【《基于STM32的室内火情监测预警系统设计》14000字（论文）】

绪论1.1研究背景由于科技和时代的发展，工业生产的复杂和人们日常生活的大意，给环境带来了很多的安全隐患。通过及时发现并通知火情，防止火情造成过大的危害，从而确保人身财产安全。为减少这样的事故，我们应该对所处环境进行实时检测，采用快速、可靠的测量器件，比如，温湿度传感器与火焰传感器，密切监测环境温湿度与明火程度，快速发现隐患，采取防护措施，以避免发生危险，为工业和家庭安全提供更大的帮助，为社会提供更加稳健的发展。因此，研究环境温湿度、火焰报警与室内火情监测报警系统相结合的方法，已成为测控技术与仪器开发领域的一个重要研究课题。1.2国内外情况现如今，我们已经进入了新的时代，这是一个由科技主导的时代，其中，智能家居，智慧城市是科技时代的作品。在很多分支中，安防技术是智能家居的一个重要技术分支，它正式形成于1950年到1971年，当时正处在第二次产业革命中。它最初在美国、法国、德国等国家成立，如VICON(维康);ADEMCO(安定宝);CHUBO(集宝)等。因为1960年的图像影音，1970年的电脑编程，1980年的自动检测以及1990年的国际网络的大力创新，所以也让安防技术获取了良好的发展[1]。目前，家庭安防报警系统早已成为智能小区安防管理的地基。警报器接口内配置有多个探测器，它拥有能够接受到红外线和微小电磁波的传感器、能够感知到周围环境温度变化的传感器，能够感测到周围环境的烟雾及危险化学气体的传感器等具有特定功能的传感器，由这些传感器所发出来的警告信号会传送到这个复合警报器的检测中心中去，立刻报警，并且把危险信息及时向有关人民的接受设备发出信号，这样就可以使得灾情得到及时控制，确保人民生命财产不受到严重的侵害。报警设备的时代发展主要有两个方面，一方面是技术和仪器的发展，另一方面是远程通信警告系统的发展。探测传感器的发展主要表现在被动红外、超声波和微波三种各具特点的探测技术的成熟，同时，功能多样的探测传感器也相继问世。其中，最有希望的仪器是复合式探测器，它是在一个封装盒中把两种以上原理不同的探测器进行安装，两者组合后，检测机制会变得丰富全面，所以，在这种情况之下，探测器所检测出的错报率就会迅速降低。现如今，复合式探测器多种多样，其中最具有代表意义的有2款，一种是复合了超声波和红外线检测功能的传感器，另外一种是复合了微小电磁波和红外线检测功能的传感器，这两种组合为传感器的发展做出了巨大的贡献。其中，因为现实的需求，通信一定需要远距离通信，这样的通信系统才更有意义，所以远程通信警告系统也发展出了有线警告系统、无线通信警告系统，公安联防警告网络等多种现代化系统。目前我国的通信警告系统的种类也变得更加丰富，功能更加多样和可靠，具有比较高的容错性。随着科技的发展，软件算法的地位越来越突出重要，因为软件算法发展具有快速更新的特点，所以促使了警报系统在智能安防中的重大作用，其中核心领域主要是在3个方面，分别是：实时监测、动态监控和复合抗干扰。第一，实时监测并不是传统意义上的监测环境数据，它还包括了对实时监测的数据进行计算，分析，判断，为执行做准备的功能，其中自动运算的实时监测是通过智能传感器的处理器来计算的。它不仅可以实现对火焰信号直接检测，载入计算机进行数字化的分析与信号处理，同时也可以对环境的变化做到合理恰当的回应，随后，使用设计好的判断程序去比较，然后重新给值，实行更加吻合变化后的环境的正确操作；智能监控是通过探测仪器中自带的程序代码主导运行，它会观察程序是否定期运行，从而让仪器处于最佳的使用和维护状态。智能抗干扰是由硬件和软件抑制环境噪声的一种方法，一方面，智能硬件抗干扰技术主要有抗串模电压干扰，抗共模电压干扰，去耦电路设计，电磁屏蔽技术，接地技术和隔离技术等；另一方面，智能软件抗干扰技术中主要有时间冗余算法，指令冗余算法，数字滤波算法等。目前火灾探测通信警告系统的研究主流系统是模拟地址系统，器件会自动去寻找所需要单元内容的地址。到目前为止，已经有数十个国家开始着重发展新的通信报警系统，专门针对于无线探测火灾应用，此类的方法也会发展成为我国的主流。同时最近几年，我国也造就了一股智能家居热，人民更加追求居住的科技感。在经济发达的城市里，公安部和建设部对于智能人民小区，提出应装有安防系统的要求。在这里，智能家居安防主要有4个功能，依次是电子橱窗自动开合，小区门禁智能管理，意外情况紧急呼救，失手误报自行解除。现在，人民生活日益美好，人民追求已经从温饱型生活向全面小康转变，追求更优质的生活体验已经成为人民的普遍欲求，大型的智能家电已经可以进入普通百姓的家中，这导致人民会有更加强列的安全意识，会不断接受在自己家中装有经济实惠，安全可靠、功能全面的安防系统。与此同时，我们已经进入新的二十一世纪，第四次科技革命即将到来，智能家居，智慧城市已经被行业的专家们广泛提出，也引起人们的广大关注。其中，安防系统作为智能家居的地基组成部分，也会朝着经济安全、功能多、运行快、人机互动和语音图像识别等方向发展。我们可以预测未来发展，智能家居，万物互联将会成为21世纪建筑行业，娱乐行业，酒店服务行业的发展重要投资方向。同时，随着人们收入不断提高，人民越发追求高质量的生活水平，对居住环境是否科技化，安防保障系统是否足够可靠和完善，也会成为一项重要的变量，人们会去衡量住宅质量是否取得明显的进步[2]。1.3火情监测的常见方法火情发生的场合有多种，比如工业火情，森林火情，住宅火情，商业火情等，本文以森林火灾为典例，分析监测方法。无论哪一种场合下的火情监测，监测的目的都是为了迅速发现火情，实现“早发现、早扑救”的目标。森林火情监测的方法主要分为5种，分别是：地面巡逻、观测点定点观测、空中飞机巡逻、卫星林火监测和红外监测网（传感器网络所组成的预警监测网）[3]。(1)地面巡逻。通常由护林员、管护的专业人员来进行此项任务。主要有人员步行、驾车巡逻，和技术人员实地考察等方法。这是最简单的森林火情监测方法。(2)观测点定点观测。使用专业了望台的登高望远镜，在远处便可发现火情，确定火场的位置，及时通报给相关单位。这是我们森林防火大部分林区所采用的监测方法。(3)航空巡逻。航空巡逻是运用航天飞机沿设定好的航线，在森林的上空进行曲线环绕探测巡逻，当观察到火情时，要能够及时报告给林火负责部门。同时运用红外成像系统，对高温火感具有良好的精度。它是飞机监测的主要做法，能够更快发现火情，鸟瞰全图，对火场具体实情的监测有着举足轻重的作用。(4)卫星林火监测。用于检测林火的卫星具有范围宽、频率高、准度高和抗气象干扰强等优势，不仅适用于林火的早期探测，而且适用于对危险度较高的林火蔓延，它可以进行自主的火情跟踪和检测，最后，它还拥有自动绘制林火情况报表和林火态势图的功能，通过对着火面积的图形识别统计，对火灾损失的智能预估，对地面植物的伤害监测，对森林火险进行等级评定，未来火势的走向做出数字化的概率评估和森林资源的宏观监测，是能够帮助专家及时掌握火情的重要资料，对控制大型林火有着极大的帮助。(5)红外监测网（传感网络预警监测）。其主要是利用国家新兴战略来支持发展的高新技术-物联网(传感器网络网)技术。本系统采用无线传感网技术，由若干个火灾探测器、一台基站和预警平台三部分组成，在部署的火灾探测器中，能警告小径区域，在完全覆盖整个轨迹在网状结构中，可以检验到着火面积小于1平米的早期森林火情的危险，并用无线通信方式和邻位探测器中连续跳转到预警平台基地，再通过预警平台基地对部署在预警中心的地理信息系统（GeographicInformationSystem，GIS）下达火灾预警的命令，用GIS电子地图方式展现出森林火灾发生的准确位置、蔓延速度、蔓延趋势、连续时刻内的火灾面积，使预警中心能够及时发现火情，科学地指挥灭火救援。最后，本系统的优势是通过传感器网络来对火灾发生时，所产生的特定光谱中红外波长进行探测，因此它与视频监控相比，受环境干扰因素的影响非常小，响应时间不到30秒，远快于视频监控；此外，本传感器网络系统的安装也非常简单，只需探测器安装在树干上3-5米的树冠下面，它不会对环境造成任何不利的影响和破坏，所以它是目前最环保，比较有效的监测林火方法之一，具有良好的经济效益和环境保护效益。1.4智能火情监测的概念智能火情监测系统是通过微处理器进行计算，智能传感器获取并计算转化环境信息，并将通信与人机互联进行综合的模块。它可以在独立的系统或者网络条件下，自主运行和操作，同时可以完成目标所要求的防火警告功能。它综合到了智能信息处理技术、通信技术、传感技术等多种高新技术，这能够让它具有适应力强、运行快、精密度高的优势。到目前为止，智能火情监测报警系统的设计已经比较完善。然而，在探测、通信、警告、传输数据等方面，还存在着一些问题，比如传感器的灵敏度不达标、信号传输的抗干扰能力较弱等问题，都会导致误报率的上升，这些都是有待改进的问题。随着时代的发展，智能技术的进步，大量的工作将由机器人代替，现行的智能火情监测报警系统可以发展为由机器人全面控制的智能火情监测报警系统，这便是技术上质的飞跃，它会激发巨大的潜在市场，促进市场经济效益，解放劳动生产力，让国家富强，民族振兴，人民幸福。2硬件设计2.1系统总体方案系统总体框图如图2.1所示。外外界环境测温湿度模块感测火焰模块STM32主控芯片显示模块蜂鸣模块短信模块图2.1系统总体框图当给整个系统供电之后，由温湿度传感器和火焰传感器自动采集环境中的温湿度和火焰信号，采样间隔为1秒1次，经采样后把数据送给主控芯片STM32的储存器之中，再由STM32发送给显示屏幕，并进行火情判断，当有火时，蜂鸣器响的同时SIM800A自动发出火警短信给指定用户，当无火时，蜂鸣器和SIM800A保持等待工作状态。2.2系统总体设计系统总体电路如图2.2所示。其中，STM32是本系统的核心电路，由STM32连接起整个模块的引脚，其中，DHT11温湿度传感器的1，3号引脚接电源和地，2号引脚连接至STM32的34号引脚。火焰传感器的1，3号引脚接电源和地，2号引脚接STM32的35号引脚。OLED显示电路的1，2号引脚接电源和地，3，4号引脚接STM32的37和39号引脚。SIM800A的3，4号引脚接地和电源，1，2号引脚接STM32的13和14号引脚。蜂鸣器接STM32的38号引脚。图2.2系统总体电路2.3各个模块设计2.3.1主控芯片模块STM32单片机是一款32位的微控制器。STM32单片机内拥有定时器，ADC转换，SPI外围总线，IIC通信总线，USB插口，UART接口通信等丰富的外围设备功能。STM32具有强大的性能，第一，因为STM32的时钟是72MHZ，所以其运行速度至少是80C51系列的6倍，且其设备更加成熟，抗干扰能力更强，更能适应环境，所以运行速度一流。第二，它的工作温度范围在-40℃到85℃之间，可以满足室内环境监测的范围，所以选择它做室内监测预警性能合适。第三，它具有低功耗的特点，使得其在各种外设全部处于工作状态时，也只消耗36mA的电流，在其待机等待的工作状态中，消耗电流量可以下降至2uA，所以续航能力优异。其中，STM32的实物模块如图2.3所示。图2.3STM32实物模块STM32F103一共有48个引脚，其引脚图如图2.4所示。其中，在本设计模拟仿真电路图中，STM32的41，43，45号引脚全部接地，42，44，46号引脚全部接电源VCC。PA一共有13个通用接口，PB一共有16个通用接口。图2.4STM32引脚2.3.2测温湿度模块DHT11实物如图2.5所示。DHT11是一款自动校准数字信号输出的温湿度传感器，它的测温范围是0~+50℃，测湿范围是5~95%RH，测温精度为±2℃，测湿精度为±5%RH，温度分辨率为0.1℃，湿度分辨率为1%RH，供电电压为3.3~5.5VDC。图2.5DHT11实物功能介绍：DHT11温湿度数字传感器是一款已经经过校准的数字信号输出综合传感器。它内部自带的采集技术是以数字量的方式来采集，更加高效，方便送入计算机内去处理，并且还加入了降噪算法，使其具有良好的抗环境干扰的能力，以保障产品在恶劣条件下仍然具备可靠性和稳定性。此仪器内含电阻式感湿元件和负温度系数（NegativeTemperatureCoefficient，NTC）温度测量元件，同时与8bit单片机相连。所以，此温湿度传感器具备品质优良、自动处理数据、响应速度快、抗干扰能力强等优势。每款DHT11传感器在发行之前，都会先在一个湿度校验室中，进行数千次的精度测验，以获得高质量的性能。所有的校准系数用代码的形式放入单次可编程（OneTimeProgrammable，OTP）存储器中，在运行程序的时候，软件会一方面监测信号是否传输正确，另一方面也会自动调用内部的函数，来计算修正所采集数据的误差。这种一边监测一边计算的方式，也帮助了单线串口的通信，因为串口通信的电路设计比并口通信要简单，所以也使得电路设计简单，系统各模块集成变得相对容易快捷，成本较低。它体积小，能耗低，使它成为工厂应用中，尤其是在恶劣环境下的最佳选择。最后，该传感器只有4个引脚，使用和连接都比较简单和方便，容易学习和调试[4]。工作原理：DHT11采集数据采用的是1条总线的形式，串口全双工的通信采集方式。其中，它每次一共采集5个字节的数据，并采用高位先出的规则。其中，前两字节代表湿度的整数和小数，后两字节代表温度的整数和小数，最后一个字节充当校验和，监测双向传输数据是否正确。DHT11的数据读取如图2.6所示。图2.6DHT11数据读取湿度=byte4+byte3=45.0(%RH)温度=byte2+byte1=28.0(℃)检查数据=byte4+byte3+byte2+byte1=73（湿度+温度）并且，在写代码时，需要掌握的时序规则是：DHT11一次传输过程中，最大通信时间为3ms，且主机的连续取样间隔要大于100ms。DHT11单总线定义如表2.1所示[5]。表2.1DHT11单总线定义表名称单总线格式定义起始信号微处理器把数据总线(SDA)拉低一段时间至少18ms(最大不得超过30ms)，通知传感器准备数据。响应信号传感器把数据总线(SDA)拉低83us以响应主机的起始信号。数据格式收到主机起始信号后，传感器一次性从数据总线(SDA)串出40位数据，高位先出湿度湿度高位为湿度整数部分数据，湿度低位为湿度小数部分数据温度温度高位为温度整数部分数据，温度地位为温度小数部分数据，且温度低位Bit8为1则表示负温度，否则为正温度DHT11的通信过程如图2.7所示。图2.7DHT11的通信过程数据0信号如图2.8（a）所示;数据1信号如图2.8（b）所示。图2.8（a）数据‘0’信号图2.8（b）数据‘1’信号传输格式如图2.9所示。图2.9传输格式发送流程是先高电平保持，待主机至少拉低总线18ms后，表明主机准备开始呼叫DHT11，保证DHT11可以检测到开始信号。待主机发送开始信号结束，再拉高20-40us后，从机开始接收，读取DHT11的响应信号，DHT11拉低总线80us，表明正在接收，过后再拉高80us表明结束接收，之后开始传送数据。总线高电平DHT11表明不在工作，低电平DHT11表明正在工作。DHT11模块引脚如表2.2所示。表2.2DHT11 模块引脚引脚号引脚名称类型引脚说明1VCC电源正电源3-5V2DOUT数据输出数据输入/输出3NC空脚扩展未用4GND电源接地硬件电路：DHT11硬件电路如图2.10所示。图2.10DHT11硬件电路模块优势：相比于DS180B20只能测量温度的功能，DHT11不但可以测量温度，还可以测量湿度，而且抗干扰能力更强，所以DTH11具有更大的优势。2.3.3感测火焰模块功能介绍：火焰传感器又称红外接收二极管。它用于各种火焰，火源的检测。火焰传感器的实物如图2.11所示。本款火焰传感器是一款远红外火焰传感器，它的探测范围是波长在760nm~1100nm的光源，把火焰的亮度转化为高低变化的电平，其中高电平表示没有检测到火源，低电平表示检测到火源，有效工作距离在1cm到80cm之间。图2.11火焰传感器实物工作原理：运用它对火焰所产生的红外线非常敏感，所以运用这一特点，当火焰亮度增加时，发出的红外线就越多，火焰传感器引脚之间的阻抗就越小，说明检测到的火焰越大；当火焰亮度降低时，发出的红外线就越少，火焰传感器引脚之间的阻抗增大，说明检测到的火焰越小[6]。硬件电路：火焰传感器的电路如图2.12所示。图2.12火焰传感器的电路模块优势：可探测火焰或者波长在760nm～1100nm范围的光源，测试火焰距离应该设为5cm，当火焰越大，测试距离就应该越远，以免退化传感器。检测角度在55度上下，检测范围是1cm—80cm。检测火焰的灵敏度可上下调动（通过螺丝刀在蓝色电位器处控制）。用电压比较器LM393来过滤输出，获得的信号纯粹，信号的波形易于观察，不混叠，同时具有放大功能，可以带给仪器更好的驱动能力。工作电压：3.3V-5V，用普通电源供电即可。输出形式：转化为数字量输出（0和1），代表有火和没火的状态。LM393电压比较器，拥有高增益，宽频带的特点，可以让它更容易地产生出所需要的振荡波形。使用提示：该传感器对火焰最敏感，同时也对普通光线反应，光谱波长如上描述，一般用于火焰警告等用途。该传感器的输出接口可以直接连接微控制器IO口，方便和单片机组合成为系统。该传感器可以在-20到78℃下运行，具有良好的稳定性。2.3.4屏幕显示模块0.96英寸OLED屏幕如图2.13所示。图2.130.96英寸OLED屏幕功能介绍：有机发光显示器（OrganicLightEmittingDisplay，OLED），OLED被冠名为第三代显示技术。OLED不仅质量轻厚度薄、耗能更少、更明亮、尤其可以展现纯黑色，同时还可以弯曲，就像今天的曲面屏电视和手机一样，更加具有观赏美感。在目前，国际各大厂商竞相加大对OLED屏幕的研发资金人才投入，使得OLED技术在当今的电视、电脑（显示屏）、手机、平板电脑等领域的应用不断普及广泛[7]。工作原理：OLED显示的原理与液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）有本质上的不同。具体来说，OLED是由电场进行驱动，有机半导体材料和发光材料因为过载流子的注入和复合碰撞，从而实现发光。从原理上描述，就是通过氧化铟锡(IndiumTinOxide,ITO)透明导电玻璃的电极作为阳极，金属电极作为阴极，以电力给予驱动，把电子从阴极运输到电子的传输层，把空穴从阳极注入到空穴的传输层，然后将两者分别迁移到聚合的发光层，二者相遇后，将产生激子，这会让发光分子材料被激发，经过光线辐射后，就能够产生光源，实现发光的效果。所以，简单来讲，一块OLED屏幕就是由数百万个微小的“灯泡”所组成的一种更加明亮，色域更加丰富的显示器。硬件电路：0.96寸OLED电路如图2.14所示。图2.140.96寸OLED电路模块优势：与传统的LCD技术相比，OLED显示技术具有较大的优势。第一，从屏幕厚度和总体质量上来看，OLED屏幕的厚度可以控制在1mm，而LCD屏幕厚度大多在3mm，所以在相同尺寸下，OLED屏幕重量更加轻，能够有效提高使用体验，降低运输成本。第二，从使用寿命，视角广度来看，OLED屏幕的液态结构，保证了屏幕的抗老化和宽阔的广视角，这是LCD屏幕所不具备的。第三，从画面质量和反应速度来看，OLED可以在非常大的范围内观看同一块屏幕而不失真。而响应的速度却是LCD屏幕的一千倍，具有更好的时效性。第四，从环保节能和恶劣环境下的运行优势来看，OLED屏幕可以耐低温，能够在-40℃的环境下，正常显示内容，能源使用率更高、亮度更高、生态环保、节约能源，可制成曲面屏，从而带给人们更好的视觉冲击感[8]。2.3.5短信通信模块功能介绍：SIM800A是一款双频的全球移动通信系统（GlobalSystemforMobileCommunications，GSM）或通用无线分组业务(GeneralPacketRadioService,GPRS)模块,为表面安装技术（SurfaceMountingTechnology，SMT）封装。该模块运行功能稳定，小外形，高性价，可以让用户进行扩展和组合。SIM800A工作频率在GSM下是900MHz，而在GPRS下是1800MHz，能够实现低功耗状态下的语音、短信（ShortMessagingService，SMS）和数据的传输。同时，该模块因为自身特点，尤其适用于小巧产品的研制和开发。当环境中出现明火时，火焰传感器检测到屋内有明火，在蜂鸣器启动警报的同时，SIM800A将向指定的手机发送火情报警短信，以此达到远程通信的功能[9]。SIM800A实物如图2.15(a)所示,SIM800A各模块如图2.15(b)所示。图2.15（a）SIM800A实物图2.15（b）SIM800A各模块工作原理：插上移动大卡，上电以后，模块会自动查找信号，串口助手发送指令AT,若模块返回ok，则表示连接正常。随后，发送AT+CMGF=1把短信模式改变为textmode(因为模块默认是pdumode0)，最后，发送AT+CMGS=“在此处输入相应的电话号码”，等待模块返回字符‘>’，输入短信内容，输入完成之后，用十六进制0x1a来完成发送。如果一切顺利，指定的手机便会收到报警短信。模块特性：•双频900/1800MHz：GPRS多插槽类12/10。

GPRS移动站B类。

•满足GSM2/2+标准：4类(2W@900MHz);

1类(1W@1800MHz)。

•运用AT（Attention）指令进行和外部设备通信。在程序领域中，AT指令常用于终端设备与PC应用程序之间，相互连接和通信的指令。同时，在每条AT命令行中，规定只允许包含一条AT指令，否则将会出现错误。

•SIM卡应用数据包。

•需要的电压：3.4~4.4V。硬件电路：SIM800A的电路如图2.16所示。图2.16SIM800A的电路2.3.6蜂鸣报警模块功能介绍：蜂鸣器是常见的发声器件，常用于报警器，定时器，电动玩具中。其中，蜂鸣器按工作原理主要分为压电式和电磁式。压电型号由压电片、音频振荡器、电阻调和器、协同共鸣器和外壳组成。压电片主要通过压电效应来生电，音频振荡器用来振动并发声，电阻调和器用来调整合适的电阻，协同共鸣器强化压电片的压电效应，外壳起保护作用，以此达到响亮的发声的效果。电磁型号由电磁线圈、电磁铁、振动膜片、音频振荡器、电阻调和器和外壳组成。电磁线圈主要通过电磁感应来生电，电磁铁来稳定生电和调整极性，振动膜片在线圈和磁铁的作用下，能够实现定期地振动声响，其他原件功能相同。蜂鸣器实物如图2.17所示。图2.17蜂鸣器实物工作原理：蜂鸣器的发声原理是由振动装置和谐振装置而构成，同时，蜂鸣器又可以根据是否含有震荡源，而分为无源他激型与有源自激型。（注意，此处的源是指震荡源，而非电源，有震荡源的蜂鸣器一通电就会发声）无源蜂鸣器的产生声音的原理是：在矩形波信号输入振动装置之后，矩形波会自动转化为声音信号进行输出，无源型蜂鸣器的工作原理如图2.18（a）所示[10]。图2.18（a）无源型蜂鸣器的工作原理有源型蜂鸣器的产生声音的原理是：用直流电源作为激励，通过振荡系统的放大采样电路进行反馈修正，在振动装置的作用下，产生声音信号，有源型蜂鸣器的工作原理如图2.18（b）所示。图2.18（b）有源型蜂鸣器的工作原理硬件电路：蜂鸣器的硬件电路如图2.19所示。图2.19蜂鸣器的硬件电路2.4本章小结本系统采用温湿度传感器和火焰传感器来实时采集环境中的温湿度与明火情况，通过0.96寸OLED屏幕来实时显示所采集的温湿度和明火信息，当有明火出现时，火焰传感器监测并感测出有火信号，随后引发蜂鸣器报警，SIM800A短信模块给指定手机号发短信以汇报室内出现火情，以此组成室内火情监测报警系统的硬件设计。

3软件设计3.1开发环境简介使用Keil5作为开发环境，软件开发环境如图3.1所示。图3.1软件开发环境在2006年2月，ARM公司对于Keil进行更新更改，又发展出了ARM7，8，9的新芯片，其中本文所使用STM32单片机的内核就属于ARM8芯片，用于开发测量控制领域的研究[11]。和汇编语言相比较，C语言在功能、结构、可读性和可维护性等方面具有明显的优势，因此它易学易用。在个人用过汇编语言编程后，再使用C语言来开发一个相同的项目，感悟体验会更加深刻[12]。3.2总体程序设计总体程序设计流程图如图3.2所示。开始检测温度湿度和火情开始检测温度湿度和火情显示温度湿度和火情是否有火蜂鸣器响和短信发送结束否否是是图3.2总体程序设计流程图当给系统供电之后，程序开始运行，温湿度传感器和火焰传感器自动检测周边环境数据，采集数据后送给STM32，由STM32送给OLED屏幕进行显示，同时进行判断，是否有火，有火的话蜂鸣器会响同时会发短信给指定用户，无火的话蜂鸣器和短信模块进入待机状态。3.3各子程序设计3.3.1测温湿度子程序测温湿度子程序设计流程图如图3.3所示。开始开始延时等待总线是否为低电平检测温湿度并储存结束否是图3.3测温湿度子程序设计流程图首先，要调用DHT11的头文件“bsp_dht11.h”，以便调用其已经封装好的子函数。其中，本模块的要调用几个关键函数，分别是：voidDHT11_GPIO_Config(void)，它的作用是配置DHT11所用到的I/O口。它的算法步骤为先定义一个结构体变量，再开启一个外设时钟，选择要控制的引脚，把引脚模式设为通用推挽输出，设置引脚速率为50MHz，同时调用库函数，初始化DHT11_PORT端口，最后拉高GPIOB10的总线，把其置位，完成配置I/O口的工作。staticvoidDHT11_Mode_IPU(void)，它的作用是使DHT11-DATA引脚变为上拉输入模式。它的算法步骤为先选择要控制的DHT11_PORT引脚，再把引脚模式设置为浮空输入模式，最后初始化DHT11_PORT端口。staticvoidDHT11_Mode_Out_PP(void)，它的作用是切换引脚输出模式，从上拉输入变成推挽输出模式。它的算法步骤为选择要改变的DHT11_PORT引脚，设置引脚模式变为通用推挽输出模式，并设置引脚速率为50MHz，最后都要再调用初始化函数GPIO_Init(DHT11_PORT,&GPIO_InitStructure)进行初始化工作[13]。最后，在编写读取数据格式的时候，开始时要拉低总线18ms，主机延时30us,结束时要拉高总线。因为DHT11是5个字节作为一个数据进行输出，前2个字节代表湿度的整数和小数部分，随后的2个字节代表温度的整数和小数部分，最后1个字节是校验和，用来检测要输出数据是否和输入的数据相同，防止向外界传输错误信息。同时时序图都是以50us低电平开始又以50us低电平结束为一个周期，其中DHT11的高电平持续26~28us表示该位数据为“0”，高电平持续70us表示该位数据为“1”，如此进行8次位操作便是1字节的数据，再进行4次重复读取，就获得了5个字节的数据了。3.3.2感测火焰子程序首先，要调用火焰传感器的头文件“frame.h”，以便调用其已经封装好的子函数。其中，本模块的要调用几个关键函数，分别是：voidinfrared_INIT(void)，它的作用是对火焰传感器的端口进行初始化。它的算法步骤为先定义一个结构体变量，再选择你所要设置的I/O口，并把该端口设置为浮空输入，随后设置传输的速率为50MHz，最后要再初始化GPIO端口[14]。NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2),它的作用是对中断优先级进行分组，括号中的变量表示把中断优先级分为高低2组。最后，在编写该子程序的时候，要先定义好读火焰传感器的状态函数，并设定好所占用的GPIO通用端口，在开始的时候要先初始化，并且该模块为检测到低电平的时候火焰报警器就报警，所以要设置为0有效，1无效的逆逻辑。此外，通过螺丝刀旋钮自带的蓝色电位器，也可以调节该传感器的灵敏度，逆时针为增加灵敏度，此时火源应该相应地远离探头，顺时针为降低灵敏度，此时火源应该相应地靠近探头。感测火焰子程序设计流程图如图3.4所示。开始开始检测火焰信号是否有火有火信号送给STM32结束否是图3.4感测火焰子程序设计流程图3.3.3屏幕显示子程序首先，要调用OLED屏幕的头文件“oled.h”，以便调用其已经封装好的子函数。其中，本模块的要调用几个关键函数，分别是：OLED_ShowCHinese(A,B,C)，它的作用是在屏幕上显示一个汉字。它的算法规则为，A变量表示汉字所在屏幕X轴的位置，可输入0到127。B变量表示汉字所在屏幕Y轴的位置，输入3的倍数，0，3，6，9等，同时0代表第一行，3代表第2行，6代表第三行，因为本设计只用到3行，所以只需要0，3，6就足够。C变量表示所要的汉字在软件中的数字标码，其中每一个汉字都有一个固定的标码，通过取模软件可以取出汉字所对应的数字。如OLED_ShowCHinese(0,0,13)，13表示“当”字，含义为“当”字位于OLED屏幕的第1列第1行。OLED_ShowNum(A,B,C,D,E)，它的作用是在屏幕上显示一个数字。它的算法规则为，A变量表示数字所处X轴的位置，B变量表示数字所处Y轴的位置，C变量表示所定义变量的数值，D变量表示这个数值的位数，E变量表示所显示数字的字号。如OLED_ShowNum(90,0,DHT11_Data.temp_int,2,16)的含义为显示DHT11所采集到的数据温度的整数部分，该数字在X轴90处，Y轴第1行，共2位，因为整数温度为2位数，十位和个位，所显示的数字大小为16字号[15]。OLED_ShowString(A,B,"C",D)，它的作用是在屏幕上显示一个字符串。它的算法规则为，同上，A，B表示C所处的XY轴位置，C表示要显示的字符串，D表示字号大小。如OLED_ShowString(106,0,".",16)的含义为显示一个“.”在X轴106处，Y轴第1行，字号为1。最后，由此一来，屏幕就可以显示任意汉字，数字，字符串（此处显示所测量值的单位，如℃、小数点.、%RH等），OLED显示功能就完成了。屏幕显示子程序设计流程图如图3.5所示。开始开始等待STM32送数据收到温湿度及火情显示温湿度和火情结束否是图3.5屏幕显示子程序设计流程图3.3.4短信通信子程序短信通信子程序设计流程图如图3.6所示。开始开始等待STM32火情收到32火情信号发短信给指定用户结束否是图3.6短信通信子程序设计流程图首先，要调用SIM800A的头文件“SIM.h”，以便调用其已经封装好的子函数。其中，因为SIM800A是使用AT指令经行操作，所以这里要对AT指令熟悉。本模块的要调用几个关键函数，分别是：AT+CMGF=0/1，它的作用是表明SIM800A以什么模式收发和读取短信信息。它的算法规则为，当AT+CMGF=0时，表明短信为PDU（ProtocolDataUnit,协议数据单元）编码模式发送接收和显示内容，使用PDU模式下，可以自己编辑串组信息，各项参数都包含在PDU串内，比如收件人信息等；当AT+CMGF=1时，表明短信为TEXT文本格式显示内容，简单但不可以自定义数据传输和混用[16]。本设计采用前种。AT+CMGS=27,它的作用是表明准备给指定的27号手机发短信，随后即可在printf函数中输入所要发送的短信内容。最后，在成功发送短信后，一定要添加一个延时函数delay_ms(300)，确保时序不发生混叠，代码运行逻辑正常。3.3.5蜂鸣报警子程序蜂鸣报警子程序设计流程图如图3.7所示。开始开始等待火情信号收到火情信号蜂鸣器响结束否是图3.7蜂鸣报警子程序设计流程图首先，要调用蜂鸣器beep的头文件“beep.h”，以便调用其已经封装好的子函数。其中，本模块的要调用几个关键函数，分别是：voidbeep_init()，它的功能是对蜂鸣器进行初始化。它的算法步骤为，先给GPIO端口定义一个变量，并具体给出端口号，本设计采用PB14端口。其次把GPIO端口的输出模式调为推挽输出GPIO_Mode_Out_PP，同时设置波特率为50MHz[17]。最后，在编写蜂鸣器代码的时候，一般要先把beep置1，人工让它不响，以免在刚上电的时候就响，造成误操作。3.4本章小结本章通过引入软件开发环境Keil5的简介，先论述了整个系统编程的设计思路和逻辑，再论述了对各个模块所应用的流程图及设计思路，其中，对一些关键算法的用法及其具体细节和步骤的补充进行了特别论述，最后完成了整个设计的软件代码部分的工作。

4调试与分析4.1系统调试4.1.1调试过程调试方法：在一个封闭的环境中，先给整个STM32提供电源，再给SIM800A单独供电，随后进行初始化操作，在初始化无误后，开始运行各个模块功能。实时监测环境中的温湿度和明火情况，同时显示在OLED屏幕上，本人实时记录环境中数据，进行统计。用打火机模拟明火出现，当明火出现时，观察蜂鸣器是否响亮报警，记录SIM800A是否给指定用户进行短信警报，本人实时记录蜂鸣器和SIM800A的运行情况，并记录收到短信的时间，进行统计[17]。实物调试：实物的现场调试，实物开始界面如图4.1所示。图4.1实物开始界面当给整个系统上电的时候，系统启动并进行初始化，此时，OLED屏幕显示作者名字谢宇翔，毕业设计，智能火情监控。各个模块处于等待工作的状态，大约1秒后，开始进行监测和预警，正常运转系统的功能。实物无火情界面如图4.2所示。图4.2实物无火情界面当无火情时，此时的OLED显示当前的温度为20.8℃，当前的湿度为48%，未发现火情。此时火焰传感器检测不到火焰，所以蜂鸣器不会报警，SIM800A也不会进行短信报警。实物出现火情界面如图4.3所示。当有火情时，此时的OLED显示当前的温度为20.8℃，当前的湿度为45%，并显示出现火情警报。此时火焰传感器检测到火焰，所以蜂鸣器会马上报警，在大约3秒左右，SIM800A所指定的手机会收到短信报警：“出现火警警报”。短信报警如图4.4所示。图4.3实物出现火情界面图4.4短信报警调试结果：本系统中各个模块均能正常运行，调试中对环境中所采集到的参数能正确显示，预警功能正常，现将已经设计好的系统进行系统调试，获得的实验数据准确。4.1.2调试统计典型调试数据记录表，详见表4.1：表4.1典型调试数据记录表环境温度环境湿度火焰监测蜂鸣器报警短信报警收到短信时间12.5℃45%RH有明火响收到短信3秒-1.2℃39%RH无明火无无无28.4℃62%RH有明火响收到短信2秒23.3℃58%RH有明火响收到短信1秒14.7℃49%RH有明火响收到短信1秒22.8℃53%RH有明火响收到短信2秒4.2结果分析(1)足够稳定，多次实验中，成功报火率达到99%，在寒冷的环境中-5℃，和炎热的环境中39℃均能稳定报警。(2)足够快速，多次实验中，接收短信者一般3秒之内就可以收到指定现场的火情。(3)足够准确，多次实验中，在测得的温度数据能精确到十分位，能够满足室内生活的精度要求。4.3本章小结在硬件连接无误和软件调试正确的前提下，进行多次实验，模拟用户室内环境的真实情况，为了尽可能扩大实验范围，通过人工升温和降温，加湿和干燥等操作来全面检测系统功能。最终，该系统设计的各项功能均能稳定快速地进行运转，可以达到设计的要求，实现预期的功能。

5总结与展望本设计是基于STM32的室内火情监测预警系统的完成。选择使用STM32F103作为系统的主控芯片，共含有48个引脚，72MHz的晶振，工作温度为-40~85℃，供电电压为3.3VDC。使用数字化自动校准输出的温湿度传感器DHT11进行对环境中温湿度的实时采集，其中测温范围是0~+50℃，测湿范围是5~95%RH，测温精度为±2℃，测湿精度为±5%RH，温度分辨率为0.1℃，湿度分辨率为1%RH，供电电压为3.3~5.5VDC。通过火焰传感器进行环境中火源的监测，把火焰的亮度通过LM393电压比较器转化为高低电平，低电平时表示检测到火源，检测火源的波长是760nm~1100nm，检测距离是1cm~80cm，工作温度范围：-20~78℃，供电电压为3.3~5VDC。经过0.96寸OLED屏幕来实时显示采集到的温湿度数据，火情情况的有无，供电电压为3.3~5.5VDC。采取蜂鸣器来进行现场火情的报警，其中蜂鸣器的响声持续时间设置为5秒,供电电压为3.3~5.5VDC。利用SIM800A短信模块来进行远程火情的报警，当火情发生时，用户一般在3秒之内就可以收到火情短信，“出现火警警报”的短信，供电电压为3.4~4.4VDC。以C语言进行软件编程，Keil5作为软件开发环境，STC-ISP串口助手给STM32烧写程序和发送数据进行软硬件调试。本系统的优点在于选材合适，成本适中，工作效益好，使用这些器件组成一个满足室内监测的火情预警系统，且对于小范围的环境采集较为精确，对明火的灵敏度感知较高，报警与通信具有稳定和快速的特点。对本系统未来的展望中，可以加入二次火情监测功能，连续两次都检测到火情信号时再给用户发送，提高系统准确性。可以加入电话警报和用户主动确认后才停止短信和电话报警，增加用户知道火情的概率，确保用户收到远程警告。

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