【《基于STC89C52RC单片机的远程智能火灾报警系统设计》16000字（论文）】

基于STC89C52RC单片机的远程智能火灾报警系统设计摘要近几年来，我国森林、建筑物等火灾发生率居高不下，究其原因大多数情况是由于火灾发现不及时导致的。本文提出一种基于物联网技术的智能火灾报警系统，该报警系统具有参数监测、火灾报警、远程控制等功能。数据感知部分的关键是STC89C52RC单片机；远程控制端基于安卓手机。感知端与远程控制端通过WiFi模块及OneNET云平台无线传输及转发数据。此外，该系统的感知采集部分包含LCD1602液晶显示模块、火焰传感器、MQ-2烟雾传感器、A/D转换模块、ESP8266WiFi模块、风扇和继电器模块；远程端包含了应用于安卓环境下的软件设计。关键词：火灾报警系统，单片机，wifi模块，app，远程控制目录TOC\o"1-3"\h\u129781绪论 147811.1研究背景及意义 1282781.2火灾探测器和火灾报警系统的演变 1130871.3火灾报警器国内外研究现状 2152371.4本论文主要研究内容 2173772系统总体设计方案 461682.1系统的需求分析 476122.2系统的总体框架 5264693系统的硬件及电路设计 657283.1主机硬件 6211163.2烟雾探测模块 7154103.3火焰传感器模块 9310713.4WiFi模块 1055263.5LCD液晶显示模块 12157873.6继电器驱动模块 13100983.7风扇驱动电路原理 14316073.8本章小结 15258654系统的软件设计 16272344.1系统软件总体框架 16315754.2子程序 17286504.3云平台介绍 20155034.4应用层软件设计 21136834.5本章小结 25216275远程智能火灾系统的实现与测试 26101665.1整体系统搭建 26298875.2系统的连接测试 26292895.3系统的性能测试 27246556总结与展望 29251806.1总结 29142456.2展望 2910603参考文献 301绪论1.1研究背景及意义在经济高速发展的背景下，人们生活质量的飞速提高，由于火灾所引起的安全事故的发生频率居高不下，这些火灾可从固态物质、液态、气体、金属、带电物体和精密仪器等方面来分类。传统火灾报警系统是通过探测器将热度、烟雾等物理量变成电信号，传输到控制器中，并同时通过声光报警通知人们逃生疏散。传统的报警器对人的依赖较大，在有人的情况下，能够及时发现并采取措施控制火势蔓延。而对于无人情况下出现火情，或是人们不熟悉系统的工作原理和操作流程时，这一报警器无法及时报警。据统计，全球每年大约出现火情600万到800万次，近几年来，我国每年发生火灾数量多，火灾所造成的直接财产损失数额巨大。例如：2020年6月17日，湖南一个存放货物的仓库发生火灾，有人员伤亡，过火面积范围广。这起火灾产生的源头是工作人员在仓库前堆放的将要配送的家电堆垛着火，火灾发生时货物堆放点没有任何禁火标识及措施，并未安装火灾探测设备，室内消火栓无法及时使用，仓库的管理人员防范火灾能力差，导致受害者被大火围困无法逃出。此外，社会是由一个个家庭组成的，家庭所在的居民区也极易受火灾影响，如：私拉电线、燃气起火等。从火灾发生的地点位置分布看，全年共发生居民区火灾10万余起，占火灾总数的比例超过40%，总体伤亡人数较多，老人和弱势群体在火灾防范和逃生自救的反应力和行动力等方面明显不足，发现晚、报警晚、处置晚，往往易造成大量伤亡，所以防范遏制居民区火灾也显得尤为重要。以此为例，全国每年因各种人为因素、电机隐患所造成的火灾比比皆是；它对人们的安全和社会经济财产具有极大威胁性，所以及时、准确的报警可起到至关重要的作用。物质燃烧的常见过程一般是:首先，可燃物开始燃烧并在其表面产生气体，随即这些气体变为烟雾；其次，当环境中充满氧气时，可燃物燃烧会产生火焰，能见光和看不见的光。因此，由于用户对于高安全性火灾报警设备的需求量不断增加，基于传统的火灾报警装置，设计一个能够通过远程监测和控制火灾的系统是必不可少的。1.2火灾探测器和火灾报警系统的演变感温探测器件是历史上最早的火灾探测器件，在1860年左右，它伴随着自动洒水器逐渐发展而产生，标志着人们开始通过应用科技手段进行火灾防控。随后瑞士大约在1940年发明了离子感烟火灾探测器。1960年，光电技术逐渐发展，出现了光电感烟火灾探测器。与此同时，由于计算机、通信等手段使用范围广，可燃气体、红外火焰测、吸气式感烟探测等一些新型火灾探测等新手段和新技术接踵出现，推动了火灾探测产品的发展与深入应用[1]。从火灾报警系统的发展来看，分为三个阶段，分别是：多线性阶段、总线型阶段和智能型阶段。其中多线型由电源线和报警线组成，安装繁琐，易出现误报现象，较为复杂；总线型采用微处理器，地址由编码产生，传感器将报警信号转换为数字量，通过总线发送给控制器，国内的产品多数都是基于这种系统，但该系统对于火灾初期不能准确判断，只能处理火情较严重的情况；智能型利用领先的计算机控制，并通过软件调整，提高用户使用的可靠性和稳定性REF_Ref15204\r\h[2]。1.3火灾报警器国内外研究现状目前国外的火灾自动监控报警系统的应用极为迅速,在报警和控制、火灾检测和消防联动等各个方面,已经建立了一套较为完善的技术框架和行业标准。对于建筑物火灾自动报警器和非火灾监测系统的应用进行了联动研究,并逐步完善了该系统的功能,主要是把火灾智能报警系统和城市安全防护、高楼大厦弱电装置等监测系统有机地紧密结合起来,并将建筑物火灾报警接入到监控系统,使得消防机构迅速地定位各种火灾事故可能发生的地点,实施高效的救援,形成一套健全完善的火灾监测管理配套体系,便于管理和控制。生产各种火灾报警产品的国内企业发展迅速REF_Ref16027\r\h[3]，并且开始研究将各种类型的火灾监控报警设备其他监控系统之间进行相互联动，实现对各类参数的监测。现在国内外都把研究重点放在智能化火灾报警系统设计上,结合AI的理论知识和先进的计算机科学技术,成功建立一套相对完备的火灾报警系统,并在国内外得到了广泛的应用。除此之外,基于先进的软硬件技术，设备在传统的感知烟雾、温度、火焰和气体灭火等方面均取得了飞跃性的发展,尤其在灵敏度、抗干扰性等方面有了很大程度的提升REF_Ref13319\r\h[4]。由于人们消防安全意识的逐步提高和国内外科技的进步，火灾报警系统的研究更趋向于智能化,如：语音定向的火灾报警系统REF_Ref16131\r\h[5]等。为了提升有效性和准确率，能够通过数字图像处理或是视频图像技术对火灾进行识别，通过提取火灾数据拟合特征的新算法REF_Ref16353\r\h[6]检测目标分辨出烟雾与其他干扰物，最后采用一系列判断算法进行识别REF_Ref16386\r\h[7]，大多应用于森林防火和船舶火灾探测。当有线传输系统被普遍应用于火灾报警时，国内外对无线传输型火灾报警系统初步产生雏形，研究初见成效。由于我国在该系统方面的研究技术具有局限性，较国外控制系统仍存在一定发展差距。这类设备的开发是我国智能火灾报警系统未来的研究方向。综上所述，从研发初期至今，虽然我国的防火与报警系统的工作效率得到质的飞跃，技术革新的机会逐步增加，市场竞争力也不断提高REF_Ref16471\r\h[8]，但同时也存在一定的问题，主要体现在以下几个方面：（1）火灾报警系统存在误报的问题产生这一问题的主要原因是传统火灾探测装置中的烟感器件本身设计有不足之处，而且周围环境中存在干扰，如：尘土、电磁场等因素，对探测的准确率影响较大。此外，器件的损坏和不能定期维修也是影响误报问题的原因之一。（2）需要人为监控和响应时间长的问题传统的火灾报警设备采用统一控制的形式，由管理人员在现场进行监控，通过声、光报警通知人们疏散。受客观条件的影响较大，当无人情况下出现火情，或是人们不熟悉系统的工作原理和操作流程时，无法在远程及时采取有效措施控制火势。费时费力且实时性差。1.4本论文主要研究内容本文是一个针对常见的火灾所设计的智能报警控制系统，采用MQ-2烟雾传感器、火焰传感器以及STC89C52RC单片机，是一个具有火焰探测、烟雾浓度检测等参数采集、实时监控及报警控制功能的远程智能火灾报警系统，可将火灾隐患第一时间通过无线传输方式提醒用户，同时继电器和风扇工作并实现自动喷水REF_Ref1136\r\h[9]和排烟，还能够通过手机远程控制继电器REF_Ref1083\r\h[10]和风扇的启动。此系统由硬件终端和软件系统组成。在硬件及电路设计上对单片机芯片、火焰传感器、烟雾传感器、继电器、液晶模块的工作原理和引脚功能进行研究并掌握，并且挑选合适的器件型号应用于系统。以STC89C52RC单片机为主要控制部分，对硬件电路进行设计，通信部分采用WiFi模块。软件设计方面主要是基于安卓环境的远程监测控制，由WiFi模块将参数发送到云平台，云平台将消息进行转发。按照软件实现的功能，主要分为系统主程序和各部分功能的子程序以及应用层软件设计。2系统总体设计方案前文介绍了火灾探测器和火灾报警系统的演变以及当代火灾报警的研究背景和意义，着重分析了火灾自动报警的国内外研究现状以及设计方面存在的问题和发展方向。对于研究设计远程智能火灾报警系统相关知识有了一定了解，并结合智能信息化的发展，将远程控制结合消防设备进行扩展，以满足人们的工作和生活需求。本论文以火灾参数监测、报警提示、远程控制为例，进行系统设计，组成远程智能火灾报警系统。2.1系统的需求分析2.1.1系统的总体需求分析社会在发展，城市在进步。越来越多的高层建筑、地下空间、城市综合体、中小微企业进入人们的视线，随之带来的消防安全隐患也日益增大。人员流动、物品流动、信息流动等高度聚集，消防系统面临着新一轮挑战。但目前存在的问题是，智能消防在我国的普及率不高，智能消防联动设施的大面积应用还在进一步推进中，普通用户无法及时预测、发现和消灭火灾安全风险。同时，由于消防管理工作难度大，且相关管理人员人手不足，管理层与用户缺乏交流，因此，智能消防安全监管不能有效地融入多元化的社会发展。如何预防火灾隐患和降低火灾产生频率仍是亟待解决的重点问题。在智慧城市、智慧生活、智慧地球理念相继问世后，智慧消防理念随之提出，智能火灾报警系统的概念应运而生。传统的消防报警设备主要使简单普通的消防器材和火灾报警设备，消防器材年久失修、报警设施“失声”等问题屡见不鲜，仅仅依靠监督管理和消防器材维修，既消耗人力也消耗财力物力，而且还受人口、建筑等情况的影响。因此，国家积极构建智慧消防产业体系，鼓励大众和企业利用物联网、大数据、云计算等新兴科学信息技术，推进传统消防与新型信息产业的深度融合，建成覆盖全方位的联动消防报警体系，推动智能化的现代消防报警进一步发展。因此，消防安全要实现长治久安，要将应急急救措施与风险排查管控实现两手抓，变被动为主动。而要想实现这一变化，物联网便成为了最有帮助的技术支持。设计一个基于云平台且能够连接消防设备，服务于中小微企业和家庭，具有数据监测、实时监控、报警提示、用户远程控制消防设备功能的系统势在必行。2.1.2系统的功能需求分析（1）终端监测本设计的终端采集部分的传感器包括：火焰传感器、烟雾传感器；终端显示部分：液晶显示屏；终端控制部分包括：继电器喷水装置、风扇。对火焰和烟雾数据的采集能够获取当前环境状态。实时监控不论是终端还是手机客户端，不论用户是否在现场，都能够及时获取传感器采集的环境数据，避免用户不能及时获得相关信息而产生隐患。报警提示当人们不在火灾现场的情况下需要通过远程报警提示通知异常情况的发生，以文字形式的提示更为清晰直观。（4）远程控制由于本系统是智能火灾报警，功能更趋向于智能化，不仅要实现自动判断，也要将终端和移动端接入云平台实现远程控制继电器喷水和风扇启动，同时也能够依据环境的不同情形远程设置不同的参数阈值，更加便捷高效。2.2系统的总体框架本系统分为终端部分和远程报警控制两个部分。终端部分由单片机、传感设备、液晶显示器、继电器和风扇组成。移动端控制部分需要通过手机软件登陆云平台的固定IP及端口号，接收由单片机内部处理完成并通过WiFi模块向云平台发送的数据；也可通过云平台，从移动端发送请求控制指令，再通过WiFi模块传输至单片机系统，实现对硬件的控制。图2-1远程智能火灾报警系统总体框架系统的总体框架如图2-1所示。该系统以单片机为核心，兼顾数据采集、处理、传输与显示。检测报警的工作流程是：首先通过传感器采集环境中烟雾和火焰的数据，通过一定转换，经由单片机处理，在液晶显示器上显示出转换处理后的数据及标志位和阈值信息；参数经由WiFi模块和无线路由器或是手机热点接入至云平台，远程手机端实时向服务器发送参数读取的请求，将单片机采集到的参数发送至移动端显示，发生异常情况时，远程端进行报警提示。远程端的控制流程是：4G安卓设备通过应用软件控制风扇和水泵的启动和关闭，发送指令传至单片机，再通过单片机控制设备。该系统由STC89C52RC单片机，MQ-2烟雾传感器、A/D转换电路、火焰传感器、1602液晶显示模块、ESP8266WiFi模块、JQC-3EF-S-Z继电器驱动模块、风扇、云平台及安卓设备组成。3系统的硬件及电路设计3.1主机硬件单片机，常用mcu来表示，作为微控制器的一种典范，是嵌入式结构的，工业控制领域是其最早的使用领域。单片机芯片上集成了微机系统，其采用超大规模的电路技术并非是为了实现简单的逻辑功能。而与计算机不同的是，单片机没有外围设备。由于成本低、尺寸小、对开发环境的要求低、方案资源丰富以及比较简单的开发工具和编写语言，单片机在现代电子产品中智能化的优势被广泛应用于通信产品、家用仪表电器、AI机器人、工业控制领域以及办公自动化场景中。同时，它使人们对于计算机工作原理与总体结构有更深入的了解，便于人们学习、应用和开发，为物联网的发展提供了基础。根据多方面比较，本设计采用STC89C52RC型单片机作为主控硬件。3.1.1STC89C52RC单片机STC89C52RC是8位微控制器，具有8k大小程序存储器，与电脑硬盘类似，数据保存的时间长。8位CPU使得大多数嵌入式的控制系统在STC89C52RC的应用下有较高的灵活度，从而降低开发系统的研究与设计成本。它包括了以下几种功能：8k大小的Flash，用于系统编程；512字节的RAM用来存放变量，可读可写；32个引脚可作为I/O口，共有四种模式：准双向口模式，推挽模式，高阻模式，开漏模式；一个计时器，用于系统复位；内置4KB的三管脚的复位芯片和只读存储器的复位电路；多个计数器；支持双向通信的串行口和一个中断结构。当开始静态逻辑操作，即功率降低到0Hz时，有2种节电模式REF_Ref649\r\h[11]。若某一时间没有程序运行，则CPU不工作，RAM、定时器、I/O口、中断等依旧处于工作状态。它具有功能损耗较低、性能较高、程序设计和烧录更简单的特点。其封装图如图3-1所示。图3-1STC89C52RC引脚封装图3.1.2单片机电路原理复位电路的目的是让电路进入按需所置的某种状态，起到恢复电路到初态的作用。复位电路能够在系统上电后自动启动、手动复位和按照程序启动三种形式启动运行。一般的复位电路通过电容和电阻组合来实现复位。复位是为了更新默认数据，一般在特殊寄存器内工作。如果单片机由于外部原因使寄存器中的数据变得杂乱，而非操作方面的失误，导致不能正常运行程序或是结果出错，则需要重新启动程序，使电路从错误的逻辑中跳出。晶振电路给整个电路提供CLK信号。单片机执行指令时，由晶振电路和中央处理器形成一个回路，结合外部晶振震荡，保证整个电路正常运作。常见的振荡器大多使用石英晶体，电容大小大约是20pF。在单片机中石英晶体与内部震荡电路一起工作，提供稳定的信号。本设计中晶体振荡器为11.0592MHz，加入电容对系统稳定工作起到有效保障的作用。晶振与复位两个电路与单片机一同组成了最小系统，如图3-2所示。图3-2单片机最小系统图3.2烟雾探测模块烟雾传感器在检测烟雾浓度方面被广泛利用。本设计选取MQ-2烟雾传感器，该型号传感器通常用于检测气体是否泄漏，适合液化气、酒精浓度、氢气、烟雾、烷类气体等检测。3.2.1MQ-2烟雾传感器介绍市面上的烟雾传感器有两种，即离子式和光电式。MQ-2烟雾传感器使用离子形式进行烟雾探测，对各种体积的烟雾颗粒都有很高的灵敏度，可准确识别探测气体REF_Ref574\r\h[12]。二氧化锡(SnO2)是一种检测气体成分、浓度的材料，置于烟雾传感器内部，电导率在清洁空气较低。在正常工作时，二氧化锡通过与氧气的结合，当环境中存在其他可燃气体或者烟雾时，使传感器元件内部密度降低，相对提高其电阻；当有烟雾接触至传感器时，就会改变其内部密度从而降低其电阻。因此，当可燃气体浓度改变时，二氧化锡的电导率也会产生相应变化，则表明可燃气体存在。在简单的电路帮助下，也能实现将不同级别的电导率与相应的气体浓度输出信号进行匹配。该型号的传感器具有以下特点：（1）具有信号输出指示。（2）模拟量和TTL电平信号输出（3）TTL输出数据在低电平情况下有效。（4）模拟量输出0~5V电压，电压随浓度的升高而增大。（5）对液化气，烷类气体、天然气有较好的灵敏度。（6）使用寿命长且设备稳定可靠（7）快速的响应恢复特性它以模拟电压的形式向A/D转换电路发送模拟信号，而由于单片机只能识别数字量，需要进行对信号模数转换，将得到的烟雾数字量传给中央处理器中。其实物图如图3-3所示。图3-3烟雾传感器实物图3.2.2ADC0832介绍ADC0832是8位分辨率的模数转换器，与单片机串行连接。最高分辨为256级，可实现大多数情况下的模数信号转换。该芯片能够以双数据输出完成数据校验，工作速度快且模数信号转换稳定性高。具有独立的使能输入，使处理器控制变得更高效，器件连接变得更简洁。有功耗低，性价比高的特点，适用于小型智能仪器仪表。通过数据输入端选择通道功能。其主要特点如下：（1）8位分辨率；（2）5V单电源供电；（3）输入电压最低为0V，最高为5V；（4）输入和输出电平与TTL和CMOS兼容；（5）在时钟频率为250KHZ时，转换时间短；（6）具有两个可供选择的模拟输入通道；（7）功耗低，一般处于12~15MW之间。ADC0832各引脚及功能如图3-4所示：（1）CS_，片选使能，高电平时不工作。（2）CH0、CH1，通道为0或1，也可当做正、负输入端使用。（3）GND，接0电位。（4）DI，数据输入，可通过该引脚选择由哪个通道控制。（5）DO，数据输出，可通过该引脚转换数据并将其输出。（6）CLK，芯片时钟输入。（7）VCC，接正电源。图3-4ADC0832引脚图3.2.3烟雾采集及A/D转换电路原理在火灾起始时期，烟雾检测是尤为重要的一环。MQ-2烟雾传感器收集到的环境信号值均为模拟量，需要通过AOUT引脚通过通道0传入A/D信号转换器进行模数转换后将精确的烟雾浓度值传入单片机。A/D转换部分采用利用率较高且转换率较准确的ADC0832模数转换器，能够将采集到的数据稳定地发送至单片机。如果气体浓度上升，则传感器的输出电压增大，转换后的数值相应增加。MQ-2烟雾传感器采集及转换连接电路如图3-5所示。图3-5MQ-2烟雾传感器连接转换原理3.3火焰传感器模块火焰传感器是高温环境下固体微粒的结合，包括了许多燃烧产物、燃烧中间物、碳氢化合物、无机物以及高温气体。由火焰自身温度变化而产生电磁辐射能量的情况可分为气态辐射和固态辐射。光谱的离散程度决定了辐射的状态，气态情况下的光谱是离散的，而固态情况下的光谱是连续的。火焰辐射强弱与燃烧物材质有关，会随其材质变化而产生变化，波长分布也因此而改变，但就总体来看，当火焰温度辐射处于能见光和中红外波长的范围内或为部分微米辐射的辐射强度很大,火焰传感器的制作大多基于此特性。经研究火焰的灵敏度会发现该传感器对其极为敏感，纵观市面上的AI智能机器人对火焰的感知都来自于该传感器REF_Ref32441\r\h[13]。此外，对于光线亮度的强弱均可利用该传感器来测试。3.3.1火焰传感器介绍在日常生活中，触及易燃易爆场景时火焰传感器通常被利用于完善火灾消防措施，能够及时发现火焰的存在。火焰传感器本质上是一个红外线接收管，依靠红外线特性——火焰灵敏度所制作，由其探测火焰后，根据亮度强弱转变成对应的高低电平，再输入到单片机中。当光源波长处在大于760纳米且小于1100纳米的区间内或产生火源时，均可使用火焰传感器检测。当传感器检测角度处于60度，对火焰光谱反应最为灵敏。它的工作温度大于-25摄氏度且小于85摄氏度，传感器性能稳定可靠。若是环境检测到火焰或是光源，火焰传感器模块通过D0数据位输出高电平；反之，由D0数据位输出低电位。数字量输出D0引脚能够与中央处理器直接相连，由单片机依据输出量的变化对程序进行处理。3.3.2火焰传感器引脚功能火焰传感器采用四线制接口，其实物图如图3-6所示，各引脚功能分别为：（1）GND为接地电源（2）VCC接3.3V-5V正电压（3）D0数字量输出接口（4）A0模拟量输出接口图3-6火焰传感器实物图3.3.3火焰传感器电路原理在火灾初期，首先，可燃物开始燃烧并在其表面产生气体，随后变成烟雾；其次，当环境中充满氧气时，可燃物燃烧会产生火焰，不可见光和能见光，所以火焰检测对于火灾报警也是非常关键的。根据亮度强弱转变成对应的高低电平，再输入到单片机中，再由单片机依据不同信号作出不同程序处理。图3-7为火焰传感器采集电路原理图。图3-7火焰传感器采集原理3.4WiFi模块无线网络上网是指通过无线电波传输并连接登录互联网的方式，在科学技术发展的当下，市面上大众所接触及使用的pad电脑和便携笔记本以及移动通讯设备大多都采用WiFi功能来使用互联网。WiFi是目前应用较为广泛的通信方式REF_Ref68\r\h[14],利用成本低廉性能稳定的ESP8266芯片,构成一个无线的火灾报警系统。3.4.1ESP8266工作原理ESP8266采用UART协议（异步串口通信协议）接口进行连接，实现WiFi远程的互联通信REF_Ref172\r\h[15]。串口设备通过此模块接入无线网络。AT是一种串口调试指令，通常用来测试WiFi模块的指令接收是否正常工作。发送指令AT时，若收到返回的OK值则说明AT指令工作状态正常。WiFi模块能够接收云平台发送的指令并产生中断，同样地，单片机也会将数据通过该模块传输到云平台进而转发至用户手机。它是嵌入式模块，内置互联网协议和IEEE802.11协议栈,能够实现串口与WiFi之间的转换REF_Ref228\r\h[16]，方便将各传感器采集的数据经WiFi传至云平台，亦可通过WiFi模块将APP发出的指令传至需要被控制的设备。在无线联网中，WiFi模块先扫描所有信道，为了搜索准备与之连接的网络，这些网络由目的AP所创建。本设计采用ESP8266-01，它是个比较常用的WiFi模块，具有体积小、功能强大等特点。3.4.2ESP8266引脚功能在ESP8266-01中实际可用使用的GPIO有四个GPIO0、GPIO2以及RX、TX，实物如图3-8所示，其引脚功能分别为：（1）3.3V供电，避免使用5V供电；（2）RX，UART_RXD，异步串口接受端；（3）RST，外部复位引脚，低电平有效，默认高电平；（4）IO0，GPIO0；有两种状态：一种是悬空，是Flash下载模式；另一种是下拉，为串口下载；（5）EN使能端口，高电平工作，低电平模块不工作；（6）IO2，GPIO2，开机上电时为高电位，不允许下拉；（7）TX，UART_TXD，异步串口发送端；（8）GND接地引脚。图3-8ESP8266-01实物图3.4.3ESP8266电路原理WiFi模块要与单片机连接才能进行通信，ESP8266-01中引脚与单片机连接方式为：WiFi模块的TX发射端接单片机的RX引脚，用于向单片机发送数据；WiFi模块的CH_PD使能端接高电平3.3V处；WiFi模块的RX与单片机的TX引脚相连，用于接收数据；WiFi模块的VCC引脚接3.3V处；WiFi模块的GND引脚接地；RST在低电平时进行复位操作，默认悬空；GPIO0和GPIO2悬空。其电路原理图如图3-9所示。图3-9WiFi模块原理图由于ESP8266-01正常工作在+3.3V的电压下，而整个电路的输入电压为+5V，所以需要转接一个电压调节器，在本设计中，使用AMS1117电压调节器进行电源转换工作，且保证本次设计工作电压稳定，完成一系列工作。AMS1117转换电路原理图如图3-10所示。其中，引脚1接地，引脚2接+3.3V，引脚3接VCC，四个电容起稳压作用。图3-105V转3.3V电路原理图3.5LCD液晶显示模块随着科技的进步，日常生活中的各类电子产品都用上了液晶显示屏作为显示部分。而在单片机中，若要显示数字、字符等则需要LCD模块。LCD1602是当下普遍使用的显示模块。由LCD液晶显示屏、控制电路、可扩展电路，以及八个电阻R1~R8、三个电容和一些结构件组成。本设计中主要由LCD1602来完成显示功能。实物图如图3-11所示。图3-11LCD1602实物图3.5.1LCD1602工作原理LCD1602依据液晶显示的物理特性，利用电压控制模块内部显示区域并基于透光原理，在设备上电完成后，显示出相异的黑白图形。液晶显示的初始化步骤首先是清屏并写入数据至缓冲区；随后光标复位，AC及时复位清零。其次是功能设置,决定采用的数据位数，通过液晶显示模块连接到单片机，设定和修改字形大小。然后是设置开关状态，管理字符闪烁与否以及光标显示。最后是设定输入方式、内容移动与光标的移动。3.5.2LCD1602特点LCD1602能够显示16列2行的字符，最佳工作电压为5V，其设计电路更简单，编程也更容易，且让使用者感觉更直观。首先，LCD1602显示画质清晰，在每一个位置收到显示指令后能保持稳定不变的颜色和亮度进行发光，而且不会经常闪烁；其次，它尺寸小而轻便，适用于小型设备；此外，1602液晶模块的接口以数字量传递数据，在数据传输方面与单片机的适配性更强，使用便捷简单可靠；最后，能量损耗较低、稳定性较好，由其所组成的智能化设备拥有较高的性价比。3.5.3LCD1602电路原理本系统在下位机和远程端都有显示功能，下位机依靠LCD1602液晶显示屏对数据进行显示。如图3-12所示，VO与GND通过一个2k大小的电阻为显示屏提供偏压，用于保持显示正常。LCD的双向数据传输的引脚与单片机上P0.0~P0.7部分相接，LCD的RS引脚接单片机P2.7，能够选择寄存器，高电平时选择数据缓冲寄存器、低电平时选择指令寄存器。输入控制端位于低电平执行命令，连接P2.5引脚。读写信号线与单片机的P2.6引脚相连。图3-12LCD1602液晶显示原理图3.6继电器驱动模块继电器是具有分离功能的自动开关元件。当输入电路的励磁量的变化达到预定值时，可以使输出电路的控制的电量在规定的步骤中变化，自动控制电路。这是一种可以对一些外部激励（电或非电）进行响应的感应机制，可以控制控制控制电路“接通”和“断开”的执行机制，以及比较、判断、变换的中间比较机制。继电器在遥控、远距离测量、通信、自动控制、机械电子学和航空航天技术等领域有着广泛应用，起到控制、保护、调节和传输信息的作用。本设计中的喷水功能的实现主要依靠继电器完成。选用JQC-3EF-S-Z型继电器，它有两侧，一侧是主控器控制低电压、低电流；另一侧是接入电路中的，是高电压、高电流。两侧之间的电路是不连通的，因此高压一侧的电压和电流是不会进入低压一侧，低压一侧同理。通过单片机内部的程序判断或是通过指令的下发及传输实现远程控制继电器启动与否。除连接水泵之外，继电器还能连接其他消防设备，实现其他消防功能。实物图如图3-13所示。图3-13继电器实物图3.6.1继电器工作原理电磁式继电器一般由软铁或硅钢焊接制成的铁芯、电磁衔铁、簧片、线圈等零部件组成。给继电器两端增加一定的输入电压时，内部线圈部分开始运转，线圈中有电流流过，形成电磁效应，依靠电磁作用力，接通内部端子，衔铁受到电磁力引力克服弹簧回弹拉力向铁芯移动，带动电磁衔铁的动、静两个触点吸合，从而达到电路导通的目的。电路的导通与否与输入电压密切相关，当输入电压恒定，电路导通作用就会一直保持；若要关闭继电器，将输入电压断开即可完成关闭。由于继电器内部有相应的回弹装置，内部端子返回到原来的地方，将电路切断REF_Ref365\r\h[17]。3.6.2继电器驱动电路原理本设计使用一个继电器，该继电器主要用于控制消防设备，例如：喷水设施。既能通过实时值与阈值的比较自动控制，也能通过WiFi模块与云平台交互，实现远程手动控制。单片机中继电器连接的引脚是P2.3，当该引脚为高电位时，产生电压差，线圈内部产生电流，内部端子接通，继电器工作。其原理图如图3-14所示。图3-14继电器驱动原理图3.7风扇驱动电路原理本系统中风扇通过连接一个PNP三极管工作，三极管主要起到开关的作用，三极管的负极接地。风扇电路连接在单片机的P2.1引脚上，当该引脚为高电位时，电路为导通状态，风扇启动；反之，风扇关闭。风扇驱动原理图如图3-15所示。图3-15风扇驱动原理图3.8本章小结本章对远程智能火灾报警系统的硬件的选型、工作原理、引脚功能及其特点做了简单介绍，并以之为基础对单片机系统、MQ-2烟雾传感器、A/D转换、火焰传感器、ESP8266WiFi模块、LCD液晶显示、继电器驱动及风扇驱动等各个部分的电路设计进行阐述。4系统的软件设计本系统程序设计中感知层（硬件）使用Windows操作系统和keil5软件。KeilC51是8051系列全新的兼容于单片机C语言的汇编代码软件开发系统，在提供新的开发环境的同时保留了汇编代码语言目管理器、编译器、链接定位器、Ax51宏汇编器、软件模拟器、硬件调试器等功能组合在一起REF_Ref26238\r\h[18]。APP平台专门为开发者提供用户数据、编程接口等，开发者可以自行开发APP供其他用户直接下载和使用，在完成基础功能搭建后经Android平台的开发，用户可以随时通过无线方式不受限制地查看和取得数据信息，并实现网络化、简单化的远程管理。本系统的应用层(APP)使用Andriodstudio软件，它是一款基于IDEA开发软件，专为Andriod应用服务的软件，采用Java语言进行开发。Java语言以其面向对象、跨平台、分布式等特点被广泛应用于程序设计中。将编译完成的软件打包为apk-debug.apk并导入安卓手机。4.1系统软件总体框架4.1.1主程序流程图首先初始化程序，WiFi模块进行初始化，传感器采集火焰、烟雾等环境信息，通过相应转换和单片机进一步处理，并显示采集数据到液晶屏上。当火焰传感器检测到火焰时，继电器连接的水泵启动自动喷水，并更改液晶屏标志位显示；当烟雾传感器检测到烟雾浓度转换后的数据大于报警阈值时，风扇自动开启排烟，同样更改液晶屏标志位显示。WiFi模块通过路由器或手机热点将数据上传至云平台，由云平台将消息转发至远程端，手机通过分析比对接收数据，超过阈值显示报警提示。如果未发生异常情况，则直接上传烟雾浓度数据。主程序流程图如图4-1所示。图4-1主程序流程图4.1.2中断函数流程图若是接收到从远程端发送来的数据，首先判断是否为控制请求，如果是控制指令，云平台转发相关指令至单片机，对相应的终端控制器件进行操作，例如：启动或停止风扇、打开或关闭继电器或是对单片机内部阈值做更改等。完成一系列操作后结束中断，返回主函数。如果没有接收到控制请求，则上传数据后直接返回。中断函数流程图如图4-2所示。图4-2中断函数流程图4.2子程序4.2.1烟雾采集子程序烟雾采集模块启动后，首先对传感器进行预热，采集环境的模拟数据使得其输出准确地电压和电阻，通过ADC转换为数字量并读取并通过WiFi模块通信。烟雾采集与转换流程图及关键代码如图4-3、4-4和4-5所示。在烟雾采集的关键代码中通过GetMQ2采集模拟电压值，经过调用GetValue0832()方法进行一定的计算将模拟电压转换为烟雾数字量。如果采集到模拟电压值则通过通道0进入A/D转换模式，通过for循环读取数据，比较两次得到的数据，相同则输出。图4-3烟雾采集及转换流程图图4-4烟雾采集关键代码图4-5A/D转换关键代码4.2.2LCD1602显示子程序显示模块在上电后自动开始初始化，再调用延时函数执行延时指令。通过RS引脚区分写指令或是数据，高电平情况下RS完成写数据操作，低电平情况下RS完成写指令操作。在写指令和写数据的过程中调用delayLcd()，不调用延时虽然能成功写入需要显示的数据，但当写入指令时会导致错误出现。在LCD1602延时的过程中，采集模块开始采集和转换数据，在完成延时的流程后，液晶模块开始读取其发送地址并向单片机发送所读取到的内容数据，然后返回等待下一次数据的读取。LCD1602显示模块流程图及关键代码如图4-6和4-7所示。关键代码中函数lcd_init()是对模块的初始化，其中通过lcdwrcom()方法写入指令，能够设置显示模式，通过lcdwrdata()方法写入数据并显示于液晶屏上。图4-6LCD1602显示子程序流程图图4-7LCD1602显示子程序关键代码4.2.3WiFi接入云平台子程序打开通过串口调试助手，发送AT指令对串口进行配置，当串口回复OK时即设置成功。ESP8266的工作模式可分为三种，即STA、AP和STA+AP。在STA模式下WiFi模块可以接收来自无线路由器发出的信号并连接互联网；在AP模式下WiFi模块与热点类似，可以通过手机或电脑连接从而实现无线通信。本系统采用STA+AP工作模式，即路由器和热点模式共存,既可以通过路由器实现联网操作，也能够作为WiFi热点使用,实现无缝切换，使其他设备接入远程服务器并保存到Flash，将采集的数据由无线方式传送至云平台，同时能够收到返回数据。通过AT+CWMODE指令，若值为1，表明连接到STA模式；值为2，连接到AP模式；值为3，工作在STA+AP模式。通过AT+CWJAP指令设置WiFi模块名称及密码；而在连接至路由器之后需要通过AT+CIPSTART=9,6002指令连接云平台中的服务器。4.3云平台介绍4.3.1云平台系统架构本系统采用OneNET云平台中的多协议接入服务，它为开发者提供面向各种行业或场景的设备协议接入服务，具有海量接入、数据存储、设备管理、设备命令下发等功能。多协议接入云平台架构主要分为三个部分，应用域、平台域和设备域。设备域由传感和执行模块组成，平台域是物联网开放平台，大量服务终端构成应用域REF_Ref4897\r\h[19]。本系统的设备域主要是硬件终端的MQ-2烟雾传感器、火焰传感器、风扇、继电器和单片机，将数据信息打包上传至平台域。平台域通过WiFi接入MQTT通信协议将传输的数据进行存储与分析，同时可对相关设备进行管理。应用域主要是PC端、移动APP端和显示器，通过API接口连接到第三方应用，本系统的应用端是APP。其架构图如图4-8所示。图4-8云平台系统架构图4.3.2MQTT通信协议消息队列远距离监测传输协议简称为MQTT协议，能够进行实时通信，是物联网的重要组成部分。MQTT协议设计的初衷是为了使在计算方面能力有限的网络或是工作在低带宽环境下、运行于不可靠连接中的远程传感器和控制器件能够正常通讯。它是一种基于topic的消息Pub/Sub模式的协议，设备需要保持长连接状态，能够提供一对多的广播式消息发布，将数据推送到应用，解决不同应用程序之间交叉耦合的问题。适用于智慧能源、智慧农业、智能硬件、M2M等多种场景。该协议具有灵活的服务质量、实施简单快捷以及资源利用率低等优点REF_Ref466\r\h[20]。MQTT协议是基于TCP/IP协议连入互联网并进行数据推送的，保证了传输的可靠性。4.4应用层软件设计4.4.1数据显示及控制界面设计在Android平台的SDK中包含多种丰富的组件，同时可以提供比较完备的界面设计，使APP界面的设计可以更加简单合理。本系统界面的布局和设计使用的是Java语言，存放在项目工程的res文件夹中layout目录下的xml文件中。设计中的显示界面采用线性布局和相对布局相互嵌套使用的方式，并且在线性和相对布局中添加了一些文本提示框、输入编辑框和按钮组件来实现系统显示界面的设计。由线性布局设置水平排列每个子组件水平排列，按钮、文本框、编辑框的排列通过相对布局来实现。本设计的显示界面如图4-9所示。图4-9APP数据显示及控制界面4.4.2登录信息设置界面设计本系统中的APP是基于Java语言在Andriodstudio平台上进行开发的，采用MQTT协议，该协议中有两个很重要的组成部分，分别是app和mcu，app需要向服务器端订阅某个话题才能收到该话题的相关信息，同时app发布消息到某个话题，所有订阅者都能接收到该话题，本系统中APP采用这种方式获取信息，客户端APP即对应的app，作为消息的发布者。因此在进行通信之前，首先用户要连接云平台中的服务器，添加权鉴信息和相关订阅操作，接入前所需填写的设备信息包括：服务器IP或域名、服务器端口号、设备ID为云平台中app的设备号、产品号为云平台的产品ID，密码为app，订阅的主题为mcu即让mcu上传信息到云平台，发布者为app。该页面通过点击顶部的按钮即可弹出，当所有信息配置完成点击确定按钮即成功将APP接入云平台。登录界面如图4-10所示。图4-10信息配置界面4.4.3提示报警程序设计关键代码中由for循环接收单片机上传的数据并存放在数据缓冲区。缓冲区数据的固定帧头是在程序内部设定的，是数据分类的标识。通过不断循环检测每一个数据缓冲区的数据，如果接收到帧头，则帧头后面是所需的数据，能够对其进行采集。若帧头后第二、第三位的数据不为零，则显示相应的报警提示。报警信息提示界面显示图以及主要代码如图4-11、4-12所示。图4-11提示报警信息界面显示图4-12提示报警信息关键代码4.4.4下发指令程序设计本系统通过Button控件实现下发指令控制的功能。由于按钮较多，通过外部类实现监听，使用接口OnClickListener。当监听到按钮点击事件时，将取得的字符“FD11”转换为数组并启动发布消息的线程将指令转发至单片机。单片机根据读取到的数据判断执行相关操作。这里以启动风扇的按钮为例，按键样式及关键实现代码如图4-13、4-14和4-15所示。图4-13按键样式设计图4-14按键实现监听事件图4-15单片机判断执行指令4.5本章小结本章结合了硬件电路的设计主要对远程智能火灾报警系统的软件设计做出了详细的介绍，包括主程序流程、中断程序流程和各部分子程序的工作流程及关键代码编写。同时对云平台和其所使用的接入协议进行了阐述。在应用层的软件部分展示了数据显示及控制界面、登录信息设置界面、报警提示界面和下发指令控制程序，实现了系统软件的整体设计。5远程智能火灾系统的实现与测试5.1整体系统搭建采用上文已选择的各型号硬件，将各模块的搭建完成如图5-1所示。图5-1系统硬件整体搭建5.2系统的连接测试将单片机系统上电，ESP8266自动连接无线网络或手机热点。配置软件程序连接信息将单片机系统和手机连接到云平台，云平台中mcu和app均显示在线即连接成功。如图5-2和5-3所示。图5-2APP接入信息配置图5-3单片机和移动端成功接入云平台5.3系统的性能测试烟雾阈值的初始值为60%，当前环境中烟雾浓度为2%，两位显示为02%，右上角的两位是报警标志位，第一位是火焰标志位，有火焰的情况标志位数值显示10；第二位是烟雾标志位，烟雾超过设定值的情况标志位数值显示01。初始实物图如图5-4所示。图5-4初始实物图当系统检测到火焰，液晶屏上显示10表示检测到火焰，传感器的DO-LED亮起，同时继电器打开自动喷水，远程端显示火焰报警提示；由于打火机内部是正丁烷气体，烟雾传感器可以对烷类气体进行检测，所以从打火机释放丁烷气体，当系统检测到烟雾浓度超过设定值，液晶屏和移动端的数据变为85%，同时自动打开风扇排烟，远程端显示烟雾报警提示。实物图如图5-5所示。图5-5烟雾、火焰的监测报警与控制通过远程端将烟雾浓度的阈值设置为20%，且假设为既有烟雾又有火焰的情况，并重新检测。此时，烟雾浓度为75%超过20%，且有火焰，所以液晶屏上标志位显示11,移动端有两个报警提示，继电器和风扇都为启动状态。实物图如图5-6所示。图5-6改变阈值后重新测试当没有检测到环境异常时，可以看到标志位为00，通过移动端远程控制风扇和继电器的启动和关闭。其通过远程控制，未开启和开启后的对比图如图5-7所示，继电器红色指示灯亮起，风扇转动。图5-7继电器和风扇开启前后对比图6总结与展望6.1总结在人们的日常生活中，智能火灾报警系