【基于物联网的火灾自动报警系统设计16000字（论文）】

基于物联网的火灾自动报警系统设计摘要火灾害在事件中的发生危及频率一直是各类自然灾害事件中都高也是最多的,危及关系到了社会公众的安全与利益阻碍了人类社会文明进步REF_Ref23675\r\h[1]。环境的安全是人类安心生活最重要一点，我们生命活动最多的就是自己的居住环境，有些意外无可避免，但是在消防可以避免一定的安全隐患。国家的经济水平提高，科技也随着经济的发展也开始迅猛发展起来，消防安全也随着经济的发展而增添了许多的安全隐患，人们住进了高楼大夏，大夏电路庞大复杂；使用可燃气体做饭，却常常因为一些人为、不可控因素煤气泄漏等等，传统的消防已经不能满足现状。为了在消防上让人住得安心，消防传统技术的转化，是一刻也不能停歇，消防技术的转化也要跟上我们国家发展的步伐，消防科技化，通过消防监测器智能改造达到“互联网+智慧消防”。针对上面的问题，本文提出了一种基于物联网的火灾自动报警系统。该系统通过温度、烟雾、有害气体浓度等传感器采集日常居住环境的信息，把环境居住信息传递给STM32F103C8T6芯片信息处理器进而驱动声光报警器和驱动继电器进行水泵喷水灭火，最核心的就是其选择的云端服务器是ONENET，可以通过ESP8266WIFI通信技术，以MQTT协议为连接方式，手机APP接受到数据信号呈现报警状态。手机APP控制硬件报警，通过云端服务器ONENET，以MQTT协议为连接方式，通过ESP8266WIFI模块串口，把数据传输给STM32芯片，通过对APP数据的解析，进而驱动声光报警器发出“叭叭”的声音报警，通过继电器使水泵自动喷水，实现报警。关键词：ESP8266；传感器；SMT32目录18204目录 页共38页1绪论1.1课题研究背景与意义人在远古时代，发现火、学会生火，用火驱逐猛兽、用火取暖、用火烧食物等等，可是凡是都有两面性，有利就有弊。随着我们高楼大夏的建起，人群密集居住，新能源的发现等等，火的弊就更能放大性体现出来了，一旦高楼大夏某一处发生火灾，烟雾弥漫整个高楼大夏。火灾在早期被发现，人就倾巢而出，安全秩序什么都不管，在烟雾里什么也看不见，心生恐惧只想着逃出去，然而因为人流量过大，秩序也没有，踩踏事件就因此发生；更严重的是火灾初期没有被发现，大量的人群被困在大楼里，因为烟雾浓度大对人的呼吸以及视野范围都严重影响他们的逃生，火势过大蔓延到逃生的路，只能逼迫在原来的居住环境等待救援，等待救赎，火灾不会等人思考的时间，殊不知会给一些小孩留下多大的阴影又或者家庭破碎。就以近年来，重大的火灾事件，2019年四川凉山州发生特大型火灾，火灾发生在森林，消防队员秉持自己为人民服务的理念，前去灭火，可是火灾现场火势发展不可预测，火会因为风蔓延、会因为局部热量过高而进一步发生火灾爆发，其中31名消防员因此牺牲。2019年，欧洲森林大火，上亿只动物生命葬身火海，动物进城驻扎，给欧洲的环境带来了巨大的影响，也给一些科研带来了巨大损失。在我们的生活中，产生火灾的数量多和造成财产损失非常大，消防局在2019年发布数据显示全国因火灾死亡人数超过1335人，产生火灾次数高达23.3万起火灾，人员密集场所以及居住地发生火灾的频率最高。减少火灾的发生，消防领域要与科技领域的接轨，是现在消防发展，最为重视的了。消防监测系统，各种性能都应在科技实力的基础上持续进展，让智能接触人们的生活，惠及大众，得到国家、人民的重视，让智能消防熠熠生辉。消防行业新的机遇和挑战，在我们的科技的自动化、智能化要求发展中如何做到实时监测以及提醒功能。在物联网技术普及在各个领域的时候，消防行业的机遇，也是百年一新的。新挑战也会在物联网的基础上，实现性能以及功能上遇到重大困难，消防行业发起挑战，迎难而上，攻克各个难关。实现智慧消防，要紧跟物联网技术发展的步伐。1.2国内外的火灾报警研究现状1.2.1国外研究现状国外机械的各种智能化发展比较快，进而延申至其他的领域，在消防这个行业也逐步引进智能化。各个行业智能化，进而性能需求也会变大，进而推动了传感器功能以及节点组成的无线传感网络的技术发展，检测器通过传感器采集的环境数据变多了起来，无线传感网络也从几十米到达千米的信号传输的一个跨越，消防行业也逐渐开始智能化。2000年以后，随着传感技术与无线传感网络根据淘汰优劣的原则不断更新，消防监测器各方面也在不断更新。多个无线传感器节点组成了一个无线传感网络，进行环境数据采集。火灾联网报警系统在澳大利利亚二十年前被设计成功，随后建立互联网基础上的物联网时代的到来，各国便充分利用物联网，应用在各个领域，消防行业在物联网结合火灾联网报警系统的基础上进行更进一步的探究与实验。

面对物联网在消防行业的热度，日本利用物联网，做出一整套监管环境火灾的系统，主要内容包括从预警、报警、救援等内容。在英国，根据多年来的火灾事例构建了SAS火灾数据，各个地方发生火灾时人们安全系数分析以及风险评估，利用基于物联网火灾报警器对SAS进行数据校验，看是否可靠。1999年，在美国召开的WICOM提出来了传感网的概念REF_Ref23835\r\h[2]。从2012年美国NIST发起了“智慧消防”的研究项目，物联网火灾监测系统通过采集数据、数据发送分析、数据使用三个环节的的信息获取，还获取居民聚集居住地、消防局地点、现有消防设备等信息进行全面获取，对信息进行整合处理，做到预警、报警、救援等环节从上面各国对智能消防的重视，可知智能消防对我们生活是火灾安全隐患的监测作用是非常好的，是消防行业一个重要的研究领域1.2.2国内研究现状国内由于一些历史政策，在科技发展上导致与世界脱轨，但随着打破了闭关锁国，各国之间的技术相互交流。国家有着坚定地信念，我国经济突飞猛进。经济越来越好，许多贫困地区变成了繁华的城市，建立了许多高楼，安全隐患也会大大增加，也会影响国家发展的信念，让人民幸福。因此，国家不断对消防领域投入经济、技术支持，物联网的发展使我们的智能消防应用提上了日程2017年,公安部又发布了"智慧消防"指导性文件,明确提出综合使用IOT\cloudcomputing\bigdata等新兴信息技术REF_Ref23930\r\h[3]。在国家的首都北京，在海定区建立了多个智慧社区，智能消防的应用逐步拓展开来，在学校、全区重点单位、大型建筑、商场地带等都建设了“智慧物联”。在云南，大华股份与帅池科技公司共同发展战略合作,构建了"智慧消防"的物联网化管理体系。许多城市还建立了一套适于自身的智能化消防系统。从现在国内智能消防发展来看，在一些重点场所和一些大型企业用到，但许多中微小型企业或者偏僻地区都没有用到智慧消防，智慧消防的推广带有一定的局限性。因此，适用于家庭物联网消防系统的智能消防有着巨大发展空间，能够普遍实用于各个地方。1.3本文的主要内容第一章,本章简要介绍了引言导论内容,其中在绪论中主要包括了基于物联网的火灾自动报警系统的研究背景意义和国内外发展现状,通过国内外智慧消防的发展现状,显然，基于物联网火灾报警系统一直都是我们消防安全方面比较重视的，其促进火灾报警系统进步的研究是非常必要的。第二章,简单介绍了基于物联网的火灾自动报警系统的主要内容，对系统的性能上、原则上做出一定的分析，整理明确的架构，确切可行性。第三章,对主控器模块、ESP8266WiFi模块、网络协议、显示屏、云端服务平台进行择优选择，以每一个部分的性能以及低成本作为选择的标准，来降低制作火灾报警器的制作成本并性能优良。第四章,介绍了主控模块、ESP8266WIFI通信模块、传感器、蜂鸣器等硬件上的设计。第五章,介绍了各模块的软件设计，根据STM32的编程语句，实现了各模块的功能，每个模块的软件设计都与主控模块的息息相关，每个模块看似独立，却又不独立，每个模块的输出、输入都在主控芯片掌管的范围内，功能上又互不影响。第六章,完成了系统的软件设计、硬件焊接安装后，进行系统稳定性测试、性能测试。第七章,写了关于对于本系统未来还要在信息采集、功能上还要继续完善。还对关于本系统功能上以及完成工作的总结。2火灾报警系统的方案设计2.1论文主要研究内容通过比较国内外智能消防的发展现状，我国对消防行业给予政策和经济上的支持，在近几年发展速度像阶梯式上升，在每个阶段的发展都离不开国家的支持。国家秉承让人民幸福的目标，要让智能消防大众化，保护人们的生命安全以及财产安全。基于此，本文提出了基于个物联网的火灾自动报警系统，利用ESP8266WIFI通信技术实现数据透传，结合oneNET对学生友好的免费虚拟主机平台使手机APP得到实时的数据系统采用模块化的设计思想，主控器模块、ESP8266WIFI通信模块、传感器模块、声光报警器模块、继电器模块。以STM32F103C8T6芯片为主控智能终端，esp8266wifi模块作为通讯的主控模块，以MQTT协议为接入方式，结合OneNET免费的物联网云平台，实现数据的转发和存储，根据火灾报警时的环境特点，主控器端外接了几种传感器，有检测温湿度、烟雾、可燃性气体，进而实现数据信息的收录，主控器根据火灾环境特点给温度、烟雾、可燃性气体都设定了阈值，当传感器采集的模拟信息转换成数字信息在主程序中和阈值进行判断，超过阈值就通过声光报警器中蜂鸣器发出“叭叭”报警声和LED灯闪烁，通过驱动继电器水泵喷水进行。开发了具有实时数据简易化的APP客户端，APP客户端还可以控制火灾自动报警器的声光报警器、继电器的通断。2.2性能需求分析(1)实时监控。实物上监控,显示屏会显示温湿度、烟雾浓度、可燃气体的浓度以及报警状态,当某一因素超过传感器的阈值时，实物上会有声光报警器报警，还会驱动继电器进行水泵工作进行灭火；软件上监控，也会实时展现各个传感器采集到的数据，报警时，也会有报警状态显示。(2)APP客户端。手机APP上会实时展现温度、湿度、烟雾浓度、可燃性气体浓度；客户可以通过控制“报警打开”“水泵打开”两个软件控制端，实现报警和驱动继电器；显示报警状态。(3)云平台管理。本系统结合中国移物联OneNET云平台利用物联网云平台技术，在管理端给管理部门提供实时监督管理获取相关用户的消防系统的运行信息，管理部门远程监控管理，节省了管理人员，实现了用户+管理者的信息共享，使管理部门能全天候、全时段、全方位、全过程的进行监督管理。提升了安全管理水平，将隐患关进了“智慧”的笼子里。

(4)终端监测比较完善。通过监测温湿度、烟雾浓度、可燃性气体浓度的几种传感器实现终端信息采集，终端控制器:声光报警器、喷水装置。(5)远程控制。基于物联网火灾报警系统，要实现的就是人+物,手机APP就充分体现了这一点，可以通过手机APP客户端，进行控制声光报警器和继电器的通断。2.3系统设计原则(1)易用性原则。系统主要由三个硬件、软件、网络结构组成。软件模块的界面,app的用户界面主要有温度、湿度、mq-2、mq-9、报警状态、是否可以在线等主要内容,简单明了;硬件系统采用模块化组装的操作方式,无需安装和布线;由esp866和onenet两者共同进行网络数据的传输,onenet平台可以帮助软件开发人员轻松地实现对设备的接入和互联网的连接,并为其提供一整套系统方案。(2)可靠性原则。采用MQTT网络协议，让移动消息发送能够按照所需准确地及时到达所设定要求的网络目标和本地,适应不稳定网络条件下正常工作的移动互联网和移动数据传输技术要求,数据不会因网络差而产生数据丢失；平台也具有数据监管体系；系统采用ESP8266通信传输方式，信息传输可靠，覆盖性强。

(3)安全性原则。网络基于国家授权的频谱式无线网络组网,该安全网络结构具有无线安全性强、抗干扰,基于3gpp的无线标准网络安全层+无线数据传送安全解决模式方案+无线应用安全防护层,三层安全防护结构保证了接入物联网的所有终端和应用数据。2.4系统总体架构设计

2.4系统总体架构设计系统主要由5个部分组成，系统结构图2-1。STM32F103C8T6最小核心系统；ESP8266通信模块；执行系统（蜂鸣器、LED灯、水泵）；APP客户端。水泵水泵、声光报警器温度、烟雾、可燃性气体

温度、烟雾、可燃性气体Noenet云平台服务器SMTNoenet云平台服务器SMT32F103C8T6（串口通信）客户端APPESP客户端APPESP8266wifi通信模块图2-1系统结构图2.5本章小结本章介绍了系统研究主要内容，并分析了系统的性能以要注意的设计原则，给出了系统整体的设计方案，结构明确，思路整理清晰，方案的可行性高。3硬件系统方案的选择及确定3.1物联网通信模块的选择无线通信模块是连接硬件端监测数据以及程序数据传输到网络层和一个重要环节，其地位没有任何东西可以与之比较。硬件终端与手机端APP信息交互，无线通信模块是一个极其重要的角色，其功能的必须要满足基于物联网火灾报警系统的需求。通信模块如图3-1所示。2/3/4/5G2/3/4/5GLpwn(NB-IOT/eMTC)蜂窝类蜂窝类通信模组无线模组非蜂窝类WIFI、蓝牙、ZigBeeLPWAN(Lora/Sigfox)通信模组无线模组非蜂窝类WIFI、蓝牙、ZigBeeLPWAN(Lora/Sigfox)图3-1通信模块的分类基于物联网的火灾报警系统，主要应用于家庭以及一些微型企业，对无线通讯的距离要求不是很高，短距无线通讯技术就可以满足本系统的要求，短距通信通常被使用的通信技术有ESP8266（性价比极高）WIFI技术和zigbee模块方案一：ESP8266WIFI模块使用的是范围在几千米以内网络的无线通信技术，WIFI全名叫Wireless-Fidelity,无线宽带。ESP8266则是一款功耗非常低的Wi-Fi信息透传模块,性能稳定,适应性强,广受移动设备和物联网应用设计行业的欢迎REF_Ref24136\r\h[4]。WIFI硬件端或移动设备使用频率高的无线电信号实现数据信息交互，使用网络协议。几十米的通信距离，WIFI的优点就是网络部署及运行的环境不需要导线进行信号传输，降低了使用电线成本以及减少了网络部署的麻烦。任何Wi-Fi标准设备将在世界上每个角落都可以正常运行。方案二：zigbees模块使用是一种通讯距离短，低速低功耗，移动通信与计算机网络相结合的几千米以内的网络通信技术（局域网），在蓝牙通信的缺点上开发的网络通信技术，具有以下优点简便，相对蓝牙功耗小，距离较远，组网规模大。但是数据传输的速度比较慢，在使用有效范围比较小，容易受到外界其他信号干扰，ZigBee不仅协议没有开源而且IP协议不容易对接等。综合以上三个方案，择优选取方案三ESP8266WIFI适合本文中火灾自动报警器的居中环境，不需要太远的传输，能力成本低，性价比高。ESP8266WIFI模块如图3-2所示。图3-2ESP8266通信模块3.2数据采集芯片的选择５１单片机和STM３２单片机，在生活中比较常见，本文在两者的内核、外设上进行比较，择优选取并符合本文的一个数据采集芯片。内核上:51内核里取址和取数共用一条总线。STM32Cortex-M3有多条总线接口，使CM3能够访问内存。STM32Cortex-M3d的总线：它们分别是指令存储器区域、系统、专用外设。有两个代码存储区总线，即i-码总线和d-码总线，它们负责访问代码存储区（即flash外围设备）。I码用于获取索引，d码用于查找表，并不断优化执行速度。系统总线用于访问内部存储器和外围设备，包括SRAM、片上外围设备、片外ram、片外扩展设备和部分系统级存储区。专用外设总线负责一些专用外设的访问，主要是调试组件的访问。还有一个DMA总线。实际上，它是内核和外围设备的纽带。它可以访问外围设备和内部存储器。传输上没有CPU的约束，是双向通信。这在51单片机中没有的。外设：51有的外设和功能，在STM32中都有的。STM32还具有FSMC、SDIO、SPI、I2C等多种特性外设，外设可以根据速度的快慢分别在AHB、apb2、apb1总线上挂载。相比之下，SMT32比51单片机性价比更高，更适合本文系统的使用。因此选择STM32，本文选取其型号为STM32F103C8T6。STM32主控模块如图3-3所示图3-3STM32F103C8T6实物图3.3云端服务器的选择云端服务器有以下优点：1.稳定性与自动化2.安全技术人员加持3.多层保护机制，因此我们的数据在云服务端共享安全性可以信赖。方案一：noeNET物联网云平台是有中国移动斥资打造的，该云平台是免费使用的。开发者可以借助云平台提供的技术、以及方案、使用方法轻松实现想要实现的功能。云平台支持设备接入和手机APP连接，开发者使用此平台，基于物联网的产品开发便可以快速完成，产品的环境部署也可以快速完成。该物联网平台十分重视对开发者的使用体验,逐步提高自己的云终端服务质量,以开发者为中心的,深化在运行过程中对云终端进行维护和保障,并且还要提高物联网在云端应用领域的大数据分析能力,协同整合物联网行业上下游,其物联网的生态环境应该是以开发者为导向的,秉承着"正得厚生,臻至于善"的文化理念。oneNET物联网云平台如3-1所示。表3-1oneNET物联网云平台的优点优点具体分析一接入全面协议：设备通过协议接入oneNET“云管端”平台，平台支持多种协议接入，其中包括LWM2M、HTTP、UDP、TCP、MQTT等多种被用户普遍使用协议完成设备和平台之间的信息转换，提供多种开发语言开发SDK，可将设备快速的接入云平台,缩短了开发周期，可以实现应用的快速部署。二丰富的应用程序编程接口支持：面向各种用户，提供了丰富的应用程序编程接口和雄厚的数据分流分析能力，来满足各行各业的用户使用物联网系统的开发需求，通过开放的API

接口，设备可以通过导入平台SDK，轻松方便的接入OneNET云平台，开发者即可。更加需要专注于对自己应用的研究和开发,而不是太考虑接入层的建设,降低了企业的研发、运营和维护成本。

三便捷的PC端设计:在oneNET云平台整体界面，页面展示区，用户可以根据自己的喜好以及根据接收什么样的数据特点和连接设备的特征选择页面展示元件，其他的平台提供的数据界面太单一，不多元化。oneNET云平台数据存储量比较大和强大的转发功能。方案二：阿里云云端平台计算服务能力具有可弹性伸缩的特点。用户在阿里云平台可以便捷的创建多台可运行的云服务器，可以轻松通过网络和应用程序编程接口等方式在自助管理，可以部署网络站点、分布式系统和应用程序等许多不同的软件，并且可以调整配置去应对各种负载情况。阿里云服务器，由一支专门负责运营、保护云平台功能的团队来完成，在各方面都能够安全稳定运行。但阿里云在我们建立个体数据云端时是按需购买，不是免费的.两个云平台都是比较好的，但是要低成本，所以使用的是方案一，如图3-4所示。图3-4NOENET图3.4显示屏的选择显示屏要准确显示温度、烟雾浓度、是否报警状态，所以要准确无语且清晰的表示具体文字、数字。方案一：OLED屏幕运用了有机发光显示技术，该屏幕表面有一层薄薄的有机材料，并配置有玻璃基板REF_Ref25439\r\h[5]。能自己自己发出光的功能，特点是可折叠、可弯曲，屏幕比较轻薄，被称为“柔性屏幕”，在发出黑光的时候不会有一点白光，显色性高，色域宽。OLED相比LCD，响应速度更快REF_Ref25550\r\h[6]。方案二：液晶屏（LCD）背光层和液晶探测器组成，在发出黑光的时候还是会有一点白光，存在漏光的现象，屏幕厚度比OLED的屏幕厚。比较两者可知，择优选取方案二3.5网络协议的选择oneNET是一个对学生以及用户非常友好的Iot云平台,我们只需要在oneNET注册一个自己的账号，方可登录oneNET中的“开发者中心”，进行自己的产品ID创建REF_Ref25654\r\h[7]。oneNET云平台有许多公开协议（mqtt、lwm2m、EDP、MODBUS、HTTP和TCP），私有协议有且仅有一个协议RTMP。根据查看平台提供的协议说明，选取合适自己本系统的协议。OneNET平台协议对比如表3-2所示图3-2平台协议的对比接入协议协议特点协议优点协议缺点EDPonenet平台是一种自主研发开发的网络协议。消息信息类型多,支持的数据格式可达7种，实时接收指令数据平台储存上传数据，并实时向应用推送数据，功能丰富，支持多种数据格式支持多种数据格式的数据需要尽可能少的打包LwM2M采用nb网络络；网络的深度和宽度以及对广度的覆盖率要求很高;对数据的实时性要求不高,需要进行传输加密才能向设备下发大量的数据及命令能够向设备下发数据及命令，能够支持大量并发数据传输和储存对成本功耗十分敏感，数据传输的有延误性。HTTP硬件端可以上传数据至云平台，但是无法接受到平台发送的数据无需建立HTTP链接，提供API接口实现设备管理服务器发送不了命令给设备Modbus严格以ModBus协议进行通信；基于ModBus的设备传输数据简单方便可以自定义数据采集命令以及周期，适用MoBus协议传输数据非使用Modbus协议的设备要面临数据打包、数据格式少等问题MQTT网络状况不理想、远距离输送信息的协议轻量、简单、开放、易于实现、广泛试用于物联网中开发者实现需要一定的技术MQTT在物联网方面是比较被常用到的，主要是因为它的优点缺点都被开发人员普遍的接受。不需要花费大量的成本把MQTT协议引用在本系统网络数据传输上，大大的节约了成本。使用MQTT协议的操作也不难，适合与物联网刚接触的小白开发者，是一个比较友好的网络协议。TCP/IP为MQTT提供网络连接的。3.6本章小结本章节通过实物、云端、网络协议进行比较论证，选择适合火灾自动报警系统的各个模块，是基于物联网火灾自动报警系统的一个重要环节。明确每个模块，给后面着手去完成系统设计奠定了基础。4硬件实现及单元电路设计硬件上采用模块化设计，主控制芯片模块、温度传感器模块、烟雾传感器模块、ESP8266通信模块等，简便了焊接的过程。单片机实物清晰明了，模块工作互不干犹。4.1主控制芯片模块电路分析STM32F103C8T6主控模块，通过参照一定的材料。主控器系统，主要由MCU、BOOT电路模块等组成。电源稳压电路模块、指示灯电路模块、JLNK接口电路模块、晶振电路模块、复位电路减压稳压控制电路主要为各个控制电路进行减压供电,本控制系统即是采用这种计算机和电脑的usb进行减压供电的方式,系统采用AMS1117模块进行减压稳压的，连接电脑的usb,电压为5v，通过ams1117模块为一个系统控制电路供电，同时AMS1117模块还集成了过流保护电路，起到很好的保护作用。减压稳压电路中两边都并联两个滤波电容：电压输入端，幅值起始的很小，使用106UF电容进行滤波，因电容可以充放电，该脉动直流转变成纹波小的直流电；在电压输出端加电容以防当负载改变时频率波动与稳压电路调节速率接近，会发生不良效益，即震荡效应。两个电容并联，滤除高频部分。JLINK接口作为电路烧制程序的入口，仿真程序都要用到JLINK接口进行调试烧写。晶振电路在每个系统中的角色就是心脏，系统开始工作的时候，这个时候，晶振电路这个角色就要开始工作了，就是控制系统时钟输出。复位电路，当人的身体出现状况的时候就多么希望有一个有个复位键，当系统由于故障，出现异常问题，可按下复位按键，一键复位，电容C7在电路还没有开始工作的时候，一直依靠电源充电，nrst节点一直都是高点平，s1键被按下，电路要开始工作了，nrst连接到gnd低电平，nrst电平转换，由高变成低，系统就被触发了，进而系统复位。原理图如图4-1.图4-1主控模块原理图4.2ESP8266WIFI通信模块电路分析ESP8266模块供电电压为3.3V，而USB输入的电压值等于5V，需要在基于物联网火灾自动报警系统设计一个电压转换电路，这里采用的是最常见的NCP117ST33T3G芯片进行转换，NCP117ST33T3G是一个三端稳压集成电路，可以把并联两个10UF电容，平抑电压波动，使稳压效果更好，电压VDD，5V入电路，经过NCP117ST33T3G稳压器把电路电压转变成3.3V。USB下载电路如下，选择使用CH340G1，在CH340G1在XI、XO接口连接12MHZ/10ppm晶振，使电路在工作时在稳定的频率范围之内，CH340G1的VCC引脚没有接大电容，在电源电路那边已经接了100UF极性电容，这里只设计一个0.1uF的退耦电容。在USB供电引脚上串联一个SS14的二极管是为了防止板子上的电流倒灌，导致USB口死机。CH340G1为了增强信号使用了两个S8050三极管,把微弱信号放大成福度值比较大的电信号,使用一个三极管后再使用一个三极管以此来再次放大电路。时钟主要工作晶振电路,时钟大多数都是由晶体振荡器驱动产生,由晶体振荡器、晶振电路控制单元芯片、和晶振电容等多个部分部件组成,并为整个系统的技术工作者人员提供了稳定的晶体时钟工作源REF_Ref25811\r\h[8]。原理如图4-2.图4-2ESP8266模块原理图4.3传感器硬件模块设计4.3.1温度传感器模块设计DTH11数字温湿度传感器，既可以检测到温度也可以检测到湿度，输出的是一种数字信息，不用使用A/D或者SMT32中的ADC进行信息转换REF_Ref25909\r\h[9]。自带校验室，并可以在OTP存储校准系数。由一个电阻式元件和一个NTC元件组成，并与MCU相连。采用专门化技术，确保数字采集和传感的功能，这两种技术保证产品可以正常工作，实现工作效果。与同类产品相比,是出类拔萃的REF_Ref26415\r\h[10]。信号传输距离大于0米，不低于20米。DHT11的工作电源电压范围大于3v和小于等于5v之间REF_Ref26716\r\h[11]。传感器通电后，如果不等待1s的话，是不能达到稳定状态的。可在（VDD、GDN）之间添加用于去耦滤波的100UF电容器，接入一个上拉电阻，保护I/O和防止信号干扰。原理图如图4-3所示图4-3DHT11传感器模块原理图4.3.2MO传感器硬件模块设计mq气敏元件中在开发的时候使用了一种sno2气敏材料，其导电性能，与空气中的可燃性气体的浓度成正比的，没有可燃气体的时候，导电性很小。可燃性气体的浓度对应输出的信号是通过比较容易的电路将电导率变化转换的。mq传感器相对便宜,适合于本系统和低成本要求。驱动电路简单，MQ-2传感器集成模块具有4个引脚，有一个VCC电源引脚、有一个GND接地引脚、有一个AO模拟量输出和有一个DO数字量输出，使用方便REF_Ref26556\r\h[12]。LM393是两个电压比较器集成电路，可以实现（电压跟随）模拟量输出的功能，C1、C2无极性电容主要起退耦作用，防止多个单元电路通过地线传递干扰信息。R1和R2，与地相连，固定低电平，抗干扰。其中MQ2模块还设置有信号输出指示，0-5V的模拟电压，电压随着可燃气体浓度的增高。MQ传感器模块原理图如下图4-4所示。图4-4MQ传感器模块原理图4.4蜂鸣器模块设计蜂鸣器是基于物联网火灾自动报警系统发出“叭叭”声音进行报警的装置，蜂鸣器在市场上的流行应用有很多种，本系统采用电磁式有源蜂鸣器，其工作的电压范围也不大，本系统通过sub通电的5v在其工作电压范围之内，3-5V。由于蜂鸣器的电路需要把电信号放大，因此采用了一个半导体三极管s8050,把微弱电信号通过三极管变成有一定强度的信号。蜂鸣器模块的尺寸不大，3.2cm*1.3cm。蜂鸣器在连接的一个I/O口为高电平的时候工作，高电平有效。工作原理:I/o口给一个高电平，三极管s8050导通，电流电压飞快的走遍了整个回路，s8050的集电极连接的是正极，发射极接地。蜂鸣器得到有一定强度的电流信号开始发出“叭叭”的声音，系统报警。蜂鸣器模块原理图如图4-5所示。图4-5蜂鸣器模块原理图4..5继电器模块设计本设计，为了够在火灾初期的时候，进行初期灭火，给人们争取逃离火场的时间，进而达到早预判、早处理的原则。在硬件端加入了继电器来控制水泵进行灭火，控制火情。为了实现这个设计，系统采用了继电器控制喷水装置的方案，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。两侧之间的电路是隔离的，因此高压一侧的电压和电流是不会进入低压--侧，同理低压也如此，其工作原理也就是控制接触点的开和关，当输入量慢慢的增加，变化量达到设定的要求时，输出端出现变化，是预定的阶跃变化。大电流电路的开关通过小电流电路来控制自动关闭会或自动打开。该继电器采用的低电平触发，信号输入端与地之间的电压为0Ｖ，信号输入端与信号电源负极短路触发。继电器模块原理图如图4-6所示。图4-6继电器模块原理图4.6本章小结本章通过对实物的每一个单元的分析，其中介绍了主控器模块、ESP8266WIFI通信模块、各个传感器、继电器、蜂鸣器涉及的领域知识，确切这些单元的工作原理，在电路中要注意的事项。完善一个完整的系统，每个单元都是极其重要的角色。5软件系统设计图5-1系统结构图5.1延时函数SysTick是一个结构体，是在MDK中定义的。里面包含4个寄存器（CTRL、LOAD、VAL、CALIB）systick时钟数，第一步us数要换算，第二步写入LOAD中。先把VAL里面内容进行清空，然后开启相应的倒数功能。倒数结束，即延时了us。最后关闭SysTick，清空VAL的值。ctrlresult&0x01,主要功能是专门用来用于判断一个systick系列定时器在应用程序直接开启前的状态下同时是否一直处于间接开启或者直接关闭程序状态,防止意外地因为关闭一个systick系列定时器而直接导致的整个应用程序出现死机或循环。延时函数部分程序如下：voidDelayXms(unsignedshortms){unsignedintctrlResult=0; if(ms==0)return;ms&=0x00FFFFFF; //取低24位 SysTick->LOAD=ms*MsCount;//装载数据 SysTick->VAL=0; SysTick->CTRL=1;//使能倒计数器 do{ctrlResult=SysTick->CTRL; } while((ctrlResult&0x01)&&!(ctrlResult&(1<<16))); //保证在运行、检查是否倒计数到0 SysTick->CTRL=0;//关闭倒计数器 SysTick->VAL=0;}5.2串口行数串口使用中断，简便了程序不用去多次判断串口，解说如下：IDLE（空闲中断）就是uart接收到一帧的信息数据后，产生中断。给STM32单片机一次发来1个bit，或者一次发来8个bit，一次性发来给SMT32单片机的数据，就称为一帧信息数据，就像一个包裹一样，无论信息内容的大小，因此也可以叫做一包数据。一帧数据发送结束，唯有SMT32接收到一帧数据以后，不管这次接收了几个字节，都要判断每个字节内容是否满足协议的要求。就是这样才省去了许多判断的逻辑程序。RXNE接收信息数据中断，把接收到的内容每个字节读出来，这个中断就会被清除。IDLE中断，清除数据的方法是“先读SR寄存器，再读DR寄存器”。程序如下：GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_Disable,ENABLE);GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable,ENABLE);if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE)!=RESET) //接收中断 { USART_ClearFlag(USART1,USART_FLAG_RXNE);USART1Buff[USART1Num++]=USART_ReceiveData(USART1); if(USART1Num>128){ USART1Num=0; memset(USART1Buff,0,128); } } if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_IDLE)!=RESET) //空闲中断 { USART1->SR; USART1->DR; USART1Num=0; //清空计数 memset(USART1Buff,0,128); //清空内存 }5.3IO口SMT32的IO口有8种模式供kile5编程软件进行配置，只有配置了这8种模式，才可以接受或者输出数据这八种模式有：输入（浮空、上拉、下拉、模拟），输出（开漏、推挽），复用（开漏、推挽式）。只有配置这8种模式才可以接收或者输出数据。首先外围时钟使能，然后设置IO口的模式，配置具体的IO端口，设置承载的最大频率，最后初始化部分程序如下：RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); //打开GPIOA的时钟gpioInitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;//设置为推挽输出模式gpioInitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8;gpioInitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;//承载的最大频率GPIO_Init(GPIOA,&gpioInitStructure);//初始化GPIOA5.4终端执行器代码5.4.1LED灯的程序代码在开始运行主函数时，都要MCU初始化之后才可以运行。初始化并配置系统时钟以及频率。并使用定时器TIM1、TIM2。voidTIM2_IRQHandler(void){ if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)!=RESET) {countled++; if(countled>2){ countled=0; if(ledx==1){ if(staled==1){ staled=0; GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13); }else{staled=1; GPIO_ResetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13); } }else{ GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13); } }Staled=１的时候，引脚GPIOC13就输送高电平，灯亮Staled=０的时候，引脚GPIOC13就输送低电平，灯灭 利用循环语句，把报警的时候LED灯闪烁表现出，程序结构图如5-2所示。图5-2LED灯闪烁程序结构图5.4.2蜂鸣器的软件设计Pin8接到一个高电平，报警标志位Ledx=1,延时200ms,串口2发送报警数据，使蜂鸣器发出“叭叭”声进行报警；Pin8接到一个低电平，报警标志位Ledx=0,延时200ms,串口2发送不用报警数据，蜂鸣器关闭。voidBeep_Open(void){ GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8); ledx=1; DelayMs(200); UsartPrintf(USART2,"{\"id\":99,\"dp\":{\"S1\":[{\"v\":%d}]}}",1);}voidBeep_Close(void){ GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_8); ledx=0; DelayMs(200); UsartPrintf(USART2,"{\"id\":99,\"dp\":{\"S1\":[{\"v\":%d}]}}",0);}5.5传感器代码5.5.1温度传感器代码stm32结合dht11传感器可以实现对温度值的数据采集。当用户mcu向整个系统输入启动信号后,dht11切换为模式,由低至高。等待主机hoststartsignal接收结束后,dht11传感器正常进行回应后,发送40位数据给主机host,触发一次环境信息的采集,在主机hoststartsignal模式下,dht11接收startsignal以及触发对周围环境的测量温度、湿度信息收集。当数据到达40bit传输进SMT32中,算一个完整的数据。只有当一台主机向控制器发送启动信号后,dth11才能够主动对其进行温度与湿度的信号采集。在采集完整的数据后,切换为低速模型。发送数据的具体格式为：湿度整数8位数据+

湿度小数8位数据+

温度整数8位数据+温度小数8位数据+

8位和校验。REF_Ref26990\r\h[13]DHT11传感器程序结构图如图5-3所示。部分程序代码如下：u8DHT11_Read_Byte(void){u8i,dat;dat=0; for(i=0;i<8;i++) { dat<<=1; dat|=DHT11_Read_Bit();} returndat;}u8DHT11_Read_Data(u8*temp,u8*humi){ u8buf[5]; u8i; DHT11_Rst(); if(DHT11_Check()==0) { for(i=0;i<5;i++)//读取40位数据 { buf[i]=DHT11_Read_Byte(); } if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3])==buf[4]) { *humi=buf[0]; *temp=buf[2]; } }elsereturn1; return0; }图5-3DHT11传感器程序结构图5.5.2MQ传感器的软件设计当烟雾浓度大于3500时，alert=1达到报警标志位，蜂鸣器产生报警；烟雾浓度大于4000的时候，蜂鸣器和水泵都会打开if(Mq_2>3500){ alert=1; Beep_Open(); } if(Mq_2>4000){ Motor_Open();}５.５.３可燃性气体传感器模块当可燃性气体浓度大于3500时，标志位alert=1蜂鸣器产生报警；可燃性气体浓度大于4000的时候，蜂鸣器和水泵都会打开。当警报一直响到烟雾浓度小于2200和小于2200数值时，标志位alert=0蜂鸣器就会停止报警。if(Mq_9>3500){ alert=1; Beep_Open(); } if(Mq_9>4000){ Motor_Open(); }if(alert==1&&Mq_2<2200&&Mq_9<500){ alert=0; Beep_Close(); Motor_Close();}5.6ADC代码ADC是STM32单片机内置信号转变器，在本基于物联网火灾报警系统的中烟雾传感器和可燃性气体想要把模拟信号传输给主控器，但由于传输的是模拟信号是不被STM32识别的，STM32通过ADC软件转换把烟雾浓度和可燃性气体浓度模拟信号转变成数字信号，而且多次平均ADC模拟信号转化为数字信号的结果，以此来提高精度。烟雾浓度和可燃性气体浓度数值才能在单片机表达出来，数值可以明确的知道。ADC工作，设置模式时，模数的转换模式，在单通道进行单次转换。转换不需要外触发，由软件进行就行。结构如图5-4所示。图5-4ADC转换模拟信号结构图16Get_Adc(u8ch){//设置指定ADC的规则组通道，一个序列，采样时间 ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ch,1,ADC_SampleTime_239Cycles5); //ADC1,ADC通道,采样时间为239.5周期 ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE); //使能指定的ADC1的软件转换启动功能 while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1,ADC_FLAG_EOC));//等待转换结束returnADC_GetConversionValue(ADC1); //返回最近一次ADC1规则组的转换结果}5.7OLED显示屏5.7.1任务要求显示“火灾报警系统”名字显示DHT11温度、湿度显示MQ－2的烟雾浓度显示MQ－9的可燃气体5.7.2串口协议IICIIC总线是由SDA（串行数据线）和SCL（时钟线构成），数据信息在这个基础之上实现双向传输。REF_Ref27163\r\h[14]电路在数据传输的过程中，如果串口一旦得到数据就往上传输，但数据比较多的时候，传输线路不理想，数据就会有不准确性。当数据比较多的时候，可在数据准备传输的时候进行数据打包，避免数据不准确性、传输速率不受影响。5.7.3代码汉字在OLED显示屏排版，根据数学中的x轴和y轴来编写的，前面两个数字代表x列和y列，第三位表示字的顺序，16这代表字的大小。通过取模软件生成想要的温度、烟雾浓度、可燃性气体浓度等等，然后替换成要显示的文字。代码如下：OLED_Clear(); OLED_ShowChinese(0,2,0,16,1); //火灾报警系统 OLED_ShowChinese(18,2,1,16,1); OLED_ShowChinese(36,2,2,16,1); OLED_ShowChinese(54,2,3,16,1); OLED_ShowChinese(72,2,4,16,1); OLED_ShowChinese(90,2,5,16,1); OLED_ShowString(0,18,"Temp:20",16,1); OLED_ShowString(70,18,"Humi:20",16,1); OLED_ShowString(0,34,"MQ-2:20",16,1); OLED_ShowString(0,50,"MQ-9:20",16,1); OLED_Refresh(); GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_13);5.8ESP8266WIFI通信模块WIFI模块，可以把传感器接收到实时环境的信息，可以在手机端实时进行数据显示，主控芯片STM32与手机客户端APP之间的信息数据传递是通过WIFI模块这个桥梁实现的REF_Ref27261\r\h[15]。ESP8266通过AT指令配置，体积不大，性能良好且稳定，ESP8266提供三种共存模式，一个基站+接入点（AP+STA）模式，一个基站（STA）模式，一个接入点（AP）模式REF_Ref27483\r\h[16]。配置串口端：打开串口，选择“加回车换行”，波特率选择“9600”。ESP8266出产波特率为115200.接下来，准备发送的指令：AT//测试模块是否能正常通讯，返回"ok"即为正常AT+CWMODE=3//配置成AP+STA模式AT+RST//重启生效AT+CIFSR//查询设备IPAT+CWJAP=“sycccc”//手机的热点“sycccc”为热点的名称，为密码。AT+CIPSTART=“TCP”AT+CIPMODE=1//开启透传模式AT+CIPSEND//开始透传5.9APP通过MQTT协议在使用MQTT协议中，有这三个Publisher、Broker、Subscriber参与REF_Ref27581\r\h[17]。客户端APP订阅一个Topic,硬件端向服务器往这个Topic推送有效数据，服务器会把数据转发给订阅这个topic的客户端APP。就实现了数据的远程发送。如果手机APP发送信息给硬件端，硬件端则需要订阅一个主题。MQTT建立客户端到服务器的连接，MQTT应用在硬件连接网络的基础之上。本文中使用的在oneNET云平台中的sntp服务器。APP中要添加的信息包括：服务器的IP、服务器端口号、云平台分配的设备ID、用户名ID，在实现APP与云平台连接的时候，需要添加权鉴信息和订阅操作REF_Ref27698\r\h[18]。MQTT连接的代码如下图5-5。图5-5MQTT协议作用结构图voidmqttConnectedCb(uint32_t*args){ cclient=(MQTT_Client*)args; Publish_client=(MQTT_Client*)args;INFO("MQTT:Connected\r\n"); os_sprintf(TopicString,"$sys/%s/%s/cmd/request/+",Product_ID,Client_id); MQTT_Subscribe(cclient,TopicString,0); INFO("%s\r\n",TopicString); Is_mqtt=1;}voidmqttDisconnectedCb(uint32_t*args){MQTT_Client*client=(MQTT_Client*)args;INFO("MQTT:Disconnected\r\n");Is_mqtt=0;}voidmqttPublishedCb(uint32_t*args){MQTT_Client*client=(MQTT_Client*)args;INFO("MQTT:Published\r\n");}5.9手机APP客户端基于物联网火灾自动报警系统客户端APP使用易安卓（E4A）进行开发。E4a展示是用纯中文轻松编写Android应用程序的REF_Ref27819\r\h[19]。关于逻辑编程都是由属性、事件、方法三个部分组成，用相似易语言的Basics语法进行编写关于手机APP中的温度、烟雾浓度、可燃性气体、报警状态的显示，判断报警语句，弹出报警状态等等。E4A软件中提供了可视化的编程环境，也提供了软件界面设置区可以设置自己喜欢的IU界面。其中E4A内置非常多的功能，是一款功能比较友好的Android开发软件。当文本比较多的时候，并且需要更改其变量的，在进行编程的时候就要想到该部分可以用多线程.取网页源码方法取，UTF-8为英文编码。代码如下图5-6、5-7所示。图5-6手机APP程序图5-7手机APP程序6软硬件测试6.1软件测试APP客户端对温度、湿度、烟雾的显示功能，采用终端采集的数据要实时显示给用户，同时一旦发生火灾想，APP还要产生火灾信号给用户。软件界面如下图6-1所示。图6-1APP用户端界面6.2硬件测试系统硬件端，对温度传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器、蜂鸣报警器、水泵等模块进行测试，看各模块是否运行稳定。同时可以结合软件APP查看数据变化，以及报警状态。可以通过APP对报警器和水泵进行控制，查看报警器是否工作。系统实物图如图6-2所示。图6-2系统实物图6.3系统的性能测试和结果分析在完成对系统各功能模块的测试之后，对系统性能进行测试，测试不同地方，测系统的稳定性，分别在学校的宿舍、食堂、教室、地下停车场进行测试，查看手机APP状态运行情况。实物在个场所测试情况如表6-1所示。表6-1实物在个场所测试情况编号场所信息采集情况系统稳定性1宿舍实时监测准确稳定性强2食堂实时监测准确稳定性强3教室实时监测准确稳定性强4地下停车场实时监测准确稳定性弱通过模拟不同的环境，看系统动作与APP是否一致，由于考虑到安全性的问题，对可燃性气体不进行测试。实物在模拟信号的监测情况如表6-2所示。表6-2实物在模拟信号的监测情况编号报警信息蜂鸣报警器继电器APP端1温度高于阈值报警动作显示报警2烟雾浓度高于阈值报警动作显示报警通过对基于物联网（InternetofThings）火灾报警系统整各项性能测试REF_Ref2222\r\h[20]。发现，系统监测端的温湿度传感器、烟雾浓度传感器、可燃性气体浓度传感器，终端控制器:蜂鸣报警器、继电器喷水装置运行稳定，用户可以通过OneNET云平台实时监测环境的消防环境信息，用户可以通过手机APP实时查看火灾自动报警器的运行状态，可以通过APP对报警器和喷水装置进行控制REF_Ref9795\r\h[21]。通过设备的运行情况的测试证明ESP8266WIFI模块通信技术在保护人们安全方面的可用性，也证明本系统适合于不同场所，达到了智能化的要求，测试结果证明该系统运行稳定、架构合理实现了对消防系统的人防+技防的有机结合。7总结与张望7.1总结本次设计是基于物联网火灾自动报警系统，设计思路都是依据火灾的特征决定的，整个系统经过几个月的努力，实现了系统的功能。系统在设计和研究中完成的成果有从课题研究背景出发，对国内外报警器的发展分析，证明了研究该系统的必要性，同时对系统进行了功能上的需求分析，发觉客观的经济和技术可行性。结合系统性能与需求，完成了以STM32为主控器外接温湿度传感器、烟雾传感器、可燃性气体传感器、声光报警器和继电器，并有由ESP8266通信模块实现数据传输，绘制了原理图，制作了开发板，达到系统需要的功能。完成了系统软件的编写。对Noenet云平台上位机进行了设计，使用C语言采用MQTT传输协议对主控器MCU进行编程，进而实现了系统功能，对系统整体性能进行了测试，测试结果证明系统整体的可行性，实用性。7.2