| 标题 | 基于ARM的室内消防安全检测系统的设计与实现 |
| 范文 | 邱雅 胡胜轩 摘要：为了最大限度地保证生命财产安全，及时提醒人们家中存在的消防安全隐患，提出了室内消防安全检测报警系统。利用ARM核心开发板，采用C语言编程，配合多种传感器以及GSM模块，设计了一套集检测和提醒为一体的室内消防安全体系。结合了智能硬件编程中的开发技术，包含传感器的调用、数据采集、通用同步/异步串行接收/发送器（USART）技术和全球移动通信系统（GSM）技术等。并通过仿真场景实例验证了系统功能的可靠性，可有效地为使用者提供安全保障。 关键词：ARM;消防安全;C语言;传感器;GSM 中图分类号：TP31? ? ? 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2020）36-0229-03 1 绪论 1.1 课题研究的背景 现在人们的生活场景下，家中无人值守的情况已是常态，大功率电器的使用和错误的煤气使用习惯，加上消防安全防范意识淡薄，极易引发火灾、煤气中毒等消防问题。据真实数据统计显示，我国从2010年到2018年就发生火灾十万余起，伤亡惨重，损失巨大。 1.2 课题研究的意义和目标 ARM Cortex系列是哈弗結构的MCU，可以针对不同应用场景和功能进行定制，实时处理数据，较少冗余，节省芯片资源。基于必要的社会责任和广阔的市场前景，致力于采用ARM设计一套检测报警系统，能实时检测家中各项消防数据，并在发生险情的早期，根据异常情况进行灾情预处理、声光报警、短信报警等一系列操作通知户主。从而把损失降到最低，对保护人民生命财产安全和我国的社会安全体系有极大意义。 2 相关技术简介 2.1 ARM 采用的ARM核心板是针对快速实时响应、成本较低、开发周期短的场合设计的。其作为哈佛体系结构的处理器，与冯诺依曼的结构相比，它将储存代码的FLASH和存储数据RAM物理上分开设计，而且采用了精简指令集，通过微指令实现数据的交换和传输。使程序运行更快便是其如此设计的目的所在。 2.2 卡尔曼滤波 卡尔曼滤波这种数据处理的技术主要是为了去除噪声还原真实数据的，各个传感器采集的数据后，用ARM对这些数据实行AD/DA信号采集，但是由于客观因素的影响，采用这种方式采集的信号不免包括一些噪声，通过对数据进行卡尔曼滤波算法处理，来消除信道采集中的噪声。卡尔曼滤波器是一个最优化自回归数据处理算法。简单来说，在解决大部分的问题时，他是最优的、效率最高的甚至是最有用的。 2.3 GSM技术 GSM是蜂窝状的一种网络结构，在数字通信标准中也是应用最为广泛的，在移动设备使用时连接到最近的基站，各个基站按照蜂窝形状分布。这样可以更加稳定的进行数据收发，减少信号传播过程中的衰减，满足高密度通话需求，也可以根据移动设备数量更改蜂窝网的大小，同时GSM网络可在多个频段上运行。 3 需求分析 3.1 可行性分析 3.1.1 技术可行性分析 设计的这款是基于 ARM的室内消防安全检测装置，在采用C语言编程的基础上，参考了ARM和C的开发者社区中大量的技术经验积累，在社区中对相关技术的探讨也一直非常活跃，而且开发者们不断地对技术进行升级维护。C语言作为一款极易入手的编程语言在嵌入式领域有着得天独厚的优势，与ARM结合进行智能硬件的开发，在技术层面上来看，是完全可行的。 3.1.2 经济可行性分析 在系统设计之初就从开发成本出发进行全面考虑，顾及系统的硬件成本，采用的是 ARM Cortex-M3系列地主板进行开发设计，价格低廉，使用的各种传感器价格也普遍不高，市面上比较常见，方便采购，可以实现控制硬件地成本。 3.1.3 社会可行性分析 该室内安全检测装置，可应用在家庭、学校教室、大型购物广场、工厂、研发机构实验室、汽车以及一些封闭或半封闭环境的室内场合，实现实时检测环境中的CO、烟雾、火焰等状况。有异常发生是可通过本地声光报警以及短信远程报警。还可以打开换气扇等措施进行初步处理灾害，在同行业竞争者中，本产品功能多，成本低，性价比高。 3.2 功能性需求描述 ARM板要实现对室内温湿度信息，CO浓度信息、烟雾、火焰状况实时监测，在数据融合后做出综合判断，若存在煤气泄漏的安全隐患，则进行蜂鸣器鸣叫和LED闪烁方式提醒在家用户，通过发送短信方式提醒在外用户。同时进行初步的紧急处理措施，比如打开排风扇、打开窗户。若发生火灾，进行本地声光报警和向系统设定的用户、消防、物业发出短信报警。从而尽早地实现对安全隐患的处理，并且最大化的降低灾情带来损失。 3.3 非功能性需求描述 非功能性的需求方面主要考虑设备的安全性、续航和功率问题。模块系统采用3.3V-5V供电，其电压电流系数或者辐射系数基本对人员无任何影响。当设备电量低时，更换电池即可，能够持续续航，可广泛适用于家庭、学校、酒店等人员密集的室内场所。 4 系统设计 4.1 概要设计 整个系统功能主要包括两大板块，分别是灾情识别板块、消防报警板块。灾情识别板块由火焰、烟雾、CO浓度、温湿度等传感器组成。该板块通过传感器返回的数据，进行综合化比对分析，判断此时的室内情况是安全、有明火抑或者是有毒气体泄漏，并当数据达到相应警戒值时，ARM协调调用相关报警设备;消防报警板块包含蜂鸣器、LED灯、GSM模块、换气扇电机。该板块接收来自ARM的指令信息，来进行相关报警操作，以排气风扇为例，仅当烟雾数据或CO浓度数据超标时，会开启风扇进行空气流通，初步处理降低烟雾或CO浓度。 4.2 详细设计 4.2.1 温湿度传感器模块设计 本次设计采用的温湿度传感器因成本低、稳定性强、易校准、安全性高等优点得到了广大厂商的使用。对于周围10米内的温湿度信息该传感器可准确采集，满足大部分场合的需求。 4.2.2 CO浓度检测模块设计 本次采用属于定电位电解式的干式一氧化碳传感器。该传感器由于灵敏度高，性价比高、易于安装。待测环境中CO浓度的线性变化会影响传感器的导电率，根据导电率的数值变化曲线从而测出周围空气中的CO浓度值的变化。传感器内部采用8位模拟量转换位为数字量器，通过引脚输出相应电压值。 4.2.3 烟雾传感器模块设计 本次使用二氧化锡作为主要材料的烟雾传感器。使用时传感器内部会进行加热，对空气中的氧气进行电离，而有烟雾的存在则会影响电离的状态，所以可由此来判断待测环境中烟雾的含量。 4.2.4 火焰传感器模块设计 火焰传感器模块实时检测室内是否存在明火，其工作原理是探头探测前方发射的红外光，在待测环境中如果有火焰存在，探头探测到的红外光强度将会急剧增加，传感器通过内部模拟量转换位为数字量器，将红外光的强度转换成电信号。 4.2.5 换气扇模块设计 该模块设计较为简单，是为后续接入家庭智能网关研发做铺垫，目前该模块的功能为当系统检测到室内并未发生火灾，而仅仅CO浓度或烟雾浓度超标时，换气扇自动打开进行通风，先进行预处理降低室内有毒气体和烟雾浓度。 4.2.6 声光报警器模块设计 声光报警模块是由ARM主板上携带的LED灯和蜂鸣器构成，该模块在ARM处理完上游传感器传送回来的数据之后，经过综合各种数据分析判断之后，预测如果存在火灾隐患时，系统调用蜂鸣器和LED灯工作，进行声光报警提醒主人注意。 4.2.7 GSM模块设计 GSM模块具信号强、可实现短信双向收发、有性价比高等优点。基于对本设计的功耗、体积、开发周期等考量，最终选择了SIM800A GSM无线通信模块。该模块体积小巧、功耗低，符合本次设计的思路。 5 系统实现 5.1 温湿度传感器实现信息采集 第一步ARM先向传感器发送一个开始信号，传感器相应会发出一个应答信号。第二步：ARM信号线拉高，开始接收传感器回传的数据。第三步：正式接收回传的传感器数据，由于该传感器采用的是单总线协议，数据中前16位是温度信息，后16位是湿度信息，最后是校验信息。 5.2 CO浓度传感器实现信息采集 首先设置CO浓度传感器的IO口并开启相应的时钟，配置函数。先将8MHz时钟通过函数ADC_Config_Cmd（Clock_168）倍频到168MHz，再通过预分频系数分频为12MHz。通过头文件定义的结构体函数设置工作模式为独立工作模式。设置为单通道模式、单次转换、由软件触发、向右对齐，顺序进行规则转换的通道数目为1。在主函数中间隔500ms查看CO浓度回传的数据值。根据实际情况校正后，当检测的CO传感器回传值大于1200时为异常。 5.3 烟雾传感器实现信息采集 通过传感器内部的导电率强弱实时获取室内烟雾浓度。在配置好IO口工作模式后，通过Get_Adc_Scan（ADC_Get_1，times）函数获取烟雾传感器的数值，开始模拟量到数字量的转换。通过while（ADC_GR_C_S_data（ADC））函数等待重置校准寄存器的值，ADC_Get_Start_C_Data（ADC）函数系统完成自动校准。在主函数中间隔500ms查看烟雾传感器回传的数据值。根据实际情况校正后，当检测的烟雾传感器回传值大于2500时，系统进行本地声光报警。 5.4 火焰传感器实现信息采集 通过传感器内的电流的变化实时獲取室内火焰信息。火焰传感器采集的原理也是先配置IO口模式，配置相应状态，设置工作方式。在主程序调用传输函数，形参 times为滤波参数，函数体内通过for循环将传感器采样的10次数据求和，再返回10次的平均值，这样避免了由于传感器本身的差异性或者环境的突变造成的数据误差。在main（）主函数中间隔500ms查看火焰传感器回传的数据值。根据实际情况校正后，当检测的CO传感器回传值小于500时，系统判定发生火灾，本地进行声光报警以及GSM短信报警等操作。 5.5 换气扇控制和声光报警器的实现 本系统对于换气扇和声光报警器的控制比较简单，目前是利用高低电平信号，通过通断电的方式直接控制启停动作。 5.6 GSM实现发送短信 ARM控制器通过AT指令实现GSM800模块的初始化和短信的收发。首先定义几个字符串数组，存储待发信息。当系统在异常时做出决策，满足发送条件后，系统发送相应的字符串数组短信向屋主报警。 6 结束语 本技术成果相比于现在市面上的室内烟雾报警器等设备相比，拥有多种传感器协作多方位感知，使数据更加丰富，判断更加准确，而且可以通过短信远程报警更加智能化。实现了无人值守的情况下也可以知道出现了何种消防安全问题。该产品适用于容易引发消防安全问题的家庭、酒店等场所，超市、办公楼等也可以使用。试验的结果与实际一致。对于所用到的技术后续可以采用多节点ZigBee或者WiFi无线传输的方式进行数据传输，使其更加方便智能。 参考文献： [1] 袁雪，张志文，司庆丹.基于ARM的智能数据采集系统设计[J].国外电子测量技术，2014，33（11）：66-71. [2] 李春立，刘涛，王东明.AVR单片机显示系统中USART通信接口的应用[J].机械管理开发，2012（06）：132，135. [3] 马彦阳.基于卡尔曼滤波及神经网络的瓦斯涌出量预测[J].陕西煤炭，2020，39（01）：54-58. [4] 卜永波，罗小玲，陈一.基于HDT11传感器的温湿度采集系统[J].计算机与现代化，2013（11）：133-135. [5] 吴宇，余建国.家用CO浓度检测报警系统设计[J].科技资讯，2012（23）：31. [6] 徐晓璐.基于离子型烟雾传感器的火灾报警系统探测节点设计[J].信息通信，2015（10）：57-58. [7] 林凡强，张阳，杨文旭.基于红外火焰传感器和最小二乘法的灭火机器人[J].传感器与微系统，2015，34（1）：110-112+123. [8] 黄修力.基于STC89C52及GSM的家用智慧火灾报警系统设计与实现[J].电子测试，2020（5）：25-27. 【通联编辑：光文玲】 |
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