作原理一、主要功能串口1、2发送和接收功能；ADC单次转换功能；MCU自带EEPROM写入、读取功能；RTC内部中断唤醒和闹钟唤醒，GPIO外部中断唤醒功能；进入STOP模式（低功耗）二、主要流程程序开始先对各个所需的外设模块、功耗设定进行初始化，其中RTC初始化部分需要判断RTC备份寄存器中的数据是否已被清除，若已被清除，则表示RTC时间已经丢失，需要重新设置RTC的时间；一般不断电的情况下，就算MCU出错重启，都不会令RTC丢失时间。初始化完成后进入主程序，主程序第一时间会通过串口打印出唤醒源：（RTC内部中断出厂前被改成关闭）#defineDEVICE_RTC_INT_FLAG0x02//RTC内部中断唤醒#defineDEVICE_ALARM_WKUP_FLAG0x03//RTC闹钟中断唤醒#defineDEVICE_BTM_WKUP_FLAG0x04//BUTTOM中断唤醒（GPIO中断）之后还有ADC的单次读取和MCU自带EEPROM的写入和读取；主程序的每一次循环都会读取MCU内部EEPROM所保存的ADC值并用串口打印，然后读取新的ADC数值写入EEPROM，替换掉之前所保存的ADC值，以此类推；之后MCU会进入5秒超时的AT指令模式，用于AT指令的操作，若5秒后没任何有效指令操作（即超时），MCU会再次进入休眠；若5秒期间MCU接收到有效指令，超时时间将会被刷新；期间也可以通过“AT+QUIT?\r\n”这条指令直接退出AT指令模式；每次执行到主程序的最后，系统都会进入STOP模式：/*系统进入STOP模式*/HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON,PWR_STOPENTRY_WFI);在进入STOP模式之前，必须对相关的外设中断标志位进行清除，否则有可能无法进入STOP模式；除此之外，还要对相关外设功能进行还原、并将其所复用的GPIO口进行设置（一般都设为模拟输入，防止电流泄漏，以降低功耗）；设置好后，MCU就会进入STOP模式，功耗1.3uA。当有三种唤醒源的任何一种中断触发，MCU都会被唤醒过来；要注意的是，刚唤醒时STM32L151会以MSI为主时钟，所以每次唤醒后都要对MCU的时钟重新设置，可直接调用voidSystemClock_Config(void)函数；另外，/*清除唤醒标记减少重复唤醒电流，减少3uA*/__HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);这句也必须每次唤醒调用，否则下次进入低功耗模式，电流会比以往大多3uA左右；每次唤醒，MCU会先执行完中断函数中的代码，然后才执行这句/*系统进入STOP模式*/HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON,PWR_STOPENTRY_WFI);之后的代码。之前被还原的外设都要被重新初始化，初始化完成就可以继续执行主程序，就这样一直循环。三、主要函数MX_XXX_Init();（XXX为外设名称，以下同等），这一类函数都是外设功能的基本参数设定：比如本例中的串口收发使能、波特率、停止位等；ADC的时钟分频、对齐方式等；RTC的日期时间、闹钟时间等、GPIO的输入/输出模式、速率、上下拉等控制设定；HAL_XXX_MspInit();，而这一类函数都是对外设功能的时钟开启、复用IO口的配置、外设所需的中断总线（NVIC）的开启；MX_XXX_DeInit();&HAL_XXX_MspDeInit();，相反的，这一类函数就之前两类函数的逆向操作，把设置好的外设功能进行还原；HAL_XXX_YYY_IT();（YYY为外设细分功能）表示允许并开启外设某个功能的中断，比如开启串口1的接收中断（HAL_UART_Receive_IT(&huart1,pData,sizeof(pData));）；一般配合whlie去使用，等待中断功能开启成功（while(HAL_UART_Receive_IT(&huart1,pData,sizeof(pData))!=HAL_OK);）；/分割线/串口：/* 串口发送函数：* HAL_StatusTypeDefHAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef*huart,uint8_t*pData,uint16_tSize, uint32_t Timeout)；* huart 指向用于发送的串口结构体* pData 指向待发送的数据缓冲区* Size 要发送的数据量* Timeout 处理时限* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* 串口开启接收中断函数：* HAL_StatusTypeDefHAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef*huart,uint8_t*pData,uint16_tSize)；* huart 指向用于接收的串口结构体* pData 指向接收数据缓冲区* Size 接收缓冲区大小* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* 串口中断处理函数：（重定义，具备AT指令识别和快速透传功能）* voidUSP_USART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef*uartRX,UART_HandleTypeDef*uartTX)；* uartRX 指向接收到数据的串口结构体* uartTX 指向透传对象的串口结构体****************************************************************************************************//* 打印函数：（重定义于usart.c文件中）* printf()；* 重定义：#ifdef__GNUC__/*WithGCC/RAISONANCE,smallprintf(optionLDLinker->Libraries->Smallprintfsetto'Yes')calls__io_putchar()*/#definePUTCHAR_PROTOTYPEint__io_putchar(intch)#else#definePUTCHAR_PROTOTYPEintfputc(intch,FILE*f)#endif/*__GNUC__*/PUTCHAR_PROTOTYPE{/*Placeyourimplementationoffputchere*//*e.g.writeacharactertotheEVAL_COM1andLoopuntiltheendoftransmission*/HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)&ch,1,0xFFFF);returnch;}****************************************************************************************************//分割线/ADC:/* ADC转换开始：（若ADC配置成连续转换，则运行此函数后，ADC会不断进行转换，需执行 HAL_ADC_Stop(）才会停止）* HAL_StatusTypeDefHAL_ADC_Start(ADC_HandleTypeDef*hadc)；* hadc 指向ADC模块的结构体、* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* 等待ADC转换完成：* HAL_StatusTypeDefHAL_ADC_PollForConversion(ADC_HandleTypeDef*hadc,uint32_tTimeout)；* hadc 指向ADC模块的结构体* Timeout 处理时限* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* 获取ADC转换完成后的值：* uint32_tHAL_ADC_GetValue(ADC_HandleTypeDef*hadc)；* hadc 指向ADC模块的结构体* uint32_t 返回值（ADC转换完成后的值，STM32的ADC分辨率为12位，所以此 值可用16位变量保存）****************************************************************************************************//* 停止ADC转换：* HAL_StatusTypeDefHAL_ADC_Stop(ADC_HandleTypeDef*hadc)；* hadc 指向ADC模块的结构体* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//分割线/FLASH（EEPROM）读写：/* 解锁FLASH，令FLASH允许访问：* HAL_StatusTypeDefHAL_FLASH_Unlock(void)；* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* FLASH写入：* HAL_StatusTypeDefHAL_FLASH_Program(uint32_tTypeProgram,uint32_tAddress,uint64_tData)；* TypeProgram 数据类型，根据需写入的数据大小选择（8位，16位，32位）* Address 数据存放起始地址（此MCU的EEPROM地址由(0x08080000~ 0x08080FFF)，一共4Kbye）* Data 需写入的数据* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* 锁定FLASH，令FLASH禁止访问：* HAL_StatusTypeDefHAL_FLASH_Lock(void)；* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//分割线/4.RTC：（RTC当前日期时间的设置/获取最好不要单独进行，由于设置/获取时间寄存器的 过程需要一定时间去释放时间寄存器（期间寄存器的数值不能被改变，硬件自身也 不能，可比喻成暂停了计数），所以调用此函数后最好也调用一次 HAL_RTC_Set/GetDate（）；以释放日期寄存器中的值，消除释放时间寄存器所 需的时间偏差，防止单读取时间的偏差而造成日期时间不同步）/* RTC当前日期设置：（设置日期参数时必须设置星期位，不需要星期功能可写入0x00屏蔽，但不能 什么都不写入，否则会造成日期数据出错）* HAL_StatusTypeDefHAL_RTC_SetDate(RTC_HandleTypeDef*hrtc,RTC_DateTypeDef*sDate,uint32_t Format)；* hrtc 指向RTC参数的结构体* sDate 指向RTC日期参数的结构体* Format 日期写入格式（分BCD码（1248）和BIN码（十进制））* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* RTC当前时间设置：* HAL_StatusTypeDefHAL_RTC_SetTime(RTC_HandleTypeDef*hrtc,RTC_TimeTypeDef*sTime,uint32_t Format)；* hrtc 指向RTC参数的结构体* sTime 指向RTC时间参数的结构体* Format 时间写入格式（分BCD码（1248）和BIN码（十进制））* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* RTC获取当前日期：* HAL_StatusTypeDefHAL_RTC_GetDate(RTC_HandleTypeDef*hrtc,RTC_DateTypeDef*sDate,uint32_t Format)；* hrtc 指向RTC参数的结构体* sDate 指向RTC时间参数的结构体* Format 日期读取格式（分BCD码（1248）和BIN码（十进制））* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* RTC获取当前时间：* HAL_StatusTypeDefHAL_RTC_GetTime(RTC_HandleTypeDef*hrtc,RTC_TimeTypeDef*sTime,uint32_t Format)；* hrtc 指向RTC参数的结构体* sTime 指向RTC时间参数的结构体* Format 时间读取格式（分BCD码（1248）和BIN码（十进制））* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* RTC获取当前闹钟时间：* HAL_StatusTypeDefHAL_RTC_GetAlarm(RTC_HandleTypeDef*hrtc,RTC_AlarmTypeDef*sAlarm,uint32_t Alarm,uint32_tFormat)；* hrtc 指向RTC参数的结构体* sAlarm 指向RTC闹钟参数的结构体* Alarm 要读取的闹钟（AlarmA或AlarmB）* Format 时间读取格式（分BCD码（1248）和BIN码（十进制））* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* 开启RTC闹钟中断：（闹钟时间只能匹配到日、星期、时、分、秒，没有年、月匹配功能）* HAL_StatusTypeDefHAL_RTC_SetAlarm_IT(RTC_HandleTypeDef*hrtc,RTC_AlarmTypeDef*sAlarm, uint32_tFormat)；* hrtc 指向RTC参数的结构体* sAlarm 指向RTC闹钟参数的结构体* Format 时间写入格式（分BCD码（1248）和BIN码（十进制））* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* 开启RTC内部中断：（与Timer计数器类似）* HAL_StatusTypeDefHAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT(RTC_HandleTypeDef*hrtc,uint32_t WakeUpCounter,uint32_tWakeUpClock)；* hrtc 指向RTC参数的结构体* WakeUpCounter 计数器溢出值* WakeUpClock 计数器自增频率（共6种：可由RTC时钟分频、固定1Hz等，详情查看 STM32CubeMX选项）* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、忙碌、错误、超时）****************************************************************************************************//* 禁止RTC内部中断：（不需要RTC内部中断就用这句吧，还要记得删掉其他的 HAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT（）；）* uint32_tHAL_RTCEx_DeactivateWakeUpTimer(RTC_HandleTypeDef*hrtc);* hrtc 指向RTC参数的结构体* uint32 返回值（成功、超时）****************************************************************************************************//* RTC日期时间设置封装函数：（自定义，加入RTC时间是否丢失的判断功能，注释掉MX_RTC_Init();里面的日期时间设置，用这个吧！）* voidRTC_DataTime_Set(void)；****************************************************************************************************//* 开启RTC闹钟中断封装函数：（自定义，默认闹钟时间只需匹配到时、分、秒，执行完此函数后，闹 钟时间会被设置为当前时间的20秒之后，可按个人喜好更改）* voidRTC_Alarm_WakeUpTimer(void)；****************************************************************************************************//* 开启RTC内部中断封装函数：（自定义，主要是开启中断后需重置一下ISR寄存器，让RTC模块退出 初始化模式，否则时间有可能不跑）* HAL_StatusTypeDefRTC_Internal_WakeUpTimer(uint32_tWakeUpCounter)；* WakeUpCounter 计数器溢出值* HAL_StatusTypeDef 返回值（成功、超时）****************************************************************************************************/低功耗：/* PVD低电压警报使能/禁用：（使能后，当MCU的电压低于预设值会产生一个EXTI中断，但一直开 启PVD会有额外功耗）* voidHAL_PWR_EnablePVD(void)； voidHAL_PWR_DisablePVD(void)；****************************************************************************************************//* 关闭/打开内部参考电压（VERFINT）：（关闭后，MCU唤醒时可忽略VREFINT的开启时间，节省内 核唤醒时间）* voidHAL_PWREx_EnableUltraLowPower(void); voidHAL_PWREx_DisableUltraLowPower(void);****************************************************************************************************//* 允许/禁止忽略内部参考电压（VERFINT）唤醒时间：（与voidHAL_PWREx_EnableUltraLowPower(void);一起用）* voidHAL_PWREx_EnableUltraLowPower(void); voidHAL_PWREx_DisableUltraLowPower(void);****************************************************************************************************//* 在STOP模式下允许/禁用调试模块（禁用可降低功耗，但无法用SWD或JTAG调试）* voidHAL_DBGMCU_EnableDBGStopMode(void)； voidHAL_DBGMCU_DisableDBGStopMode(void)；****************************************************************************************************//* 系统进入STOP模式（进入前，必须清除所有的EXTI、RTC警报、RTC唤醒、RTC侵入检测、RTC时间 戳的未处理标志位。）* voidHAL_PWR_EnterSTOPMode(uint32_tRegulator,uint8_tSTOPEntry)；* Regulator 内部电源变换器在STOP模式下的工作模式（有正常模式和低功耗模式，推荐低功耗模式）* STOPEntry 唤醒机制（WFI&WFE）：