基于nRF2401智能无线火灾监控系统设计
姜枣
【摘要】 本系统是基于arduino平台的火灾自动侦测预警系统，使用可燃气体浓度传感器，温度传感器以及湿度传感器，捕捉火灾发生后火光、烟雾、热能的变化，然后反馈给监测人员，并发出警报。利用多节点无线传输联动机制，阐述了多点联动无线火灾检测系统的软硬件流程。测试结果显示本系统可有效检测到火灾发生时的物理化学信号，并及时准确地发出警报。
【关键词】 arduino 无线传输 火灾监测
据世界火灾统计及欧洲共同体研究测算，火灾直接损失占国民经济总产值的2‰，火灾总损失占国民经济总产值的10‰。现代社会经济空前发展，积累巨额财富。尤其城市社区密集，建筑设施鳞次栉比，一旦发生火灾，严重危害人民的生命财产安全，造成惨重损失。火灾危害不亚于地震洪水危害，不仅严重影响经济发展和人类的正常生活，还污染了大气，破坏了生态环境。火灾的早期发现，是充分利用灭火措施、减少火灾损失、保护生命财产的重要保证[1]。选择合适的火灾探测器来探测火情是一个首要问题，因为要考虑探测原理、适用场合、环境适应性及局限性，才能有效地发挥各种探测器的作用[2]。本系统是基于arduino控制板的多点联动无线火灾监测系统，对可燃气体浓度、环境温度和湿度进行实时检测，多种传感器进行多点多样布置，对各传感器发出的物理化学信号信息进行综合计算并发出声光警报，同时由于本系统采用多点联动机制，还可以有效防止误报警。
一、系统组成
Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。它构建于开放原始码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板；软件部分是程序开发环境Arduino IDE。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。本系统基于arduino的多点联动无线检测火灾的发生。
该系统通过多个可燃气体浓度传感器、湿度传感器以及温度传感器捕捉火灾发生后火光、烟雾、热能的变化，并发送给arduino控制板，通过计算判断是否有火情，如果系统判断发生火情则发出声光警报。
本系统由可燃气体浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、无线串口发射模块、arduino控制板、报警灯和蜂鸣器组成，系统架构如图1所示。
二、系统硬件設计
Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，为Arduino平台的参考标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB接口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。既可以通过外部直流电源插入直流插座供电，又可以通过USB接口供电，还可以通过电池连接VIN和GND引脚供电，使用范围广，应用灵活，能够满足多种环境的需求。
2.1 传感器模块
2.1.1 可燃气体浓度传感器
采用TGS5342 CO气体传感器。TGS5342是费加罗研发的可电池驱动的电化学式传感器，与现有的电化学式传感器相比，具有以下优势：电解质是环保型的，没有电解液泄漏的危险；一氧化碳可检测浓度高达1%；操作使用温度范围广；对干扰气体的灵敏度很低。这种传感器具有使用寿命长、稳定性好、精度高的特点，通过每个传感器的条形码可以单独打印传感器的数据，使用户可以避免昂贵的气体校准程序，还允许对个别传感器进行追踪。
2.1.2 温度传感器
采用STT-W壁挂式温度传感器。STT-W系列温度传感器采用ABS外壳防护，侧面带有通气孔，测量环境温度迅速准确，适用于气象、房间等环境温度的测量。
2.1.3 湿度传感器
采用电容型HS1101湿度传感器，该传感器具有全互换性，在标准环境下不需校正，长时间饱和情况下能够快速脱湿等特性。由于其固态聚合物结构，可提供线性电压或频率输出，反应快速，具有高可靠性与长时间稳定性。
2.2 无线通信模块
本系统采用APC220 - 43模块。该模块是一款多通道嵌入式无线数传模块，可设置频道，步进精度为 1Khz，发射功率高达20 MW，但是仍然具有较低的功耗。模块采用了高效的循环交织纠检错编码，最大可以纠正24bits连续突发错误，其编码增益高达3dBm。模块外部接口采用透明数据传输方式，能适应标准的用户协议，所接收的数据就是所发送的数据。
2.3 供电系统
由于Arduino UNO的特点，既可以通过外部5v直流电源插入直流插座供电，又可以通过5v电池连接VIN和GND引脚供电，还可以通过USE接口连接大容量电池进行供电，因此使用范围广，应用灵活，能够满足多种环境的需求。
2.4 传感器节点布置方案
根据本系统所采用的传感器自身特点，探测区域的每个房间至少应设置一只火灾探测器。一个探测区域内所需设置的探测器数量，不应小于下式的计算值：
N = S ÷ A × K
式中：N-探测器数量（只），N应取整数；S-该探测区域面积（㎡）；A-探测器的保护面积（㎡）；K-修正系数，特级保护对象宜取0.7～0.8，一级保护对象宜取0.8～0.9，二级保护对象宜取0.9～1.0。节点周围5m范围内不能有强电磁干扰源。
三、系统软件设计
火灾报警系统控制器上采用Arduino UNO作为主控芯片，其主要功能包括逻辑判断处理、语音报警和数据采样等，该部分是火灾报警系统智能化的集中体现。
为了便于系统维护，在火灾报警系统的软件设计中采用了模块化程序设计方法，系统各个模块的具体功能都是通过子程序调用实现的[3]。这既使得程序结构清晰，又便于以后进一步扩展其功能。本系统主要包括主程序、温度烟雾数据采集子程序、火灾判断与报警子程序等。系统程序流程图如图7所示。
系统温度湿度烟雾信号采集程序流程图如图8所示：
四、实验测试
经实验测试表明，系统开始运行后，各传感器及上位机运行正常，各传感器采集到的温度、湿度及烟雾信号可实时传送至上位机，采集温湿度及烟雾信号与真实值相当，检测到的数据准确，误差小。由于实验场所在室内，受风力等环境因素影响较小。各传感器在不同时间采集到的数据值变化在允许范围之内，当某传感器信号超出预警值时，系统可迅速准确地发出警报。
五、结论
本系统是在对烟雾、温度传感器和湿度传感器进行细致选择的基礎上，全面比较国内外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案，经实验能满足室内场所的火灾报警功能。整个系统实现了预期的目标。
本系统通过设计一个以Arduino UNO为核心的火灾报警器，可以实现声光报警、温度显示、湿度、烟雾气体浓度显示、报警设置等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。本报警器结构简单、可维护性好。由于实现了对普通环境中温湿度和烟雾的实时监控，因此具有非常普遍的意义，能广泛应用于居民家庭、企事业单位等室内场所多方面的安全防范。
参 考 文 献
[1] 范维澄. 中国火灾科学基础研究概况[J]. 火灾科学，2005，6：57～ 62.
[2] 吴龙标，袁宏永. 火灾探测与控制工程[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，1999.11：1～ 20.
[3] 王钊. 智能型火灾报警系统的设计与研究.（硕士学位论文）. 西安理工大学，2009.
