基于STM32和Zigbee的危险预警系统设计

第1章绪论1.1研究目的及意义目前，关于该问题的一些学者已进行了较多的研究与讨论。在这些方法中，经验法不要求有太多的理论基础和推理的步骤，它的核心是以山洪事件的相关性、地理环境的相似性等为基础，来决定山洪灾害的临界降雨指数，在理论的基础上，有统计归纳法、山洪灾害实例调查法、内插法等。相似法和致灾降雨同频法，后四种方法多用于没有观测数据或观测数据少的地方。统计总结方法收集各降雨站点历年洪涝数据，经统计与分析后，得出洪涝灾害的临界降水量。在理论方法方面，它有着很强大的物理机制和推理过程，它以水文学、水力学、地理学为基础，并且还要求有很多数据做支撑，其中主要包含了水位反推法、土壤饱和度-降雨关系法、暴雨临界曲线法等。土壤饱和度-降雨相关法是以降雨总量为依据，剔除了土地的吸附与生长，这种方法要求有很多基本资料，其中包含了地形地貌、水文特性、降雨过程等内容。实际应用中，由于土壤饱和度、蒸发度等参数难以获得，故本研究的困难也很大。该方法仅依据前一次降水量和前一次降水量，且存在着很大的缺陷，不能按时间间隔进行综合分析。在实际生活中，水位逆向算法有着很大的实际意义，是以洪水的出现与暴雨的出现是同频率的为依据，并与防洪工程的施工相联系，以收集到的以往的灾害水位为依据，对临界降水量进行计算和分析。这个系统的研究目的是要构建实时监测和报警的信息化体系，并使用科学分析方法来判断报警机制，在分析的前提下，对风险灾难监测和报警系统展开设计和实施工作。使用ZigBee的编程、监控系统的软件设计和系统的联合测试，应用的重点是在农村和小区的防控中，给工作人员带来了可以直接观测真实的信息；为管理和决策人员提供预警分析支撑方法，向广大民众提供能够预先发出警报的信息，从而为民众赢得足够的疏散的时间。本文重点介绍了系统功能模块的详细的设计思路和实现方法，对系统关键技术和部分源代码进行了详细解释与说明。1.2国内外研究现状在国内，根据特大洪涝灾害的早期预警和预报，主导体是中科院、长江水利委员会和国家防总，在吸收了国际上的先进思想和方法之后，并且发展出自己的一套预测和鉴别的方法，然后发表了相关的技术指导方针；在监测网络中，对各点的选取及布置进行了优化。当前，在重大洪涝灾害的监测与预警领域，我国在全国范围内的雨水灾害区，已经开始进行山洪灾害治治县非工程措施项目的建设，并且构建出一套完备的监测预警系统和群测群防体系。通过建立自动化的、简易的降雨水位监测站，使其形成一个全面的自动化监测站网络，符合及时发布预警信息的要求，能够及时传递到各级地方。但是该项目的实施还面临着现场观测台站失效率高、需经常巡视、人员基础素养不高、人为干扰等问题。在中国，山洪灾害在出现的时候，往往会表现出某些共性，经过了这些年的探索，我们可以根据这些共性，来划分出山洪容易发生的区域，常用的方法是使用临界降雨方法来测量山洪的易发水平，并画出了一个国家的临界降雨分布图以及降雨平均等值线图。在这个基础上，结合我国的地形地貌和人文经济条件，对我国的山区洪水易发地区进行了分类。2022年\t"/kcms2/article/_blank"闫长军于《煤矿井下重大危险源监测及预警系统》着重介绍了我国有关这方面的研究进展和目前的研究状况，包括：瓦斯、煤层压力和煤尘等；水和火等，然后总结出了在矿井下的危险源监控和预警系统中存在的缺陷。其中对于不同危险源监测系统出现的信息孤岛问题，且深入探究了重大危险源整体监测及其预警系统平台的组织结构，并提出合理化的系统模型建议，最终为提升煤矿井下危险源监测及预警系统的高效性与精准性产生重要的参考价值。2019年\t"/kcms2/article/_blank"韩俊庆于《冶金地下矿山危险源辨识及事故预警系统应用研究》这篇文章指出，当前我国的矿井生产过程，由于矿井生产过程中的事故时有发生，导致了矿井生产过程中的安全问题日渐突出。以促进煤矿企业的科学与规范的管理为目的，本文在安全系统工程的思维方法的基础上，将研究对象定为冶金井下矿山日常安全生产过程中的危险源辨识、事故预警及相关的信息系统应用等，从人、物、料、法、环及其他多方面进行安全性研究。系统地进行危险源辨识,并在此基础上进行事故趋势预警分析,研发了一套冶金地下矿山危险源辨识及事故趋势预警系统。具体内容如下:(1)在分析矿山原有安全管理状况的基础上,通过“安全第一,预防为主”的指导方针,以系统论为指导,针对矿山安全生产提出了一系列危险源辨识程序,该程序采用了多种先进的危险源辨识分析方法,将矿山生产过程中各个危险源进行分类、赋值,提出了针对矿山安全生产标准化的管理考评标准,解决了安全生产管理难以量化考核的难题,形成了针对矿山企业危险源辨识的安全管理方法。(2)采用基于时间序列的预测方法,通过矿山安全事故趋势预警分析,建立了矿山事故预警系统。根据安全管理的实际情况,通过计算机系统收集有关数据,并根据国家标准、行业标准或企业安全管理要求确定预警条件,安全管理所出现的异常状况及时进行预警,满足矿山事故趋势管理信息化工作的要求。(3)通过上述研究,设计开发了针对冶金地下矿山危险源辨识及事故预警的安全管理信息系统。该系统实现了当前矿山企业安全管理中重大危险源的辨识、登记功能,以及矿山日常安全管理中所需要的职工安全预警、重要设备及场所状况预警、事故趋势异常预警及资料查询等功能,解决了冶金地下矿山安全管理不够科学化、信息化程度低等问题。该系统既可以应用到冶金地下矿山,也可应用到其它类似矿山的安全生产管理工作。在欧美许多国家，对我国的水、降雨情况进行了监测、预警、预测、治理等工作，取得了丰硕的成果。例如，美国江河预测中心与马里兰大学合作开发的一套基于分散式结构的“水文模式”预测系统，已经取得了良好的结果。此外，还开发了美国水文局的洪水警报指导制度，并将该制度应用于中美洲，韩国，南非等国家；在罗马尼亚和其他地方都有大量的使用。由日本国际合作组织发展的洪水初期预测系统，可以团体为单元发出警告。此外，WMO还在探讨洪灾早期预报，并建议推广综合洪灾管理，并以印度和其他南亚国家为例，进行示范性运用。当前，国际上关于重大洪涝灾害预警的研究，多以山区洪涝的危险度为依据，以山区洪涝灾害的危险度为依据，来进行分类；将该地区分为多个洪涝易发区，设置洪水易发区的危险度，采用自动监控技术，结合天气预测，实现对降雨过程的实时监控；根据对洪水发生的情况进行了预报，并对洪水发生的时机和灾害程度进行了预报。在国外，关于山洪风险的分析和识别技术的研究，大多是基于对以往山洪风险的调查，并与地形、地貌和气象相结合；水文、人口聚集点、经济分布等要素，经过对洪涝灾害可能发生的灾害类型、危险程度和可能影响的范围进行了科学的分析，同时还参考了历史洪水位来对危险区域进行了划分。在日本，利用短期降水的有效降水、雨强等因素对其进行了分析与预报，以考察其洪涝灾情的概率。在美国，由加州内华达江河预报中心建立的洪涝风险预测与评估体系，利用评分法建立体系。瑞典采用了“风险区域”的概念，以“风险区域”的概念来区分暴雨的种类，估算暴雨的危害程度。总之，国外对重大洪水探测的研究从未停止，而且近年来，随着科技的进步，其探测和预报的能力也在不断地提升；同时，对今后开展山洪灾害的预防和控制也有一定的参考价值。伴随着我国在监测技术和实践经验方面的探索和积累，我们已经总结出了良好的山洪灾害防控模式，也就是以自动监测和群测群防体系相结合的监测方法，并辅以智慧的信息化手段作为支持。在保证人民群众人身和财产安全的前提下，对国家防洪工作作出了重要的贡献。1.3主要研究内容第一章为导言，介绍了本文的研究目的和意义，介绍了目前国内和国外对这一问题的研究状况，并对各章节进行了介绍。第二章是系统的整体设计，对设计方案、功能需求（烟雾探测，人员探测和火焰探测）和单片机型号的选择（stm32）进行了说明。第三章是对该装置的软硬件进行了详细的设计，并给出了该装置的基本结构框图。第四章对该系统进行了软件设计，给出了该系统的整体工作过程，并对各个功能模块进行了详细的说明。第五章对该系统进行了实验，对实验结果进行了详细的说明，并对实验结果进行了分析。第2章系统总体结构2.1设计方案本文设计了一种以STM32为主控芯片的危险预警系统。结合了ZigBee模块、烟雾传感器、火焰传感器、热释电传感器、蜂鸣器模块。实现了对区域内危险的侦测和报警，以及向上位机及时通信的功能。原型试验证明：此设备具有结构合理、操作精确、技术可行和可靠等优点，值得在工程中使用和推广。图2-1总体框架图2.2功能需求分析2.2.1技术路线：1.硬件部分需要单片机STM32、烟雾传感器、火焰传感器、热释电传感器、ZIGBEE模块；2.软件平台程序用keil5；3.画原理图用AD；4.编程语言用C语言；5.用户信息显示查看；2.2.2预期结果：基于STM32和ZigBee的危险源预警系统设计1.通信方式：ZigBee，电脑端上位机2.上位机：（1）实时接收下位机数据，并显示；（2）发送指令，设置下位机模式：布防模式/非布防模式；（3）设置烟雾预警值；（4）接受到下位机警告，弹窗示警；3.下位机：（1）系统可实时监测危险烟雾状况，显示，并发送上位机；（2）系统可实时监测火焰状况，显示，并发送上位机；（3）系统可实时监测有无人员，显示，并发送上位机；（4）系统在布防模式下，监测到有不明人员靠近，蜂鸣器示警，并发送上位机警告信号；（5）系统监测到烟雾超出烟雾预警值，蜂鸣器示警，并发送上位机警告信号；（6）系统监测到火焰，蜂鸣器示警，并发送上位机警告信号；2.3单片机型号选择方案一：PIC系列：PIC（PeripheralInterfaceController）是MicrochipTechnology推出的单片机系列，具有低功耗和广泛的外设支持。它们在工业控制和嵌入式系统中广泛使用。然而，与其他系列相比，PIC在某些方面可能缺乏一些高级特性和性能。方案二：ESP系列：ESP（EspressifSystemsProduct）是以太网控制器和WiFi模块的芯片，例如ESP8266和ESP32。它们具有强大的网络连接功能，适用于物联网和无线通信应用。然而，ESP芯片在一些其他方面可能不如专门的单片机系列灵活和功能丰富。STM32F103C8T的原因：STM32F103C8T6是一款以

ARMCortex-M3内核为基础的高性能单片机，它拥有72

MHz的主频，也拥有着丰富的外设资源以及其他产品不具有的强大计算能力。多种外设支持：STM32F103C8T6集成了多个通用定时器、串行接口、模拟和数字传输接口，以及存储器控制设备等外部设施，方便与其他相关功能模块进行通信以及连接。丰富的开发工具和资源：STMicroelectronics提供了丰富的开发工具和资源，包括Keil、CubeMX和STM32Cube库等，使开发过程更加便捷和高效。STM32F103C8T6在工业控制行业，物联网和嵌入式相关领域等方面有很广泛的应用，具备良好的可靠性和稳定性。开源社区支持：STM32F103C8T6有着庞大的开源社区支持，用户可以从中获取丰富的示例代码、解决方案和技术支持。综上所述，选择STM32F103C8T6作为危险预警系统的主控芯片，具备强大的性能、丰富的外设支持和广泛的应用领域，同时享受开源社区的支持，可以满足设计要求并提供良好的开发体验。STM32F103C8T6是意法半导体公司以STM32系列

ARMCortex-M为核心研制而成的一款32位单片机，内置64KB以上的编程内存。工作时所需的电压为2伏至3.6伏，周围温度为-40至85摄氏度。STM32系列

MCU是一种具有较高性能和较强性能的MCU系列。这一类多功能微控制器经常被用在低成本，高性能，低能耗的嵌入式系统中，并且在功率消耗和集成度上表现出了优异的表现。因为它使用方便，构造简洁，而且具有很强的功能，所以深受业内的喜爱。图2-3STM32F103C8T6原理图2.4烟雾传感器型号选择方案一：ZP13烟感组件：ZP13烟感组件使用了国际上领先的芯片级厚膜半导体气体传感器。这种感应器对烟气、丙烷、其他气体非常敏感。模块经过老化，调试，校准；标定，符合性好，敏感性高。物理接口XH2.54-4P端子插座，信号开关量输出工作电压5.0±0.2VDC。但比其他传感器有些不灵敏。方案二：QT-MQ-2烟雾传感器：能够监测空气中的多种可燃气体，包括烟雾、液化石油气、甲烷、丙烷和丁烷等，适用于家用、办公大楼和工厂等地方的煤气泄露监控设备。烟气探测：DO在低于设定门限时，输出为高电平，高于设定门限时，DO在设定门限下，输出为低电平。门限调整：在这个组件里，蓝色的是用来调整门限的，当它按照这个方向转动时，门限就会变得更大，而当它按照这个方向转动时，门限就会变得更小。模块中‏‎蓝色的‏‎电位器‏‎是用于‏‎调节阀‏‎值，顺‏‎时针旋‏‎转，阈‏‎值会越‏‎大，逆‏‎时针越‏‎小。与‏‎DO不‏‎同，A‏‎O会输‏‎出模拟‏‎信号，‏‎因此需‏‎要与单‏‎片机的‏‎ADC‏‎采样通‏‎道连接‏‎。单片‏‎机可以‏‎通过此‏‎模拟信‏‎号来获‏‎取可燃‏气体浓度大小。因此选择QT-MQ-2烟雾传感器更好。2.5火焰传感器型号选择方案一：火焰传感器FFS07或FFS08：可以根据用户的需要来配备红外或紫外的感光器，该系统适用于没有高要求选择性检测的单燃料或者多燃料的炉膛火焰适用的燃料为:燃油、燃气、生物气体、粉尘或工艺气体等。但其可能不如其他传感器更加快捷灵敏。方案二：HY-A1型火警：内部装有火警探针，可检测到附近有没有火警，或是波长从760到1100

nm的火警。工作电压：3.3-5V，点火器的测量范围：80厘米左右，较大的火苗，测量范围较大。大小：三点二厘米x一点四厘米。VCC：可将3.3至5V的电力供给外部连接的电力正极界面。DO：可与MCUGPIO相连的数位讯号输出介面（0,1）。AO：一种可外部使用的ADC取样信道的模拟信号输出接口。但HY-A1火焰传感器更适用于stm32，所以选择HY-A1火焰传感器。2.6人体热释电传感器型号选择方案一：LHi968型具有标准二进制结构的感测器：具有优良的高端应用表现。LHi968的结构不仅减少了EMI的敏感性，而且还提供了优异的光学抗干扰性能。PYD1398拥有更高的

RF抗干扰能力，可以为更低的白色感光度选用不同的级别。方案二：LHi807TC系列传感器：配置了多个窄带滤光片。由于配置了一个单独的“盲”探测单元，LHi807通常具有温度补偿功能。PYS4198也具有类似特征和优势，它配置了2x2的大元件尺寸，可为非聚焦光学系统提供更多的信号。它配置了热补偿元件，可对外壳温度变化引起的热效应进行补偿。方案三：LHi778双元传感器：配置了带有不同窗口尺寸的标准TO-5外壳。但为了实现成本最小化，LHi778的窗口更小。2.7蓝牙模块型号选择方案一：HC-05蓝牙模块：可通过与主板集成，使其具有蓝牙功能。可以与其他支持蓝牙的设备进行通讯。HC-05蓝牙模块采用蓝牙4.0技术，减少了当设备使用时的能耗。这使得HC-05蓝牙模块成为能量有效的解决方案。HC-05蓝牙模块易于编程，可以使用Arduino等开发板、开发软件语言（如C++、Python等）编写代码来进行通信。但却不适用于此设计。方案二：

Zigbee是一种用于短距离和低速率下的无线通信技术，它主要应用于距离较短、功耗低且传输速率相对不高的各类电子设备之间进行数据传送，以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传送的应用。简而言之，

ZigBee就是一个高可靠性的无线数据传输系统。ZigBee数字传输模块与一个手机基站相似。它的通信范围从75米到几百米，甚至数千米都有可能，而且还能随意扩大范围。ZigBee网的构建，其特点是能耗较小、性价比高、延迟较小；具有强大的网络能力、操作简单、工作时稳定安全可靠等优点。综上所述，本文选择的是Zigbee模块。第3章系统的硬件部分设计3.1系统总体设计本文设计了一种以STM32为主控芯片的危险预警系统。结合了ZigBee模块、烟雾传感器、火焰传感器、热释电传感器、蜂鸣器模块。实现了对区域内危险的侦测和报警，以及向上位机及时通信的功能。通过对原型系统的试验，证明了其具有结构简单、操作精确、技术可行和可靠等优点，值得在工程中使用和推广。图3-1总体原理图3.2系统的主要功能模块设计3.2.1烟雾传感器模块设计烟雾传‎感器‏‎QT-‏‎MQ-‏‎2能‏‎够监测‏‎空气中‏‎的多种‏‎可燃气‏‎体，包‏‎括烟雾‏‎、液化‏‎石油气‏‎、甲烷‏‎、丙烷‏‎和丁烷‏‎等，可‏‎用于检‏‎测家庭‏‎、办公‏‎楼或工‏‎厂等场‏‎所的气‏‎体泄漏‏‎监测装‏‎置。V‏‎CC：‏‎电源正‏‎极接口‏‎，可外‏‎接3.‏‎3~5‏‎v供电‏‎电源G‏‎ND：‏‎电源负‏‎极接口‏‎，可外‏‎接电源‏‎负极或‏‎地线（‏‎GND‏‎）DO‏‎：数字‏‎信号输‏‎出接口‏‎（0和‏‎1），‏‎可外接‏‎单片机‏‎的GP‏‎IO。‏‎AO：‏‎模拟信‏‎号输出‏‎接口，‏‎可外接‏‎单片的‏‎ADC‏‎采样通‏‎道。用‏‎杜邦线‏‎把模块‏‎的VC‏‎C和G‏‎ND分‏‎别与单‏‎片机的‏‎3v3‏‎和GN‏‎D连接‏‎；把D‏‎O与单‏‎片机的‏‎其中一‏‎个GP‏‎IO连‏‎接；把‏‎AO与‏‎单片机‏‎的其中‏‎一个A‏‎DC采‏‎样通道‏‎连接。‏‎传感器‏‎通电后‏‎，需要‏‎先预热‏‎约60‏‎s后测‏‎量的数‏‎据才稳‏‎定。通‏‎电后传‏‎感器会‏‎出现正‏‎常的轻‏‎度发热‏‎现象，‏‎因为内‏‎部有电‏‎热丝。‏‎当可燃‏‎气体浓‏‎度小于‏‎指定的‏‎阈值时‏‎，DO‏‎输出高‏‎电平，‏‎大于指‏‎定的阈‏‎值时则‏‎输出低‏‎电平。‏‎模块中‏‎蓝色的‏‎电位器‏‎是用于‏‎调节阀‏‎值，顺‏‎时针旋‏‎转，阈‏‎值会越‏‎大，逆‏‎时针越‏‎小。与‏‎DO不‏‎同，A‏‎O会输‏‎出模拟‏‎信号，‏‎因此需‏‎要与单‏‎片机的‏‎ADC‏‎采样通‏‎道连接‏‎。单片‏‎机可以‏‎通过此‏‎模拟信‏‎号来获‏‎取可燃‏气体浓度大小。图3-2烟雾监测模块原理图3.2.2火焰传感器模块设计为了寻找火源，该系统采用了一种特殊的探测器——火焰传感器。当然，这种感应器也可以用来探测灯光的强弱，不过这种感应器对火光非常敏感。基于对火焰高度灵敏的特性，采用一种特殊的管子对火焰进行探测，并将其转换成可调的水平信号，再将其输出到CPU；在此基础上，对系统进行了相应的控制。火焰感应器：以多种燃烧产物，中间体，高温气体为主要原料。由碳氢化物和其他矿物组成的固态颗粒。在此基础上，研究了燃烧过程中的两种主要热源：气体热源的分立谱和固态热源的连续谱。虽然不同的燃烧型钌化合物的火焰辐射强度和波长分布各不相同，但是总的来说，它们相应的火焰温度在近红外波长和外部光区都有很大的辐射强度，可以将其制作为火焰传感器。利用该气敏元件可以检测出某些波长为700

nm至1000nm的火源或其他热源。在机械人竞赛中，使用红外线探测器作为机械人的“双眼”，搜寻火种和橄榄球。在此基础上，研制出了消防机器人，足球机器人等。该系统可对700nm至1000nm的外部光源进行60个检测角的测量，尤其是对880nm左右的红外光源具有较高的检测灵敏度。远红外线探测器将外部红外线强度的改变转换成电流，并在0到255之间进行反应。外部红外线强度愈大，其值愈低。随著红外线强度的减弱，其值逐渐增大。利用UV火焰感应器可以检测400nm以下的火源。利用向下的紫外线，可以按照具体的情况来设置探测器的角度，在这种情况下，紫外透射的可见吸收玻璃（片）可以对400纳米的波长进行检测，当红外光的波长在350纳米左右时，它的灵敏度就会得到最大的提升。在此基础上，利用UV火焰探测器将外部红外线强度的改变转变成电流信号，并用A/D变换实现对0-255的测量。当外部紫外线强度较高时，该值较低。当紫外线强度较低时，该值较高。紫外火焰传感器可以用来探测火源发出的400纳米以下。通过下紫外光，可根据实际设定探测角度，紫外透射可见吸收玻璃(片)能够探测到波长在400纳米范围以其中红外光波长在350纳米附近时，其灵敏度达到最大。紫外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为0～255范围内数值的变化。外界紫外光越强，数值越小；紫外光越弱，数值越大。图3-3火焰传感器模块原理图3.2.3蜂鸣器模块设计蜂鸣器属于一种将电号转化成声音信号的装置，经常被用来生成设备的按键音、报警音等提示信号。按照驱动方式，蜂鸣器可以被划分成两种类型：一种是有源蜂鸣器，另一种是无源蜂鸣器。有源蜂鸣器：它的内部是有一个振荡源的，如果把它的正负极连接上一个直流电压，就可以继续地发出它的叫声。顶端带有+符号的是阳极，如果蜂鸣器的引脚没有被剪切，那么就是阳极，而单片机的引脚不能直接用于蜂鸣器；采用

NPN三极管作为驱动器，由于单芯片的引脚驱动力受到限制，而蜂鸣器的功率又相对较高，因此必须采用三极管作为驱动器；R1是一个限制电流的电阻，当MCU的针脚被施加高电平时，三极管就会被接通，

VCC就会为MCU提供电源；若给出一个低电平，三极管就会被切断，与

PNP三极管的情况相同，不同之处在于，MCU的针脚在输出一个低电平导通，而在输出一个高电平时被切断。蜂鸣器模组原理图如下图。图3-4蜂鸣器模组原理图3.2.4人体红外热释电模块设计热释电式感测器，也叫人的身体红外线感测器，在防盗报警、访客通知以及无接触式切换等方面有着重要的用途。这种材料被认为是一种自发的极化态，它是一种具有特殊性质的材料。随着温度的增加，材料的自旋极性逐渐降低，到了居里点温度几乎为0。所以，在红外线照射下，物质的温度上升，其表面所带的电荷会降低，等于是部分的电荷会被放出，所以我们称之为“热释电”。将放电后得电荷经过放大后可转化成电压得输出。这就是为什么热电式感应器可以工作。在持续的照射下，热释电单元的表面电荷趋于一种均衡状态后，就不会再有电荷被放出了。这样，热释电式传感器就无法检测出稳定的红外线。热释电传感器采用的滤波器是一种被包覆在其外壳顶部的带通滤波器，能够对特定波段的红外光进行选择性过滤，而对超出热释电检测单元的红外光则无法穿透。作为热释电传感器的核心部件，热释电检测元是在热释电水晶的两侧涂覆了一层金属，然后进行了电极化，就像是一个用热释电水晶作为电介质的平板电容一样。在不稳定的红外线辐照下，会引起其表层的电荷浓度的变化，进而引起表层的电荷浓度的变化，进而形成热释电电流。检测单元的理论来源于菲涅耳镜头（英语：

Fresnellens)，也就是菲涅尔镜头（Fresnellens)，也被称为螺旋镜头，它是法国著名的物理学家奥古斯丁·菲涅耳（AugustinFresnel）提出的。这种方法原本是用在灯塔上的，因为它能制造出更大的口径，更短的焦距，更少的材质，更轻的重量和体积。与以前的镜片比较，菲涅耳镜片较细，因而能透过较多光线，所以在很长一段时间内，仍然能看到一座灯塔。热释电式感测器，也叫人的身体红外线感测器，在防盗报警、访客通知以及无接触式切换等方面有着重要的用途。这种材料被认为是一种自发的极化态，它是一种具有特殊性质的材料。随着温度的增加，材料的自旋极性逐渐降低，到了居里点温度几乎为0。所以，在红外线照射下，物质的温度上升，其表面所带的电荷会降低，等于是部分的电荷会被放出，所以我们称之为“热释电”。将放电后得电荷经过放大后可转化成电压得输出。这就是为什么热电式感应器可以工作。在持续的照射下，热释电单元的表面电荷趋于一种均衡状态后，就不会再有电荷被放出了。这样，热释电式传感器就无法检测出稳定的红外线。热释电传感器采用的滤波器是一种被包覆在其外壳顶部的带通滤波器，能够对特定波段的红外光进行选择性过滤，而对超出热释电检测单元的红外光则无法穿透。作为热释电传感器的核心部件，热释电检测元是在热释电水晶的两侧涂覆了一层金属，然后进行了电极化，就像是一个用热释电水晶作为电介质的平板电容一样。在不稳定的红外线辐照下，会引起其表层的电荷浓度的变化，进而引起表层的电荷浓度的变化，进而形成热释电电流。检测单元的理论来源于菲涅耳镜头（英语：

Fresnellens)，也就是菲涅尔镜头（Fresnellens)，也被称为螺旋镜头，它是法国著名的物理学家奥古斯丁·菲涅耳（AugustinFresnel）提出的。这种方法原本是用在灯塔上的，因为它能制造出更大的口径，更短的焦距，更少的材质，更轻的重量和体积。与以前的镜片比较，菲涅耳镜片较细，因而能透过较多光线，所以在很长一段时间内，仍然能看到一座灯塔。图3-5人体红外监测原理图3.2.5Zigbee模块设计图3-6Zigbee模块原理图3.2.6显示屏模块设计图3-7显示屏模块原理图3.2.7电源电路设计图3-8电源电路图第4章系统的软件设计4.1软件主流程图本文设计了一种以STM32为主控芯片的危险预警系统。结合了ZigBee模块、烟雾传感器、火焰传感器、热释电传感器、蜂鸣器模块。实现了对区域内危险的侦测和报警，以及向上位机及时通信的功能。原型试验证明：此设备具有结构合理、操作精确、技术可行和可靠等优点，值得在工程中使用和推广。图4-1总体流程图4.2烟雾监测模块的软件设计基于STM32和ZigBee的危险源预警系统设计，通信方式：ZigBee，电脑端上位机。实时接收下位机数据，并显示；发送指令，设置下位机模式：布防模式/非布防模式；设置烟雾预警值；接受到下位机警告，弹窗示警；系统可实时监测危险烟雾状况，显示，并发送上位机；系统监测到烟雾超出烟雾预警值，蜂鸣器示警，并发送上位机警告信号。图4-2烟雾监测流程图4.3火焰监测模块的软件设计基于STM32和ZigBee的危险源预警系统设计，通讯方法：

ZigBee，上位计算机.上位计算机对上位计算机的数据进行实时采集和显示。发出命令，设定控制方式：防备方式/无防备方式。收到了来自上级的警报，弹出了一个提示框。实现了对火场状态的监控、显示、传送给主机。当检测到火苗时，发出警报，并向上级发出警报。图4-3火焰监测流程图

第5章系统测试5.1系统实物图设计了一种以STM32为主控芯片的危险预警‎系统。结合了ZigBee模块、烟雾传感器、火焰传感器、热释电传感器、蜂鸣‎器模块。实现了对区域内危险的侦测和报警，以及向上位机及时通信的功能。原型试验证明：此设备具有结构合理、操作精确、技术可行和可靠等优点，值得在工程中使用和推广。图5-1系统完整实物图5.2测试原理上位机：实时接收下位机数据，并显示；发送指令，设置下位机模式：布防模式/非布防模式；设置烟雾预警值；接受到下位机警告，弹窗示警；图5-2上位机测试图下位机：对有害烟气的情况进行监控、展示、传送给主机。实现了对火场状态的监控、显示、传送给主机。该系统能对有没有人进行监控，并给出提示，并发送上位机；系统在布防模式下，监测到有不明人员靠近，蜂鸣器示警，并发送上位机警告信号；系统监测到烟雾超出烟雾预警值，蜂鸣器示警，并发送上位机警告信号；系统监测到火焰，蜂鸣器示警，并发送上位机警告信号；图5-3各项数据监测测试图如果附近有人员靠近，则RY显示为1，报警；如果有烟雾，则YW显示烟雾阈值，超过上位机所设置阈值则报警；如果附近有火源，则HY显示为1,报警。图5-4数据显示测试图第一行的yw代表的是烟雾传感器，第二行hy代表火焰传感器，第三行的ry代表人员是热释电传感器的信号显示，第四行的bf是蜂鸣器的英文缩写蜂鸣器的显示。第6章总结本设计是以 STM32为主控芯片 并‎结合了ZigBee模块、烟雾传感器、火焰传感器、热释电传感器、蜂鸣器模块的危险预警系统。实现了对区域内危险的侦测和报警，以及向上位机及时通信的功能。1.在对电源模块进行仿真时，经测试后的结果表明，在实际运行中，输出数值始终未达到设计要求。检查基础问题后。2.使用模拟程序，查找程序中的bug。之后进行了调试，发现当启动程序流程时，MCU没有进行适当的复位，在程序流程中增加了复位程序流程后，得到了正确的结果。3.当进行仿真时，不断地警告存在着一个逻辑bug。虽然没有影响到效应的输出，但是在特定的印制工艺中，电力供应线路的确会受到影响。经过研究后，我们发现，当资料讯息发出错误编码时，无法辨别繁忙状况。然后在设定中增加了“繁忙状态”，结果发现系统一切如常，并没有出现任何逻辑错误。参考文献[1]宁炳武.ZigBee网络组网研究与实现[D].大连:大连理工大学，2017[2]沈澍.基于ZigBee协议的无线传感器网络开发系统的研制[D].南京:东南大学，2016.[3]吕西午，刘开华，赵岩.基于ZigBee的无线监测系统设计与实现[J].计算机工程，2016，36(5):243-247.[4]高井峰.基于ZigBee的路由节点的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2016.[5]陈伟,崔妍,方方等基于ZigBee技术的环境丫辐射连续监测系统研究[J].核电子学与探测技术，2018(01).[6]崔祥斌，孙波，田钢.冰雷达探测研究南极冰盖的进展与展望[J].地球科学进展，2016，24(4):392-402.[7]王文虎.基于ZigBee的室内空气质量监测系统研究[D]上海:华东理工大学，2018.[8]李明，王睿，石磊.一种ZigBee无线传感器网络节点的设计[J].自动化技术与应用，2018.[9]陈莉，陶正苏.环境监测无线传感器网络节点的设计[J].仪表技术与传感器，2016.[10] 蒋鹏.基于无线传感器网络的湿地水环境远程实时监测系统关键技术研究[J].传感器学报，2017.[11] ZhaoF,GuibasLJ.WirelessSensorNetworks:AnInfonationProcessingApproach[M].MorganKaufmann,2017:1618[12] ChakeresD,KleinBendtL.AODVjr,AODVsimplified.SIGMOBILEMob.ComputCommm,2015:100-101.[13] IEEE802.15StandardWorkinggroup.WirelessMediumAccessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)specificationforLowRateWirelessPersonalAreaNetworks(LR-WPANs)[J/OL].IEEE802.15.4standard,2015.[14] LeinerBM,NielsonDL,TobagiFA.performanceAnalysisofIEEE802.15.4NonbeaconwiththeUnslottedCSMA/CA.IEEECommunicationsLetters,2015,12(4):561-563.[15] Dhaka.H,Jain.A.Verma.K.ImpactofcoordinatormobilityonthethroughputinaZigBeemeshnetworks[J].AdvanceComputingConference(IACC),2015:279-284.[16]苏衍,李华洋,张庆宇,茅家敏,周红标.基于STM32的危险源预警系统设计[J].工业控制计算机,2022,35(09):55-57.[17]韩超.机器视觉危险预警系统与乘用车匹配技术研究[D].北京工业大学,2014.[18]卢化昌.基于智能手机的危险驾驶行为预警系统设计与实现[D].武汉理工大学,2016.[19]王海珍,廉佐政,谷文成,崔志青.基于ZigBee的智能家居系统安全通信研究[J].电子测量技术,2021,44(18):78-84.DOI:10.19651/ki.emt.2107058.[20]雷文礼,张鑫,任新成,曹新亮,魏建朝.基于ZigBee的大棚环境监测系统设计[J].电子设计工程,2022,30(24):1-4+9.DOI:10.14022/j.issn1674-6236.2022.24.001.[21]尚川,高军伟.基于ZigBee和云端的列车轴温监测系统设计[J].传感器与微系统,2021,40(08):110-112+120.DOI:10.13873/J.1000-9787(2021)08-0110-03.[22]于国福.基于ZigBee3.0技术的智能家居系统设计[J].电视技术,2022,46(10):222-225.DOI:10.16280/j.videoe.2022.10.064.[23]许东辉,郭秀娟.基于ZigBee的室内温湿度与烟雾信号监测系统[J].安徽电气工程职业技术学院学报,2022,27(03):108-113.

附录A电路图附录B源代码#include"sys.h"#include"delay.h"#include"oled.h"#include"tim.h"#include"port.h"#include"app.h"#include"usart3.h"#include"adc.h"intmain(void){ delay_init(); //延时函数初始化 NVIC_PriorityGrou