【《智能火灾报警控制系统设计》15000字】

智能火灾报警控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u195441绪论 253341.1选题背景与意义 2125301.2.1国外研究现状 2281681.2.2国内研究现状 3276371.3火灾报警器发展趋势 4221011.4论文结构 581082系统总体方案设计 7193142.1系统需求分析与设计 733712.2系统组成及框图 891043系统的硬件设计 934913.1硬件系统总体设计 9183863.2主控模块 10285393.2.1微控制器简述 10306123.2.2单片机最小系统电路设计 1074263.3数据采集模块 116973.3.1温度采集模块 11250883.3.2烟雾采集模块 1270673.4蓝牙模块 1336883.5显示模块 1395593.6声光报警模块 14266153.7语音播报模块 15188183.8联动控制模块 16106383.8.1L298N电机模块驱动 16144823.8.2ULN2003步进电机驱动 1716624系统的软件设计 18211174.1软件系统主程序设计 1864414.2温度检测子程序设计 2085384.3烟雾检测子程序设计 2180924.4声光报警子程序设计 2276904.5蓝牙驱动子程序设计 23158904.6OLED显示检测子程序设计 24141344.7AndroidAPP上位机设计 25323864.8Android中连接MySql数据库的简单实现 2654115调试与分析 28157805.1系统调试 28105315.1.1系统测试步骤 28309925.1.2 系统的硬件测试 28198965.1.3系统的软件测试 29203255.2分析与改进 3093756总结与展望 31190996.1总结 3126526.2展望 321绪论1.1选题背景与意义火灾是全球最常见的一类灾害，几乎每天都会发生，所以消防警报系统已成为各个行业不可或缺的安全网络系统，而可靠的监控和数据传送是整个系统的关键部分[1]。随着我国经济的迅速发展，各类高层建筑、大中型商业建筑、厂房等纷纷涌现，对消防安全的要求日益提高，越来越严格[3]。所以，消防安全预警系统的设计和设备选择是非常关键的。但是在传统的消防报警系统中，总线数据冲突是常见的、功能单一且价格昂贵，然而，近几年来，一些低成本、高性能微处理机在各类电路及通信中的应用，特别是对电路的控制有很大的改进。[4]。因此，正确采取预防火灾的手段是人类与火灾作斗争的重要依据，也是向对消防这种高危一种产业的安全保证。现代信息技术和通信技术的迅速发展，消防安全预警系统的结构和形式日益灵活多变，一代又一代的消防科技工作者不断实现各种技术突破，致力于为人们提供一种简单的、廉价的火灾自动报警装置而不懈奋斗。在目前比较炙热的有：大楼消防产品的迭代、维护和创新，蕴藏着巨大的市场空间。当前各类建筑项目尤其是高层建筑、复杂建筑日益增多，我国已制定并修订相关建筑规范，要求高层建筑、图书馆、档案馆、公共建筑等设置火灾自动报警系统。随着住宅火灾的逐渐兴起，住宅消防市场出现了新的需求，在发达国家，家用防火产品已成为主要的市场，各国政府通过制定相关政策、广泛宣传等措施，积极推进家庭小型火灾报警系统，独立式点型火灾探测报警器，独立式可燃气体探测报警器等。那么，在技术发展和实际需要的情况下，是否有一种能够实现无人值守的大楼火灾监测装置，能够在最短的时间内发现火灾，并将其扼杀在萌芽状态？对此研究一种更好的火灾自动报警系统，弥补各个独立系统检测的不完整性，从而对不能及时、不能果断处理火灾情况而引发的一系列火灾问题尤为重要。本课题旨在对智能火灾报警系统进行设计和研究，该系统能够在一定范围内及时发现火源，而且能迅速且准确的做出报警，以便人们及时处理，挽回损失，其结果是，在一定程度上，能够有效地预防和降低火灾事故的发生，具有巨大的经济效益和社会效益，在保证人民的生命财产安全方面，有着重大的实际意义。1.2国外内研究现状分析1.2.1国外研究现状从最初的敲锣打鼓，到现在的社会发展，人们逐渐开发出了可以防止火灾的高科技产品，为人类节约了大量的人力和财力。但是，消防自动报警技术虽然已经发展了一百多年，但是其发展和应用一直困难重重。1840年，美国第一次出现了火灾报警装置，这是第一次出现在人们的视线中。1890年，英国的感温型火灾探测器被开发并投入使用，标志着火灾自动报警系统的发展已经步入了轨道[5]。

国外的诸多发达国家都已经具备了相对完善的火灾报警体系，从预防、报警、扑救及善后处理一系列流程都体现其人性化的一面。同时，为了保障人民群众的生命财产安全，每年政府都会花费相当庞大的一笔财政收入，用以对消防安全设备的更换、维修，甚至于消防安全员，也长期开展培训，培养和锻炼消防安全知识。目前，国外发达国家达到信息共享有两种方法：(1)将使用者的终端传感器与电脑相连；（2）将使用者终端与讯号采集器连接。及时快捷的将火灾信号进行传输。同时，在美国、日本、加拿大、英国等地则偏好于将自动报警系统接入到公共报警系统中，且有效运行多年，可以说在准确定位、确定火灾类型、及时信息回馈等诸多方面都有着值得我国借鉴的重要意义。国外的火灾传感装置主要开始于19世纪50年代，当时装置主要还是以温度传感为主要传导方式，期灵敏度低并且对于阴火的检测微乎其微，很难实现对于灵敏的火灾报警器的要求。20世纪50年代出现烟感报警器，烟感报警器由于其灵敏度以及探测效果方面成效显著而被广泛应用，但由于人类生活条件的发展，烟感报警器由于使用寿命较短而逐渐不能满足人们对于环保的需求，随着科学技术的发展，又被一种新的材料所代替，那就是光电元件制成的光烟感报警器。仿真可寻址技术的运用，极大地改善了消防系统的安全性、准确性、智能化，在消防系统的历史上有着重要的意义[7]。 1.2.2国内研究现状近几年，国内外已经有了一套基于无线通讯的消防自动报警系统。该系统采用无线通讯技术取代了传统的有线通讯技术，它将大部分的电子设备都是通过无线网络技术实现的，适合于各种高大的写字楼和居民区以及车站、仓库等。[8]。我国火灾报警系统发展及现状迄今为止，我国火灾报警装置的研制经历了一个极其漫长的进化过程，从无到有，从简单到复杂，从非智能到智能，一步步的改变都体现着科学进步的不易，但是即便如此，也无法改变我国火灾报警系统起步晚，核心技术掌握不全等一系列问题，而我国有关火灾报警器的研究开始于19世纪70年代，即使在80年代，面对改革开放的主要格局，我国的火灾报警装置也只是一味的模仿，而缺乏自我创新的意识，没有获得真正意义上属于自己国家的专利技术[9]。但也正因为改革开放的前期铺垫，外资于90年代开始了注资进入中国的浪潮，给予我国的不单单是产业的多样化，更是技术的多样化，为我国的发展带来了巨大的生机。国内企业开始与国外融资，获得技术支持，开拓国内市场，在世界范围内也占有一席之地。通过更新产品的性能，我国企业自身拥有的技术水准已经处于国际普通标准之上。因此，国外的大多数产品仅占有了一部分的市场。当然，现在我们只在华夏市场站稳脚跟，才刚刚起步。可以说，这段时期迎来了我国火灾报警装置的黄金时期，我国大部分的企业都是以轻工业或者服务业为主，当时缺乏如火灾报警器一类具有自主知识产权的技术行业。无论是时代背景还是政策支持，我国的火灾报警装置行业拥有了能和国外优质企业一争高下的实力和契机。我国众多的消防产品企业生产的产品一度活跃在消防工作的第一线，他们不仅承担着促进社会经济发展的重大任务还需要为我国的广大消费者提供更多优质的产品和服务[10]。而我国目前也正在从“MadeInChina”向“CreateByChina”转变。拥有自己核心技术的火灾报警装置必然会在世界全球一体化的大背景下，成为能够与国际企业相竞争的优秀技术设备。1.3火灾报警器发展趋势火灾报警器的设计以及应用应该进一步着力于国际当前发展形势，加强对于系统能力的改善，针对于新兴技术，新材料技术等，使火灾报警技术向着智能、可靠、小型化等方向发展。（1）网络化火灾报警器利用计算机技术以及无线技术将探测、控制、报警等各个系统之间通过计算机网络协议进行连接，利用IEEE协议，TCP协议等进行连接，从而来实现对于大数据的调用，利用计算机网络将独立的各个模块系统进行组合，使之成为一个大型的网络，并且利用网络，实现相关信息以及资源之间的信息共享，使开发人员可以仅仅通过网络就可以进行宏观检测处理，从而弥补人员对于各个独立系统检测的不完整，从而产生不及时，不果断处理问题的情况。（2）智能化仪器智能化体现在探测器，即传感器网络，以及控制处理器方面，在一个系统中分别承担着不同的责任，利用智能化仪器可以提高检测的速率以及仪器的稳定性和可靠性。采用智能控制的方式，利用传感器对温度、湿度、烟雾浓度等条件进行检测，对于产生的火灾进行判断，其中包括火势大小，烟雾弥漫方向等，从而使得PC端的人员及时计划实施扑救方法，给出详实的合理化建议，最大程度去减少损失以及人员伤害，并且，在持续探测的过程中及时记录温度、烟雾浓度、湿度等环境因素数据发展趋势更加有利于后期判断火灾原因，火灾产生的具体时间，成为调查此次火灾事件责任的重要依据之一。（3）多样化火灾报警器的探测技术一直都是基于单传感器技术的偏多，按照原理可以分为以下几种，温度传感器，烟雾传感器，火焰传感器，湿度传感器等，较为先进的技术也就是结合两种或几种传感器融合，其中最有效的火灾报警器下的传感器类型便是烟感探测器，但在新型技术开发应用下，纳米、声波、静电等技术是目前消防技术发展的趋势和应用方向。其中，纳米材料的化学活性较好，更适用于制成烟雾探测器，更快更准确地探测烟雾浓度，易燃或易爆气体，蒸汽湿度等并进行预警处理，目前该项目已经成为了消防工作者的重点研究课题。设备连接方式的多样化，随着无线技术，包括WI-FI技术、Zigbee技术等发展，不同的设备材料之间根据具体应用，具体环境，具体场所选择更适合、更方便、更可靠的通信技术，不仅仅局限于有线连接设备，同样，也可以利用设备之间进行无线技术和有线技术的融合，形成互补的局面，各个探测器互相通信，数据和信息的传输，由网形探测器转换为星型网络探测器。（4）小型化火灾报警器逐渐走向网络化，其中的子系统控制设备以及探测部分的小型化技术便是最重要的部分，可以减小小型报警设备的安装，利用网络化模块中的设备，资源，探测器等进行替代，这样，火灾自动报警器的安装，使用等才能更加简洁，方便并且更加的经济。1.4论文结构本论文基于STM32智能火灾报警系统的设计采用了目前互联网领域已经较为成熟的理论知识和开发技术，分析设计并实现一个面向各类用户使用的一套防报警系统，分为上下位机。论文总共分为六个章节，安排如下：绪论。这一部分着重介绍了本文的设计背景、意义以及目前的国内外研究现状，介绍了本课题研究的发展趋势，并简要介绍了本文的各个章节的内容。系统设计的相关需求分析、系统框图、系统组成与功能。介绍了智能火灾报警系统的市场行情，所运用到的设计总体方案，所实现的功能的介绍。系统硬件模块的分析。主要从系统总体设计的各个硬件部分，为主控制器、数据采集、通讯、声光报警、显示、语音、联动控制等模块七个方面进行分析，明确系统的各个功能模块的详细功能。火灾报警系统的设计。对系统所使用的开发语言，整体软件流程、详细步骤、每个模块的软件设计行为进行论述，确定各个软件环节功能的实现的详细流程。系统的调试与分析。主要讲述了针对系统的功能，从测试步骤到硬件测试再到软件测试进行逐一测试的过程，该部分主要是对开发的软件与硬件设计进行最后的测试，确定整个系统是否存在问题。设计总结。总结本次设计，简述了系统仍需完善改进的细节。

2系统总体方案设计2.1系统需求分析与设计在国家对减灾和防灾意识的提高和对消防市场的巨大吸引力的作用下，我国自主式消防报警系统已经从传统的开关量感烟、模拟量感烟向多感应及多标准智能检测器的发展历程发展。在加快城市化进程中，城市的高层建筑、大型商场等场所大量增加，火灾报警市场需求规模日益增长。如图2-1所示，近几年火灾报警系统产品行业规模在逐步攀升，结合国民市场调研数据来看，我国火灾报警系统产品市场规模在260-400亿元左右。图2-1：2016-2020年中国火灾报警产品市场规模（单位：亿元）目前，国内火灾报警系统产品市场竞争格局较为分散，青鸟消防、海湾安全、中消云等品牌年收入在10亿元以上，其它品牌年收入大多在10亿元以下。而随着物联网的发展，物联网技术、通信技术、云计算、大数据、移动互联网等技术的迅速发展，火灾报警系统产品行业向智能化、网络化、技术无线化、多样化方向发展，将在智慧消防领域发挥越来越大的作用。随着新一代信息技术的发展，物联网技术在消防领域的应用越来越广泛。利用信息技术和信息技术在消防安全中的应用，通过对消防信息的实时、动态、互动、融合的消防信息采集，推动政府和有关部门开展社会消防监督管理，增强消防机构灭火救援的指挥、调度、决策和处置能力，不断地攀向高起点。在此基础上开发一套基于物联网的智能消防报警系统，它是一种常见的消防安全防范系统，它是一种能够检测周围环境中的烟雾浓度和温度的变化，并在一定的时间内发出警报，以达到报警、降低财产损失、保护人身安全的目的。其作用如下：1.能够监测到温度和烟雾浓度的数据变化；2.能及时给出相应的灯光和声音报警信号；3.能发送监测信息至手机端，便于用户远程监测。2.2系统组成及框图图2-2系统设计框图该系统设计的是一种智能火灾报警系统，用来实现办公室火灾检测报警以及辅助处理的智能系统。本文介绍了以单片机为核心的嵌入式系统，它由数据采集模块、蓝牙模块、显示模块、声光报警模块、语音播报模块、联动控制模块、供电模块等七大模块组成。（1）数据采集模块：通过温度传感器、烟雾传感器在办公室内分别采集温度、烟雾等数值大小，通过温度值、烟雾浓度大小来判断是否达到着火所需条件并与声光报警模块实时响应。（2）声光报警模块：由蜂鸣器作为报警信号，灯光作为其辅助警醒和提示作用，两者在办公室内环境数据超出预设阈值范围内时，伴随着报警鸣笛灯光开启。（3）语音播报模块：当检测到温度过高时，播报“温度过高”，当检测到烟雾浓度过高时，播报“烟雾过高”，当两者同时超过阈值时，播报“有火灾，快跑！”。（4）主控模块：能够对整个系统的各个信号作出分析与判断并进行数据处理。（5）显示模块：显示系统工作的实时温度值以及烟雾浓度大小等环境情况。；（6）蓝牙模块：作为数据通信传输媒介连接至手机，在手机端上实时查看办公室环境数据情况，当烟雾和温度出现异常后，可以通过手机给用户发短信及时提示用户办公室环境状况，以防止意外情况发生。（7）联动控制模块：主要有水泵、防火卷帘门和抽烟机，两者用于在烟雾浓度超过阈值或者温度超过阈值时，驱动电机驱动水泵、防火卷帘门和排烟扇开始工作。（8）手机APP实时显示环境数据，可以在手机端可以输入进行预设值的调节，以应对不同场景下的当地实时环境状况，并且可以通过手机中转将环境中的数据传输到阿里云服务器的数据库中，以保证火灾数据信息得以实时保存，且不易丢失。3系统的硬件设计3.1硬件系统总体设计这套智能火灾报警控制系统在进行设计的时候，主要分为输入模块、输出模块以及单片机控制器模块。在输入模块进行设置的过程当中，主要采用烟雾传感器和温度传感器来获取火灾状态的数据，同时能够利用按键输入进行设置系统的报警阈值，为了提高系统的实用性、完整性，在输出控制时，利用L298N电机驱动器进行控制水泵的喷水和排烟扇的开启及关闭，采用ULN2003步进电机驱动控制防火卷帘门能及时隔绝火源。同时为了能够实现数据的实时性，采用蓝牙通信模块，将采集到的数据信息，用蓝牙的通信方式上传至手机APP，通过手机APP中传至阿里云服务器，不但手机终端能够进行实时查看环境数据，还可以将环境数据保存在服务器端，做好时刻管理数据，备份数据。在本地显示时则是利用了OLED液晶显示器进行实时显示实现人机交互功能。下图3-1为系统整体硬件设计框图。图3-1系统硬件框图3.2主控模块3.2.1微控制器简述根据系统的设计要求，对性能性和经济等要素选用了STM32F103C8T6作为本系统的微控制器，该芯片是一款使用十分普遍的控制器，STM32是一款具有低电压、高效能、微处理、可擦除的功能的芯片。使用起来很容易，很方便。本芯片具有定时、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多种外部设备。其总线宽度：32-位，最高主频速度：72MHz，程序存储器容量：64KB(64Kx8)，多达7个定时器，尺寸较小，低功耗，价格也比较便宜，STM32F103C8T6单片机的实际设计图见图3-2。图3-2STM32F103C8T6实物图3.2.2单片机最小系统电路设计当使用stm32单片机时，单个单片机芯片无法执行相应的功能，需要使用外部电路来运行程序，为单片机的工作提供了可靠的保障。单片机最小系统电路包括单片机时钟电路、MCU复位电路、MCU软件程序的下载、供电电路组成。本文将简要地介绍MCU最小系统的主要部件。（1）单片机复位电路这部分电路的主要功能是在单片机运行时实现的。电机在使用时，可能会受到外部环境的干扰，从而导致单片机的崩溃情况。此时，单片机的具体性能无法执行程序，对输入的数据和输出的结果没有处理功能。为了使单片机再次运行，需要对其进行复位，所使用的电路称为单片机复位电路。单片机复位电路主要包括关键电阻和电容。单片机的复位操作是通过按键使复位引脚连接到高电平来实现的。（2）单片机时钟电路在程序执行过程中，该操作要求微机以相应的频率信号执行。在没有时钟电路的情况下，外部时钟电路主要由石英晶体振动和电容组成。石英晶体振动的主要作用是产生振荡信号，并联谐振电容的作用是为振荡信号提供相应的振荡电路，所选择的晶粒大小为32.768KHZ，电容大小为22pf。单片机最小系统电路如下图3-2所示：图3-3单片机最小系统电路3.3数据采集模块3.3.1温度采集模块温度传感器：在本设计的过程当中，需要环境的温度信息进行实时监测，因为在发生火灾时是一种比较特殊的环境，因此所选择的传感器装置需要具备一定的防火防水能力。在经过综合选择之后，决定使用DS18B20数字型温度传感器。该温度传感器在进行使用的过程当中，其转换速度较快，能够以较快的精度转换环境中的温度信息，并且其电路结构较为简单，具有多种封装形式，可以采用铝合金外壳封装进行采集温度。在进行使用的过程当中具有较高的稳定性，能够在不同的环境当中进行使用。该传感器连接5V电压，同主控板相接，当检测到办公室中温度超过设定的阈值时,蜂鸣器进行报警和灯光开启蓝光，同时通过蓝牙将温度数据发送到手机端，在手机端实时查看当前状态，该温度传感器参数如表3-1，实物图与原理图如图3-4，3-5所示。表3-1DS18B20温度传感器详细参数表工作电压3V-5.5V测温范围-55℃~+125℃稳定性良好模块尺寸21mm*10mm抗干扰性良好图3-4DS18B20实物图图3-5DS18B20原理图3.3.2烟雾采集模块烟雾传感器：MQ-2型感应器，在有易燃气体的情况下，其导热系数随着可燃气体浓度的升高而提高。利用简单的线路，可以把电导率的改变转化成相应于气体浓度的输出信号。该传感器接通系统电源后，当检测到办公室中有烟雾或其他气体时,蜂鸣器进行报警和灯光开启蓝光，同时通过蓝牙将烟雾浓度数据发送到手机端，在手机端实时查看当前状态，该传感器参数如表3-2，烟雾传感器实物图如图3-6，原理图如图3-7。表3-2MQ-2烟雾传感器详细参数表检测内容液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽抗干扰性良好稳定性良好工作状态好检测可燃气体与烟雾的范围100-10000ppm的可燃气体和烟雾（体积密度ppm，每立方米1ppm=1cm3)图3-6MQ-2实物图图3-7MQ-2原理图3.4蓝牙模块蓝牙模块：Bluetooth标准V2.0及EDRBluetooth技术的HC-05数字传送模块。该系统采用2.4GHz的ISM技术，采用GFSK的调制模式。该模块具有4dBm的最大传输能力和-85dBm的接收灵敏度，以及板上的PCB天线，能够在10m的范围内进行通讯。该模块采用了集信孔封装，最大尺寸为27毫米*13毫米*2毫米，便于用户将其安装到应用系统中。该系统的主要功能是实现上层和下层之间的数据通信，采用蓝牙转串器实现上位机和下位机之间的无线通信，该蓝牙模块参数如表3-3所示，实物图如图3-8，原理图如图3-9。表3-3HC-05蓝牙详细参数表PCB尺寸37.3mm（长）*15.5mm（宽）工作电压3.6V—7V防反接接反模块不工作传输距离0—10米（空旷地带）波特率9600图3-8HC-05实物图图3-9HC-05原理图3.5显示模块显示模块：该产品采用0.96英寸OLED显示屏，具有128*64的分辨率，只有0.06W的功耗。OLED以其众多的特性被认为是未来平板显示器发展的新技术。本课题使用OLED显示屏幕显示环境数据信息，采用4行IIC接口，主要显示当前环境的温度大小和烟雾浓度大小情况。该显示模块参数如表3-4所示，实物图如图3-10，原理图如图3-11。表3-54OLED显示模块详细参数表尺寸0.96寸工作电压直流3.3V—5V分辨率128*64特性特性自发光，高对比度，广视角，快速反应，构造简单显示颜色白、蓝、蓝黄双色工作温度范围-30℃-70℃功耗正常显示时0.06W图3-10OLED显示屏实物图图3-11OLED显示屏原理图3.6声光报警模块声光报警模块：在火灾报警系统中，该系统的声光报警部是必不可少的，该系统由蜂鸣器和报警指示灯LED组成，作为提示用户相应的灯光和声音报警信号。当烟雾传感器和温度传感器检测到办公室中有烟雾或可燃气体以及温度超过预设值时，蜂鸣器进行报警并且灯光开启蓝光，避免因高温、易燃性气体等引起的火灾。声光报警表现形式如下： (１)蓝色灯处于熄灭状态时表示传感器检测到办公室温度、可燃气体或未检测到可燃气体，但没有超过警报值，一切正常，这时，蓝色灯光熄灭，蜂鸣器也不响； (2)蓝色灯处于发亮状态时表示传感器检测办公室的温度、可燃气体含量已经达到报警值，蜂鸣器发出报警声音，通知工作人员以防止发生可怕的火情； 声光报警模块蜂鸣器参数表如表3-6所示，实物图如图3-12，报警部分原理图如图3-13。表3-5蜂鸣器详细参数表工作电压直流3.3V—5V触发方式低电平触发小板PCB尺寸3.3*1.3cm引脚说明VCC:电源正I/O：电平触发端GND:地图3-12蜂鸣器实物图图3-13蜂鸣器报警模块原理图3.7语音播报模块SD1700语音模块是一种简易、实用的电路板，能迅速地熟练掌握ISD1700系列的芯片。本系统采用ISD1700系列芯片，操作简便、性能优良。ISD1700系列芯片是一种高集成、高性能的产品。该系统具有多个音频记录功能，采集速率从4K到12K，功率范围从2.4-5.5V不等。在SPI模式下，使用者可以使用更多的功能来控制晶片。若要记录任何存储器的地址，就必须对模拟信道组态寄存器（APC）进行读取和写入，该模块在整个系统中，采用电平触发模式，当检测到环境中温度过高时，播报“温度过高”，当检测到环境中烟雾浓度过高时，播报“烟雾过高”，当两者同时分别超过彼此设置的阈值时，播报“有火灾，快跑！”；该语音播报模块参数表如表3-6所示，实物图如图3-14，原理图如图3-15。表3-6语音模块详细参数表尺寸5.2CM*5.5CM工作电压直流2.4V—5.5V录音时间6K时75秒，8K时60秒工作频率6KHZ-8KHZ特性操作简单，不需要单片机或其他模块就能直接工作指示灯电源指示灯、芯片指示灯播放模式边沿触发模式、电平触发模式图3-14语音模块实物图图3-15语音模块原理图3.8联动控制模块3.8.1L298N电机模块驱动L298N电机模块驱动：这个模块分为L298N驱动器分别控制水泵喷水和排烟扇开启，在火灾报警系统中，发生火情，水源和是必不可少的急救措施，本设计喷水模块采用直流微型小水泵电机马达和小水管，作为一旦发生火灾报警情况，小水泵实时响应开始工作，利用水管进行从水塔中抽水并且喷洒出来，以达到及时灭火的效果，同时L298N驱动器驱动步进电机进行工作，排烟扇开始工作，排走办公室内内过多的烟雾使其尽快排出，以免给用户造成更大的损失。该水泵参数如表3-8所示，该排烟扇参数如表3-9所示。表3-8水泵详细参数表工作电压直流6V-12V转速2800r/min分辨率128*64工作温度范围-20℃-60℃噪音≤60dB材质不易腐蚀，不易生锈表3-9排烟扇详细参数表工作电压直流5V-12V转速4600RPM噪音≤45.4dB风量153CFM工作电流1.6A使用寿命80000/25℃在本系统设计中，需要单片机进行控制外部负载电路，由于单片机驱动能力较弱，无法驱动大负载，因此在本设计的过程中需要加入负载驱动电路，单片机在进行控制的时候可以通过输出控制信号来进行控制该电路的驱动，经过选型选用L298N集成驱动电路进行控制负载电路，能够直接用来驱动外部大功率电磁阀或者电磁波发生器等用电设备，在进行控制的过程中能够通过控制使能端进行控制输出功率的大小，可以通过输出PWM信号来进行控制，该系统在进行使用的过程中还能够直接使用高低电平信号进行通断的控制。以下对L298N按键驱动进行模块说明，IN1-IN4，是电机的逻辑输入引脚在使用，该引脚时两个引脚控制一个电机，当两个引脚的电平不一致时，将会使单片机进行转动，如果是使用该芯片进行控制电机调速，则在使用引脚输入高电平，同时再进行控制的过程当中，只需要单片机对其输入引脚进行高低电平的输入，即可完成及控制过程，在该系统控制过程中，该种驱动器经常被应用于各种电机的驱动工作当中，同时也能够实现对大电流设备的直接控制，只需要与单片机进行逻辑电平的控制，即可完成设计的任务，下图3-16为L289N电机驱动电路原理图；图3-16L298N电机驱动模3.8.2ULN2003步进电机驱动ULN2003步进电机驱动：此驱动是低电压小功率的步进电机，用来控制防火卷帘门的开启与关闭，以实时隔绝火源，最大程度上保障人生命、财产安全。LN2003还是一种7路逆变器，在ULN2003的输入端处于高电平的情况下，ULN2003的输出在低电平的情况下处于高电平。步进电机在接收到脉冲信号之后，以预定的角度（以及步进角度），使步进电机沿预定方向转动。利用脉冲控制，可以准确地控制角位移，同时还能控制电机的转速和加速度，从而调整电机的转速。而此处设计此驱动仅仅是为了弥补L298N一个驱动带动整个控制元器件功耗的不足，如图3-17为ULN2003步进电机驱动的电路原理图：图3-17ULN2003步进电机驱动4系统的软件设计该设计的开发环境用的是Keil5和Androidstudio这两个软件。Keil5开发环境支持汇编语言和C语言编程，由于汇编语言需要大量的积累，在难度上和实用性上都低于C语言编程，所以我选择了使用C语言进行单片机的编程。尤其是单片机以及嵌入式系统开发。因此对于本次设计来说C语言更加容易学习，使用也更加方便，C语言比汇编语言更加接近底层，更加接近数据，更容易描述。而嵌入式开发编程也使用的是STM32公司提供的固件库，相对与很多单片机都使用的是寄存器进行配置，STM32的固件库给开发人员提供了很多便捷，使编程公式化且减小了程序的设计难度。Android是第一个完全开放的、免费的操作系统，它将推动手机产品的革新，让使用者在手机上享受到最好的服务；而开发者也将拥有一个全新的开放等级，以方便他们的协作，确保最新的手机产品的开发。Android界面通过Activity实现，是用户操作入口，接收指令。4.1软件系统主程序设计本系统使用微控制器型号为STM32F103C8T6芯片，其引脚复杂，许多引脚都有复用功能。因此开始使用前需要对STM32F103C8T6的引脚进行初始化配置。包括STM32F103C8T6的始终函数初始化、串口UART初始化、一般IO端口的初始化，使用Bluetooth串口进行初始化，DS18B20和MQ-2型烟雾传感器的初始化，OLED显示屏初始化，语音模块初始化，单片机内部ad初始化等。通过蓝牙将数据发送给手机端；在各个传感器与STM32F103C8T6连接成功后，在OLED显示屏中会显示各个传感器收集办公室环境的温度值和烟雾浓度值。通过设定的阈值进行报警模块的触发。当DS18B20温度传感器采集到办公室环境的温度高与预设值则打开水泵喷水，蜂鸣器报警和LED灯光发亮，语音播放“温度过高”，此时手机端显示异常，并且请求发短信提示；当烟雾浓度传感器采集办公室烟雾浓度值高于预设值则打开水泵喷水，蜂鸣器报警和LED灯光发亮，语音播报“烟雾浓度过高”此时手机端显示异常，并且请求发短信提示；当两者同时达到预设值时，语音播报“有火灾，快跑”,手机端连接蓝牙时，连接完成后可以将传感器采集到的数据传输到手机中，使得用户可以远程监测办公室环境信息,手机APP发送指令到阿里云服务器，保存每一次的数据情况，做好一次次的数据备份工作，手机APP界面输入设定阈值对温度和烟雾浓度进行阈值调节，以对应当地的不同实地环境情况。系统的主程序流程图如图4-1所示。图4-1主程序流程图4.2温度检测子程序设计温度传感器通过STM32F103C8T6读取和写入数据，并对其进行温度测量，当温度采集到当前环境内的数据后，传感器会把模拟量传输给单片机ad引脚进行数据处理，先对DS18B20进行初始化，如果初始化成功则返回1，否则返回0，通过模数转换获取当前电压值，然后进行读取数据，将当前读取到的信息转换为数字量，然后换算成当前的温度值，温度传感器检测子程序流程图如下图4-2所示：。图4-2温度传感器流程图4.3烟雾检测子程序设计程序为首先对ADC进行初始化，烟雾感应器输出的电压是模拟的，用MCU内的ADC将模拟信号变换为数字信号。通过对数字量的计算从而判断室内各气体含量，从而完成检测，烟雾传感器检测子程序流程图如下图4-3所示：图4-3烟雾传感器检测流程图4.4声光报警子程序设计声光报警模块的设计是当温度传感器检测到办公室温度高于预设值时，发出报警和灯光提示，水泵开始喷水；如果周围的烟雾浓度超过设定值，然后这个蜂鸣器就会报警，LED灯会发出警告信号亮蓝灯，水泵开始喷水，当两者的环境情况低于预设值时，蜂鸣器不报警，灯光处于熄灭状态，水泵不出水；语音模块在整个系统中，采用电平触发模式，当检测到环境中温度过高时，播报“温度过高”，当检测到环境中烟雾浓度过高时，播报“烟雾过高”，当两者同时超过彼此设置的阈值时，播报“有火灾，快跑”；同时在报警装置的驱动下，防火卷帘门关闭，隔绝火源进入，抽烟机开始工作，抽走办公室内过多的烟雾，声光报警检测子程序流程图如下图4-4所示图4-4声光报警检测流程图4.5蓝牙驱动子程序设计本次设计使用HC-05蓝牙模块作为单片机和手机间的通信工具。蓝牙透传模块上电，此时led灯会闪烁，蓝牙模块主要通过串口进行数据传输，通过扫描搜索周围环境进行配对，找到设备连接成功后，就可以实现与手机的通信进行传输数据，并且在手机端实时查看办公室环境数据，蓝牙检测子程序流程图如下图4-5所示，图4-5蓝牙检测流程图4.6OLED显示检测子程序设计本设计方案使用了0.96英寸OLED显示屏，通过IIC通讯进行通讯，本设计使用单片机的IO进行IIC的模拟与模块进行通信，发送需要显示的内容显示在屏幕上，OLED驱动程序流程图如下图4-6所示图4-6OLED显示检测流程图4.7AndroidAPP上位机设计本设计上位机采用Android开发，使用java编译语言。该上位机部分实现了监控下位机传感器采集的温度和烟雾信息，并且与OLED屏幕实时同步，在此基础上还对温度和烟雾浓度进行数据分析，用折线统计图进行数据的范围变化的监控，让用户实时远程实时掌握办公室环境情况，并在出现异常情况时，及时发送短信以便更好的提示用户。手机端使用Android开发了上位机程序，可以在手机端可以输入进行预设值的调节，以应对不同场景下的当地实时环境状况，并且可以通过手机中转将环境中的数据传输到阿里云服务器的数据库中，以保证火灾数据信息得以实时保存，且不易丢失。AndroidApp可以通过通信模块的蓝牙，连接到下位机并实现用户远程控制。AndroidAPP程序流程图如下图4-7所示。图4-7AndroidAPP程序流程图4.8Android中连接MySql数据库的简单实现Android与数据库中的数据进行交互都是通过调用API接口来实现的，如下图4-8所示，首先使用AndroidStudio设置一个demo布局，xml版式文件显示了一个按钮和textView控制项。单击按钮可以实现MySql数据库的链接，并从表格中获得数据；textView用于显示所获得的数据。实现直连MySql数据库需要导入mysql相关的jar包，jar包导入成功后，对应的API就可以使用，此时仅需要使用调用接口传参数即可，最后将手机与电脑连接在同一个网路下，即可实现数据库的连接。图4-8Android连接阿里云数据库流程图

5调试与分析5.1系统调试当一个系统开发完成后，在上线之前必须进行测试，只有这样才能检测出各个模块是否达到设计要求，如果出现问题，需要及时对系统进行调试、设计等工作。这一章着重于对该系统的功能进行测试，以保证各功能模块达到设计的要求。5.1.1系统测试步骤1、检查开发板电源，串口线和外部扩展装置的连接是否正常。2、下载协调器代码到开发系统的开发板。 3、采用人工提供烟雾、酒精以及甲烷检测源与升温的方法测试OLED显示与声光报警是否可以正确提示。4、整个系统设计完成后，进行多次校验，检验是否可用，器件的实用性与适用性，整个系统的稳定性。5.1.2 系统的硬件测试1、系统的硬件部分主要是对电源、传感器、声光报警、串口、辅助电路等方面的测试。2、在下载各个模块的软件后，所有的硬件都可以运行。 3、在下载整个系统程序后，对该系统进行测试，测试系统是否正常工作，程序运行是否正确，从OLED显示模块上能正确显示温度以及所检测气体浓度。下图5-1为系统通电状态实物图图5-1通电实物图5.1.3系统的软件测试软件测试是一种通过人为或自动化方式来操作或测试一个系统的程序，其目标是检查该系统是否符合指定的要求，或确定期望和现实的结果之间的差异。。系统的硬件测试主要分为三部分，第一章是对底层软件的编译和调试，第二章是APP软件的编译和调试，大三部分是对系统整体功能的测试，软硬件是否存在差异，使得环境运行失败。下位机程序的测试，主要从运行代码是否报错来检验；下图5-2为下位机编译图；图5-2下位机编译图上位机程序的测试，主要从运行代码是否报错，是否生产APP界面，且APP界面能否正常使用进行数据分析来检验；下图5-3，5-4为上位机效果图；图5-3上位机编译图图5-4上位机效果图整个系统的设计与实现，就是对整个系统进行最后的调试，使系统能够正常工作，以及与预期结果保持的一致性，在最终检查时呈现出设计的功能完好无缺就是对整体系统的测试。5.2分析与改进本次设计的智能火灾报警系统，主要分为两大部分，分别是上位机部分和下位机部分，根据用户的需求设计了相应的功能通过开发基本实现了相应的功能。从测试的数据来看，各功能均能正常工作，满足设计要求，在办公室、居民楼、仓库等生活场景中均可运行。该系统由触发装置、火灾报警装置、联动输出装置、其他辅助装置构成，它可以在火灾发生的初期，将火灾产生的烟雾、热量等物理量，用探测器转换成电子信号，发送给火灾报警控制器，并用声音、灯光、短信的方式向用户提示进行紧急撤离，并把火灾发生的地点、时间等信息记录下来，这样，人们才能及时发现，及时采取有效的灭火措施，将其扑灭，将伤亡和财产的损失降到最低，是人民与火灾作斗争的有力手段。同时，也发现了一些问题，当用户想对系统进行阈值的调节以及采集的信息进行数据管理时，在系统上是无法完成此项操作，只能去编译程序进行重新编译，又比如当同时有明火与暗火交替的时候，对多个房间以及探测地点考虑不周，系统不能及时检验出火灾将要发生的预警问题。经过分析，产生这个问题的原因在于由开发时间和个人能力不足，以及对于数据分析这块了解较浅，不能进行更多用户以及更大场景的使用。如果后期系统想要投入到实际应用中，还需要进行方方面面的测试，才能使隐藏的缺陷暴露出来，进而对系统进行改良。6总结与展望6.1总结 本次系统在进行设计的过程当中，主要是设计了一套智能火灾报警检测控制装置。在收集数据的过程中，使用的主要是温度和烟雾传感器。通过两条主线来进行考虑整体的设计结构。首先是在进行硬件设计的过程当中，该系统主要是通