河南科技
Henan Science and Technology 信息技术
总778期第八期
2022年4月
基于STM32的智能火灾监测及灭火系统设计
徐崇奇解建国毕佳琦潘广禄
（山东农业大学，山东泰安271018）
摘要：近年来火灾频发，尤其是森林、丘陵等地区成为火灾的高发地区，其不仅会造成大量的财产损失，还会对人造成严重的伤害，甚至引发一系列生态问题，破坏大自然生态平衡。传统的火情监控方式耗时耗力，且一般不能及时处理险情，极易造成不可挽回的损失。基于此，本研究设计并制作了以STM32为核心板的智能火灾监测及灭火小车系统。其采用履带式底盘，可在丘陵等地形复杂的环境中前行，在合理有效避障的过程中检测火源并进行初步灭火，利用透射模块将北斗定位发送至阿里云平台，实现火情信息的实时监测传输，经试验测试，该系统稳定高效，对当今火灾防护研究与探索具有一定的现实价值和意义。
关键词：火源搜索；自动避障；履带底盘；超声波避障；无线通信
中图分类号：TP368.1；TP23文献标志码：A文章编号：1003-5168（2022）8-0029-05 DOI:10.19968/jki.hnkj.1003-5168.2022.08.006
Design of STM32Based Intelligent Fire Monitoring and Fire Suppres⁃
sion System
XU Chongqi XIE Jianguo BI Jiaqi PAN Guanglu
(Shandong Agricultural University,Tai′an271018,China)
Abstract:In recent years,fires are frequent,especially in forest,hilly areas and other areas have become fire-prone areas,which not only cause a lot of property damage,but also bring serious injuries to people and even cause a series of ecological problems to destroy the ecological balance of nature.Based on the background that traditional fire monitoring methods are time-consuming and labor-intensive and gener⁃ally fail to deal with dangerous situations in a timely manner,which can easily cause a series of irrepa⁃rable losses,we designed and fabricated an intelligent fire monitoring and fire extinguishing cart system with STM32as the core board.The cart adopts a crawler chassis,which can be applied to travel
in hilly and other terrain with complex environment.It can detect the fire source in the process of reasonable and effective obstacle avoidance,carry out preliminary fire extinguishing and use the transmission module to send the Beidou positioning to Ali cloud platform to realize the real-time monitoring and transmission of fire information.
Keywords:fire search;automatic obstacle avoidance;crawler chassis;ultrasonic obstacle avoidance;wire⁃less communication
0引言
目前，我国的火灾形势总体比较严峻。近年来，我国在火灾预警领域虽然已经取得了很大的进步，但尚未研发出较为完善的防火预警系统。而市面上的防火预警监测系统往往都存在缺陷。一方
收稿日期：2022-03-22
作者简介：徐崇奇（2001—），男，本科生，研究方向：通信工程；解建国（2000—），男，本科生，研究方向：通信工程；毕佳琦（2001—），女，本科生，研究方向：通信工程；潘广禄（2002—），男，本科生，研究方向：电子信息科学与技术。
面，对于地形环境复杂的丘陵、山地等区域［1］，火灾的监测及灭火相较于平原空旷地区来说，实行
起来较为困难；另一方面，传统的火情监测及灭火执行起来费时费力［2］，还存在以下4点不足。一是时效性不强。传统火情监测存在信息传输不及时的问题，导致后续扑救任务的难度增加［3］。二是资源利用率低。传统的火情监测需要大量的人力来进行实地勘察，导致资源利用效率低下。三是准确性不高。在完成大面积灭火后，火灾现场极易存在着未被完全熄灭、处于阴燃状态的可燃物，仍然会产生余火，若不能及时准确地检测出来，则会使火灾再次发生，对生态环境造成二次伤害。四是安全性低。传统的火情监测准确率不高，也会给消防人员的生命安全带来一定的威胁。而目前市面上售卖的消防机器不能顺利地完成灭火任务，实用价值不高［4］。针对上述问题，笔者研究设计出基于STM32的智能火灾监测及灭火小车系统，利用综合传感器等模块，使其具备自动避障、检测火源、自动定位报警、灭火和无线通信等功能。小车采用履带式底盘，通过直流电机提供动力，可轻易实现原地转向、爬坡、跨越障碍物等动作，越野能力极强［5］，适用于复杂地形环境中，且小车表面涂有隔热材料进行防护，可满足复杂环境下的灭火需求。其中，超声波模块和红外模块可用来避障，保证小车能够正常行驶，火焰传感器模块可以灵活检测搜索小车周围环境中是否存在火源，若监测到周围环境中存在火源，则通过无线通信模块及时向终端提供火灾所在位置信息，并通过Air724ug 透射模块上传至阿里云平台，将火情信息以数据的形式呈现出来。
1
系统总体方案设计
该系统由STM32单片机核心板、电机驱动模块、电源模块、火焰传感器模块、灭火模块、红外模块、蜂鸣器模块、超声波模块、北斗定位模块、SG90
舵机模块、无线通信模块构成。小车在环境复杂的地形中能够避障前进，利用相应的传感器对周围环境进行火源搜索检测。若检测搜索到火源，则通过超声波和红外传感器进行避障，精准定位着火点，蜂鸣器在报警的同时，进行自动北斗定位，向终端传输报警信息，实现及时高效的预警及采取灭火措施，系统总体框图见图1。
2
硬件电路设计2.1
主控模块
该系统采用意法半导体STM32单片机作为主控芯片，其内核为32位的ARM Cortex-M3，最高工作频率为72MHz ，工作温度范围为-45～85℃［6］，引脚数量为64，Flash 闪存容量为256KB ，SRAM 为48KB ，该开发板包括ADC 、DMA 、IIC 、USB 和定时器等多个外围设备，可以产生多路PWM 来控制电
机运行，具备功耗低、运行处理速度快、效率高、价格低等优点，便于进行系统的设计与开发。
2.2
避障模块
该小车利用超声波测距模块（HC-SR04）和红外传感器进行避障。红外传感器的工作电压为3.3～5V ，工作温度为-10～50℃，由一对红外线发射管与接收管组成，具备定向传播和反射的能力，能够灵活高效地探测周围环境。当红外传感器监测到周围环境存在障碍物时，接收端口会输出一个低电平，反之则输出高电平。红外传感器的有效监测距离为2～30cm ，检测角度为0°～35°［7］。红外传感器具备结构简单、造价便宜、灵敏度高等优点。通过在小车上合理布局红外传感器网络，可以灵活地检测周围环境，进行合理高效地避障。
超声波测距具有结构简单，且不受光线、烟雾、电磁因子影响等优点。超声波传感器有4个接口，分别是电源端（VCC ）、控制端（TRIG ）、接收端（ECHO ）和接地端（GND ）。超声波测距原理框图如
图1系统总体框图
灭火模块
红外模块
STM32F103RCT6
超声波模块
火焰传感器
北斗定位模块
电机驱动模块电源模块
SG90舵机模块
无线通信模块
蜂鸣器模块
图2所示，通过算法控制发出一个10μs 以上的高电平脉冲，而接收口等待高电平输出，一旦有高电平输出，则打开定时器计时，当此端口再次转变为低电平时读取定时器的数值，获取的数值就为此次测距的时间，测量距离可由公式（1）计算得出［8-9］。
d =(t ×v ）/2
（1）
其中，d 为测试距离，t 为高电平持续时间，v 为声速（340m/s ）。
2.3
驱动模块
该系统由L298N 电机驱动器进行驱动，L298N 是一类大电流、高电压的电机驱动芯片，采用15脚封装，内部含有4通道驱动电路，且内部有两个高电压和大电流全桥式驱动器，采用标准逻辑电平信号进行控制［10］。其具有两个使能控制端ENNA 和ENNB ，输入引脚为IN1、IN2、IN3、IN4，将VCC 端接+5V 电源，GND 端接地，并且通过STM32主控芯片的I/O 端的输入电平使电机进行正转和反转驱动，从而灵活地控制小车的运行状态，该电机稳定性较好，可以满足小车在复杂环境中的正常行驶，其使能与电机和运转状态真值表如表1所示。
2.4
火焰传感器模块
火焰传感器的探测角度为60°左右，可以检测火焰波长在760～1100nm 的热源，该模块工作电
压为3.3～5V ，探测灵敏度可通过电位旋钮进行调节［11］，此传感器具有4个接口，分别为VCC 、GND 、D0和A0，火焰传感器电路原理图见图3。火焰传感器可以实时检测并判断周围环境中是否存在火灾，通过火焰传感器，能精确地定位火灾的具体方位，通过舵机控制，小车灭火装置能正对前方火源，从而实现及时高效地灭火。
2.5
SG90舵机模块
该小车采用SG90舵机驱动，其工作电压为4.2～6V ，通过单片机主控芯片输出相应的PWM 信号，此信号是一个方波信号，工作频率为50Hz ，舵机的旋转和PWM 之间满足一定的线性函数关系。通过调整PWM 波的占空比，可以控制舵机旋转到固定的角度［12］。通过发送一段持续的信号脉冲，其中高电平持续时间为0.5～2.5ms 。脉冲宽度将决定舵机马达转动的角度，该模块采用180°舵机，即当高电平持续时间为1.5ms 时旋转角度为90°，当高电平持续时间为0.5ms 时旋转角度为0°，当高电平持续时间为2.5ms 时，旋转角度为180°。因此，通过舵机来控制车体上的灭火装置，当监测火源时，通过舵机旋转角度，灭火装置能对准火源，进行及时有效的灭火处理。
2.6
北斗定位模块
该系统采用的BH-ATGM332D 是高性能、低功耗GPS 加北斗双模定位模块［13］，可以通过串口向SIM32单片机和PC 端输出GPS 及北斗定位信息，精准确定火源位置。
2.7
灭火模块该小车内置灭火装置，包括含有容纳足够水源的水箱和置于舵机之上的高压水［14］。通过火焰传感器等多个传感器正确定位好火源位置后，高压
图2超声波测距原理框图
定时器调制
控制计算传输
模块电源图片计时
接收
反射
发射
震荡
增益放大
ENNA 11111
ENNB 11111
IN1111/100
IN2000/111
IN3101/101
IN4011/0
10
运行状态前行右转原地旋转后退左转
表1
L298N 电机驱动器真值表
图3
火焰传感器电路原理图
A0
D0
1K
10K
10K
VCC
1K
10K
LN393
GND
GND
红外接收管
-
+
水抽取水箱内的水源，然后高压水通过舵机驱动进行初步灭火，及时处理火灾险情。
2.8
蜂鸣器模块
当火焰传感器检测到火源时，小车通过合理避障来到火源前，此时蜂鸣器发出警告声，并向终端发送报警信息。
2.9
无线通信模块小车通过异步通信串口与Air724ug 4G 透射模块进行交互，Air724ug 4G 透射模块与阿里云物联网云平台进行连接绑定，MCU 通过串口发送AT 指令，采用消息队列遥测传输（MQTT ）协议
［15-16］
，将小
车采集到的信息与预警信息发送到阿里云物联网云平台，并进行合并。MQTT 协议支持百万级并发消息传递，故而小车可以实现同时、多地的大量数据上传，且不产生丢失数据包的问题，保障了火灾预警信息的实时可靠。
3
软件设计
该系统的软件设计主要是基于Keil5平台，通过C 语言对各个模块进行编写设计，从而实现小车的自动避障、检测火源、自动定位报警、无线通信、自动灭火等功能。在编写代码时，首先对LED 、按键、电机驱动等模块进行初始化，然后进入while 循环，进行输入捕获，定义ult_obs_avoid （）函数。在小车行进过程中，超声波距离检测程序开启前方超声波触发标志位，对前方超声波进行触发使能，并读取前方超声波检测到的对应输入捕获值，同时转化为距离值，用于检测比小车高的障碍物。当前方超
声波监测到的对应输入捕获值的距离转化值小于预警范围时，即超声波检测到前方较高处存在障碍物，前方障碍物标志位置为1，进而切换并开启左侧超声波触发使能，从而对左侧空间进行探索；若左侧空间道路通畅，则调用履带左转控制函数，小车对应向左侧进行转向，如果左侧超声波与前方超声波的对应输入捕获值先后检测到存在障碍物时，右侧超声波开启，对右侧空间进行检测，通过输入捕获通道获取对应超声波输出值。如果右侧空间道路通畅，则小车向右转弯，进入右侧通畅区域，如果前方和左右两侧的超声波均检测到障碍物存在时，调用履带控制后退函数及转弯函数，实现小车后退向后旋转，按照原路返回。
红外避障系统要实时监测小车近距离范围内的障碍物及低处的障碍物，当检测到相应方向存在障碍物无法越过时，立即对小车在该方向障碍物标志位强制置为1，实现红外避障的优先级高于超声波，进而使小车向相反方向进行转向或倒退。
当小车在行进过程中检测到某一侧存在火源时，则调用对应方向的转向函数，当火焰传感器监测到小车正前方存在火源时，此时调用停车函数，小车停止行动，并通过舵机操控上方的高压水对准小车前方的火源，进行初步灭火，小车则通过北斗定位系统获取当前经纬度坐标，并将经纬度坐标通过Air724ug 4G 透射模块将数据传输到阿里云物联网云平台，实现对火情位置的精准预警和上传，其系统设计流程图见图4。
输入有效图4系统设计流程图
输入无效输入无效
输入有效
灭火前行
前行
开始初始化
超声波
红外传感器
避障前行
前行
监测前方火焰
火焰搜索检测
蜂鸣器报警监测侧方火焰
左/右转向
超声波红外传感器
4结构设计
该研究设计的基于STM32的智能火灾监测及灭火小车包括小车车体、用于行走的履带式底座、电源、中央控制模块，小车外壳上的超声波模块、红外传感器、火焰传感器与中央控制模块连接。此外，还设置有舵机、水箱、高压水，小车车体内还设置有无线通信装置，其结构设计见图5。
5功能测试
通过在场地中摆放大小各异的障碍物来模拟复杂的地形环境，并在不同的位置放置点燃的蜡烛来模拟火源，检测小车预警信息传输以及灭火等功能。经多次试验测试，小车能够合理地进行避障，若前进方向有较小的障碍物，则跨越前进；若前进方向有较大的障碍物，则通过L298N电机驱动控制小车进行合理转向。同时，若行进过程中，当火焰传感器检测到火焰后，蜂鸣器发出警报声响，小车自动报警，此时会通过北斗模块准确定位，并在离火焰指定距离处，通过舵机合理旋转角度控制高压水进行精准灭火；在灭火的同时，智能小车利用北斗定位模块获取着火点的经纬度坐标，并通过4G透射模块将定位信
息上传至阿里云物联网云平台，界面显示着火点的经纬度信息，实现火情现场
的自动定位。
6结语
本研究介绍了以STM32F103RCT6为主控芯片的智能火灾监测及灭火系统的设计与实现过程，通过合理设计软硬件，配以火焰传感器、超声波以及红外避障模块、无线通信模块、舵机模块、北斗定位、灭火模块等，小车通过超声波及红外可以在地形复杂环境中避障前行，利用火焰传感器准确检测周围的火源情况，通过高压水进行及时初步灭
火，并利用4G透射将信息传至阿里云物联网平台。经多次试验模拟测试，该小车各项功能稳定，能够准确监测火情信息，进行通信预警和初步灭火，有效地抑制火灾的蔓延，减轻火灾带来的巨大经济损失、人员伤亡与生态环境问题，对当前火灾预警及防护工作具有重要意义。
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