侯 琳，李百靈，王馨鐸，于 洋，楊巨成

（天津科技大學(xué)人工智能學(xué)院，天津 300457）

隨著社會的進步，科技的發(fā)展速度也越來越快，城市的大型高層建筑數(shù)量也越來越多。建筑的不斷拔高，建筑面積也在不斷增加，導(dǎo)致火災(zāi)安全形勢十分嚴峻。由于消防安全監(jiān)管機構(gòu)的人員數(shù)量有限，且缺少有效的技術(shù)支持和社會化的協(xié)作，重大的火險隱患未能及時發(fā)現(xiàn)、整頓和消除，火災(zāi)風(fēng)險發(fā)生的概率仍然居高不下。

為有效減少火災(zāi)消防安全隱患，國家消防總局于2017-10-10 印發(fā)了《關(guān)于全面推進“智慧消防”建設(shè)的指導(dǎo)意見》。文件要求應(yīng)綜合使用大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新的信息技術(shù)，要加快“智慧消防”的建設(shè)，全面推動信息化同消防工作的深度融合，構(gòu)建全覆蓋的社會防火災(zāi)管理體制，實現(xiàn)從“傳統(tǒng)消防”到“現(xiàn)代消防”的轉(zhuǎn)型。因此，智慧消防應(yīng)運而生，而無線火災(zāi)報警器可以為安全提供保障，能夠快速地將火情信息警報發(fā)出，減少損失。

該系統(tǒng)采用單片機作為主控，各模塊協(xié)同工作，由單片機協(xié)同完成整個系統(tǒng)的功能設(shè)計。本設(shè)計的重點是對微處理器進行控制，以完成微處理器的數(shù)據(jù)采集、運算、輸出、控制，所以對單片機的了解與掌握尤為重要。單片機的實質(zhì)為對單片機的IO 管腳的應(yīng)用[1]。根據(jù)項目的情況將單片機的IO 管腳設(shè)置為輸入或者輸出引腳，通過單片機的引腳輔以外圍電路設(shè)計與C 語言程序的配合，完成煙霧采集的功能設(shè)計。

1 設(shè)計方案

以單片機為核心的火災(zāi)報警系統(tǒng)，采用單片機來完成最小系統(tǒng)的建立，保證設(shè)備可以正常運行。通過輔助的電路來實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)信息的采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機整理后顯示輸出，或者作為邏輯的控制輸出。

單片機系統(tǒng)主要由晶振電路與復(fù)位電路組成，主要負責外圍數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)運算，最后進行數(shù)據(jù)輸出與邏輯控制功能；煙霧探測用MQ-2 型煙霧傳感器探測煙塵體積分數(shù)，MQ-2 型煙霧傳感器通過單片機的數(shù)據(jù)采集進行煙霧體積分數(shù)的測量；按鍵電路模塊主要由按鍵構(gòu)成，其主要作用是執(zhí)行信息的輸入，并通過按鍵與設(shè)備的控制進行交互；顯示模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，單片機通過顯示程序驅(qū)動顯示屏顯示數(shù)據(jù)，從而讓系統(tǒng)的運行狀態(tài)清晰可見，方便進行觀察；報警模塊通過驅(qū)動報警裝置，當遇到限值超標情況時，方便人員快速處理突發(fā)狀況；Wi-Fi 通訊模塊通過單片機的UART（異步收發(fā)傳輸器）接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，實現(xiàn)設(shè)備之間的信息傳遞與遠程交互；輸出模塊中單片機通過采集的狀態(tài)判斷輸出指示，通過控制輸出狀態(tài)與外圍輔助電路實現(xiàn)輸出的狀態(tài)與輸出控制功能。

2 模塊電路設(shè)計

單片機是具有智能化的中央控制單元，核心部分由無數(shù)的微晶管組成，眾多的微晶管構(gòu)成與非門電路系統(tǒng)，通過程序的運行控制與非門通斷，可以對邏輯進行輸入和輸出的控制，并根據(jù)不同的控制邏輯來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。由于單片機本身無法獨立工作，因此必須與外部電路協(xié)同工作，構(gòu)成最小系統(tǒng)，以達到智能控制目的，能在單片機工作狀態(tài)下達到最低限度的部件就是MCU（Microcontroller Unit）最小系統(tǒng)[2]。本次設(shè)計采用STC 系列單片機STC89C52 作為項目的控制器，主要是8 位的CPU（Central Processing Unit），具有64 kb 的尋址空間，一共具有4 組32 個輸入與輸出的IO 管腳，具有2 個優(yōu)先級與5～6 個的中斷，并且具有1 個UART 串行通訊接口[3]。

2.1 顯示電路設(shè)計

LCD1602 是一種較為常用的液晶顯示屏，它的主要功能是用來顯示數(shù)字或字符信息。LCD1602 的組成主要包括了液晶部分的LCD（Liquid Crystal Display）器件、控制與驅(qū)動電路部分、電容電阻等元器件集成在一塊電板上做成的一種液晶顯示器件。液晶顯示屏幕主要具有功耗較低、顯示內(nèi)容靈活、信息較多、驅(qū)動方便、顯示刷新頻率快的特點。液晶屏幕只需要5 V的供電電壓就可以實現(xiàn)液晶的正常工作與驅(qū)動。LCD液晶顯示是由“.”分布組成，液晶主要結(jié)構(gòu)是M×N個的單元模塊。根據(jù)字庫或者取模實現(xiàn)“.”組成不同的數(shù)字與字符，驅(qū)動芯片內(nèi)部的RAM（Random Access Memory）的寄存器地址分別對應(yīng)相應(yīng)的字符組成結(jié)構(gòu)。

2.2 按鍵控制電路設(shè)計

按鍵是一個機械結(jié)構(gòu)，當觸發(fā)時兩端的按鍵管腳會接通，當彈開時候按鍵兩端管腳斷開。單片機檢測到低電平說明外部按鍵觸發(fā)，從而執(zhí)行按鍵操作程序。按鍵是一個接卸結(jié)構(gòu)，當按下時可能看不出振動，但是單片機檢測時候會存在一個振蕩過程，所以就需要一些處理手段來實現(xiàn)防抖動，否則按鍵就會多次檢測實現(xiàn)誤差或者按鍵不靈敏。采用程序?qū)崿F(xiàn)防抖動，在檢測按鍵時候加入5～10 ms 的延時就可以實現(xiàn)按鍵防抖。

2.3 煙霧檢測電路設(shè)計

采用氣體檢測模塊實現(xiàn)對空氣中氣體體積分數(shù)的檢測，氣體檢測模塊是通過化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)的，也可以稱之為電化學(xué)反應(yīng)。隨著空氣中氣體體積分數(shù)的改變，氣體檢測傳感器的內(nèi)部會發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，這樣就間接導(dǎo)致了傳感器的輸出模擬電壓會發(fā)生變化。單片機可以通過采集AD 數(shù)據(jù)將這個模擬的變化量采集出來，從而會得到氣體體積分數(shù)的變化量。

本設(shè)計使用MQ-2 型傳感器對大氣中的煙霧體積分數(shù)進行探測，MCU 探測到傳感器的引腳電平變化就可以實現(xiàn)對外部煙霧體積分數(shù)的判斷。當要實時監(jiān)測煙霧的體積分數(shù)數(shù)值時候就需要接入ADC（Analog-to-Digital Converter）芯片實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，也就是煙霧體積分數(shù)到電壓的變化，單片機通過采集的數(shù)字量實現(xiàn)了對體積分數(shù)的檢測。由于MQ-2 的傳感器特性，當剛接上電的時候，需要預(yù)熱MQ-2 傳感器才可以正常工作，一般上電幾分鐘就可以完成預(yù)熱得到準確的測量數(shù)據(jù)。

2.4 報警電路設(shè)計

報警模塊可以發(fā)出聲音或發(fā)光，利用聲響來警告異常狀況，從而實現(xiàn)警示作用。該設(shè)計的報警功能是通過蜂鳴器來實現(xiàn)的，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，會有聲音的提醒。蜂鳴器的報警采用三極管9012 作為一個開關(guān)器件，控制蜂鳴器是否發(fā)出聲音。電源電壓為5V 驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音，單片機的P2.0 引腳連接到9012 三極管的基極。當單片機的P2.0 引腳輸出一個低電平時，Q1 三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警聲音；當單片機的引腳輸出一個高電平時，Q1 三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)生。單片機通過控制IO 引腳實現(xiàn)對蜂鳴器報警的間接控制，起到了系統(tǒng)聲音預(yù)警的作用。

2.5 氣體檢測模塊設(shè)計

氣體探測模塊是利用化學(xué)方法實現(xiàn)對大氣中氣體體積分數(shù)的監(jiān)測，也可以稱之為電化學(xué)反應(yīng)。當氣體體積分數(shù)發(fā)生變化時，傳感器內(nèi)部會產(chǎn)生不同的化學(xué)反應(yīng)，這樣就間接地導(dǎo)致了傳感器輸出的模擬電壓有一定的改變。單片機可以利用采集的AD 數(shù)據(jù)把這個模擬的變化量采集出來，從而會得到氣體體積分數(shù)的變化量。采集氣體體積分數(shù)是將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量然后給單片機使用，從而得到氣體體積分數(shù)變化以便設(shè)備做出反應(yīng)。一般來說氣體傳感器想要正常進入工作狀態(tài)需要預(yù)熱幾分鐘，等待傳感器中的化學(xué)反應(yīng)初始化完成，這個時候測量的氣體體積分數(shù)就會相對準確。鐵網(wǎng)部分為氣體檢測傳感器，傳感器只需要接入電壓5V 電源正常供電即可，氣體傳感器的輸出引腳為第3 個引腳，根據(jù)檢測需求連接到單片機中即可檢測氣體體積分數(shù)。

2.6 Wi-Fi 模塊電路設(shè)計

設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的通訊功能，采用Wi-Fi 模塊的型號是USR-WIFI232 模塊與手機之間進行連接。USR-WIFI232 模塊采用終端模式設(shè)置，手機搜索到模塊信號進行連接，即可接入到網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)Wi-Fi之間的無線數(shù)據(jù)交互。USR-WIFI232 模塊采用的供電電壓是3.3 V 供電，超過電壓可能導(dǎo)致Wi-Fi 模塊燒毀，使用時候采用降壓芯片可以實現(xiàn)穩(wěn)定的電源供給。USR-WIFI232 模塊內(nèi)部集成了以太網(wǎng)協(xié)議，用戶不需關(guān)心網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議，只需要完成數(shù)據(jù)的傳輸即可。模塊與單片機之間采用串口來進行數(shù)據(jù)的傳輸，通過透傳模式將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)端，用戶也不必關(guān)心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，只需要直接解析數(shù)據(jù)即可。將Wi-Fi 模塊的第3個引腳連接到單片機的RXD（接收數(shù)據(jù)的引腳），將Wi-Fi 模塊的第4 個引腳連接到單片機的TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)的引腳），這樣就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。根據(jù)模塊使用說明需要在Wi-Fi 模塊的第10 個引腳加入上拉電阻，這樣模塊就可以進入到正常工作狀態(tài)。

2.7 繼電器模塊電路設(shè)計

繼電器是常用的一種電子開關(guān)設(shè)備，單片機可利用IO 引腳實現(xiàn)控制，最常見的應(yīng)用為弱電壓控制強電壓的一種手段。繼電器的開啟或關(guān)閉是根據(jù)電磁現(xiàn)象來實現(xiàn)的，當繼電器沒有通電，繼電器的觸點在彈簧的作用下處于分開狀態(tài)，當電流通過控制端子的線圈時，會形成一個磁場，通過磁場來吸引觸頭，繼電器就處于開啟狀態(tài)，從而完成開關(guān)的基本功能。本設(shè)計采用一個三極管9012 作為電路的控制開關(guān)，增強線圈中的導(dǎo)通電流。該控制器與P2.4 管腳相連接，當P2.4管腳的輸出為低電平時，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流通過繼電器線圈，形成一個磁力吸收觸點，從而使繼電器能夠接通。三極管在P2.4 是高電平時斷開，繼電器不動作。采用二極管4148 實現(xiàn)反向擊穿保護，防止線圈中斷電之后產(chǎn)生電壓而燒毀器件。

3 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

采用STC89C52 單片機控制連接硬件設(shè)備，對紅煙霧傳感器采集的煙霧體積分數(shù)進行分析，對單片機相連的輸出設(shè)備進行相應(yīng)的操作[4]。此系統(tǒng)當中與STC89C52 設(shè)備相連的是MQ-2 煙霧傳感器?；馂?zāi)傳感器把采集到的數(shù)據(jù)信息上傳到單片機中并進行顯示，通過Wi-Fi 模塊連接到手機的APP 中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程查看。

單片機程序運行時，必須要啟動主函數(shù)main，會首先從主函數(shù)的第一個程序開始，然后依次執(zhí)行[5]。主程序主要包含了數(shù)據(jù)的定義部分、循環(huán)部分和調(diào)用子函數(shù)部分。程序最先進行的是各個傳感器的初始化程序，等傳感器都進入到正常的運行狀態(tài)之后進入循環(huán)程序，循環(huán)程序會一直執(zhí)行，從第一條開始調(diào)用對應(yīng)的子程序，然后依次執(zhí)行到最后，接著再次返回到循環(huán)程序的第一條開始反復(fù)地運行。

3.2 傳感器程序設(shè)計

傳感器檢測程序主要是利用MQ-2 檢測煙霧的體積分數(shù)，MQ-2 把檢測的模擬量通過ADC 轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。當ADC 讀取數(shù)據(jù)，采集完成后會輸出一個數(shù)字量，這個數(shù)字量就是MQ-2 傳感器采集的體積分數(shù)數(shù)據(jù)，單片機通過傳感器采集的體積分數(shù)與設(shè)置的體積分數(shù)進行比較，實現(xiàn)傳感器的檢測數(shù)據(jù)與煙霧的體積分數(shù)報警。

傳感程序主要是對外界的各種信號進行檢測，并進行采集，再由單片機對數(shù)據(jù)進行計算和處理，并完成相對的邏輯功能。在傳感器通電后，由微處理器初始化傳感器設(shè)置，再進行數(shù)據(jù)的采集，判斷是否正確。如果采集成功，則對采集的數(shù)據(jù)進行處理；如果失敗，則再次進行采樣，最后根據(jù)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果實現(xiàn)對相應(yīng)程序的處理。

4 APP 程序設(shè)計

4.1 登錄界面

登錄界面設(shè)計步驟如下：①聲明用戶名編輯框、密碼編輯框，登錄按鈕，設(shè)置登錄按鈕的事件監(jiān)聽器；②點擊登錄按鈕后，獲取用戶名編輯框和密碼編輯框的文字，然后和用戶名、密碼比對，若比對成功，則跳轉(zhuǎn)到主界面，否則彈出一個Toast 提示登錄錯誤。

4.2 主界面

主界面設(shè)計步驟如下：①定義控件，綁定控件，設(shè)置連接按鈕和發(fā)送按鈕的事件監(jiān)聽器；②實例化一個Handler 對象，Handler 用于Android 子線程和UI線程的線程間通信；③點擊連接按鈕后，開啟一個線程進行Socket 的連接，并在連接成功后通過Handler對象發(fā)送“連接成功（msg.what=1）”消息到UI 線程；④Handler 處理“連接成功”消息，開啟一個線程死循環(huán)一直讀取服務(wù)器消息；⑤點擊發(fā)送按鈕后，開啟一個線程通過輸出流發(fā)送數(shù)據(jù)。