基于51單片機(jī)的智能家居火災(zāi)報(bào)警的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李繼紅 安迎建

（云南工商學(xué)院 云南省昆明市 651701）

1 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，相關(guān)硬件采集系統(tǒng)飛速的發(fā)展，所謂的火災(zāi)預(yù)警數(shù)據(jù)采集已經(jīng)遍布各行各業(yè)，工業(yè)內(nèi)部，農(nóng)業(yè)內(nèi)部、家庭生活內(nèi)部等，我們能發(fā)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)采集無(wú)時(shí)無(wú)刻遍布在我們身邊。以及相關(guān)軟件系統(tǒng)的飛速發(fā)展，相關(guān)系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中能夠能更加省時(shí)省力地進(jìn)行。二者的相輔相成，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)據(jù)采集行業(yè)的發(fā)展，這也為我們的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)堅(jiān)定了基礎(chǔ)，提供了全方面的技術(shù)保障。但是，在這樣的環(huán)境下，也出現(xiàn)了相關(guān)采集系統(tǒng)的成本較高，不能夠完美的切合實(shí)際，往往會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)和實(shí)際解決問(wèn)題不相符、不匹配的問(wèn)題，并且其檢測(cè)的數(shù)據(jù)往往精度不高，不能夠?qū)崿F(xiàn)更為細(xì)致精確的數(shù)據(jù)測(cè)量工作，這也為人們的日常工作提供了不便[1]。由于相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的參差不窮，檢測(cè)設(shè)備的目的性質(zhì)參差不窮，能夠真正的符合本次需求分析的采集系統(tǒng)有少之又少。所有，如何能夠出現(xiàn)一款切合實(shí)際的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，那將能夠大大有效的提高整個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也為相關(guān)的工廠(chǎng)單位、事業(yè)單位提供穩(wěn)固的保障[2]。為了能夠進(jìn)一步提高采集數(shù)據(jù)的快捷性和準(zhǔn)確性，從數(shù)據(jù)的采集端進(jìn)行穩(wěn)固的保障工作，將能夠大大提高整個(gè)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的工作性能。本次火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)從改善整個(gè)數(shù)據(jù)采集的工作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、時(shí)實(shí)化的工作性質(zhì)[3]，為后續(xù)火災(zāi)預(yù)警聯(lián)動(dòng)以及消防設(shè)備管理系統(tǒng)擴(kuò)展以及系統(tǒng)發(fā)展有深遠(yuǎn)的意義。本次實(shí)現(xiàn)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)是在總結(jié)前人的工作以及傳統(tǒng)工作系統(tǒng)的不足，進(jìn)而在更優(yōu)質(zhì)的選擇下達(dá)到工作目的。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變傳統(tǒng)工作的工作模式，通過(guò)更優(yōu)質(zhì)高效的計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)的處理下，使得火災(zāi)預(yù)警相關(guān)數(shù)據(jù)檢測(cè)工作變得人性化、智能化。簡(jiǎn)化了往常工作的復(fù)雜性，提高了效率[4]。并且，火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也使得人們的生活質(zhì)量顯著提高，人們能在花費(fèi)少量的時(shí)間和精力下，實(shí)現(xiàn)往常的等價(jià)工作，大大提高了人們的辦事效率。數(shù)據(jù)的及時(shí)性傳輸也能夠讓整個(gè)火災(zāi)系統(tǒng)的即時(shí)性大幅度提高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取不光復(fù)雜，數(shù)據(jù)整理起來(lái)也不方便，有可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失等情況。但是，在物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)下，獲取的數(shù)據(jù)以及反饋也能減少不必要的錯(cuò)誤，提高數(shù)據(jù)的精確性和準(zhǔn)確性[5]。

本課題基于單片機(jī)技術(shù)，在分析了以智能家居火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)使用的智能需求為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。同時(shí)加入了多種傳感器電子技術(shù)輔助使用。可以通過(guò)按鍵對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間、溫度閾值、煙霧閾值進(jìn)行修改，并將溫度檢測(cè)模塊以及煙霧檢測(cè)模塊得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD1602上，便于用戶(hù)觀(guān)察，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送至手機(jī)APP上，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的溫度超過(guò)設(shè)定臨界值值時(shí)，指示燈閃爍，語(yǔ)音播報(bào)模塊發(fā)出聲音播報(bào)“溫度過(guò)高”，隔十秒一次報(bào)警；當(dāng)煙霧濃度超過(guò)設(shè)定臨界值時(shí)，指示燈閃爍，語(yǔ)音播報(bào)模塊發(fā)出聲音播報(bào)“煙霧過(guò)高”，隔十秒一次報(bào)警；當(dāng)溫度和煙霧濃度同時(shí)超過(guò)臨界值時(shí)，指示燈連續(xù)閃爍，語(yǔ)音模塊循環(huán)播報(bào)“火災(zāi)快跑”。同時(shí)，手機(jī)APP端也可以接收到火災(zāi)逃跑的信息。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

圖1：系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

采集端通過(guò)中央處理系統(tǒng)，配合相關(guān)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊能夠進(jìn)行實(shí)現(xiàn)整體數(shù)據(jù)的采集工作。本次設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警是通過(guò)單片機(jī)以及其他采集模塊共同配合下，處理溫度以煙霧工作流程中的問(wèn)題，數(shù)據(jù)采集端通過(guò)管腳把信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)處理端，單片機(jī)能夠完美的把數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為后續(xù)的各種操作打好基礎(chǔ)。以及通過(guò)單片機(jī)的高性能把信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理封裝。

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

（1）系統(tǒng)成功地通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)到溫度數(shù)據(jù)；

（2）系統(tǒng)通過(guò)煙霧傳感器成功檢測(cè)到煙霧數(shù)據(jù)；

（3）系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音模塊進(jìn)行危險(xiǎn)播報(bào)處理；

（4）系統(tǒng)能夠通過(guò)按鍵進(jìn)行報(bào)警閾值的設(shè)置；

（5）能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送至上位機(jī)供用戶(hù)觀(guān)測(cè)。

2.2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警設(shè)計(jì)項(xiàng)目總共分為以下幾大模塊：電源模塊；STC89C52單片機(jī)處理模塊；復(fù)位電路模塊；晶振電路模塊；LCD1602顯示模塊；ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；按鍵模塊以及語(yǔ)音模塊。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在單片機(jī)植入的程序選擇上，根據(jù)課程上的學(xué)習(xí)程度以及當(dāng)前主流的程序，該系統(tǒng)軟件選擇C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，C語(yǔ)言是一種面向過(guò)程的抽象的編程語(yǔ)言。其契合度十分合適對(duì)于應(yīng)用底層的開(kāi)發(fā)，十分滿(mǎn)足本系統(tǒng)的需要。C語(yǔ)言能夠通過(guò)使用簡(jiǎn)易的程序編譯，使用低級(jí)的存儲(chǔ)器。并且高效以及跨平臺(tái)性。相對(duì)于匯編語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，匯編語(yǔ)言，代碼單調(diào)，特殊命令字符少，代碼冗長(zhǎng)難寫(xiě)，匯編語(yǔ)言調(diào)用內(nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因此bug發(fā)生較大，兼容性較弱，調(diào)試也比較困難。 綜合上述分析，本系統(tǒng)采用了C語(yǔ)言作為本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，因?yàn)楦鱾€(gè)模塊的調(diào)度問(wèn)題，選擇C語(yǔ)言能夠提升開(kāi)發(fā)效率，降低出現(xiàn)問(wèn)題的可能性。

3.1 軟件設(shè)計(jì)思想

在軟件編程過(guò)程中主要采用的是模塊化編程思想，對(duì)各個(gè)模塊分別進(jìn)行調(diào)試，在所有模塊都能實(shí)現(xiàn)其本身的功能時(shí)，把各個(gè)模塊結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)有機(jī)整體。這樣設(shè)計(jì)方便于在軟件編程過(guò)程中程序代碼的優(yōu)化，并且能更好低完成對(duì)程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)。軟件系統(tǒng)主要分為系統(tǒng)主程序和任務(wù)子程序兩大部分，其中，任務(wù)子程序主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能，而主程序則負(fù)責(zé)調(diào)用任務(wù)子程序，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)中主要包括：初始化子程序、按鍵設(shè)置子程序、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、藍(lán)牙發(fā)送子程序、語(yǔ)音驅(qū)動(dòng)程序、LCD顯示子程序。軟件完成后能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能:

圖2：軟件總體設(shè)計(jì)流程

（1）各硬件初始化；

（2）按鍵設(shè)置系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及更改時(shí)間信息、溫度臨界值以及煙霧濃度臨界值。

（3）LCD1602顯示系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)以及系統(tǒng)的時(shí)間、溫度臨界值以及煙

霧濃度臨界值，便于用于進(jìn)行相關(guān)操作。

（4）煙霧模塊監(jiān)測(cè)煙霧數(shù)據(jù)、溫度模塊檢測(cè)溫度數(shù)據(jù)、語(yǔ)音模塊驅(qū)動(dòng)報(bào)警。

（5）藍(lán)牙模塊發(fā)送監(jiān)測(cè)信息至手機(jī)端，便于用戶(hù)遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的人機(jī)交互部分主要依靠軟件實(shí)現(xiàn)軟件的設(shè)計(jì)，流程如圖2所示。

3.3 LCD1602工作流程

LCD顯示當(dāng)前采集的信息，在設(shè)計(jì)LCD的單片機(jī)程序部分時(shí)，為了能讓我們的設(shè)計(jì)思路清晰明了，LCD的功能更加清楚，最簡(jiǎn)單有效的開(kāi)發(fā)方式就是先畫(huà)出LCD的具體流程圖，然后按照流程步驟一步一步的設(shè)計(jì)程序，就避免遺漏重要的顯示信息的情況。

3.4 按鍵模塊

本系統(tǒng)中主要利用按鍵模塊來(lái)設(shè)置系統(tǒng)工作模式以及更改系統(tǒng)時(shí)間、溫度閾值和煙霧閾值。

4 總結(jié)與展望

本次智能家居系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)、煙霧濃度監(jiān)測(cè)等功能，并且可以設(shè)定環(huán)境參數(shù)臨界值，當(dāng)監(jiān)測(cè)到環(huán)境數(shù)據(jù)大于臨界值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)語(yǔ)音模塊報(bào)警提示，通知用戶(hù)盡快逃離，并且通過(guò)藍(lán)牙模塊與手機(jī)相連，供用戶(hù)在一定范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的預(yù)防與撲救。

在整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)候，首先是對(duì)硬件方面的調(diào)試，在表面上來(lái)看似乎把每根線(xiàn)的接觸都是連接好了的，這就往往迷惑了自己，只能看到表面，似乎硬件的調(diào)試沒(méi)什么難度，就是按照電路設(shè)計(jì)圖來(lái)完成，但是也會(huì)產(chǎn)生一定的原因，比如接口焊接不穩(wěn)，在后續(xù)的軟件調(diào)試還會(huì)以為是硬件的問(wèn)題。所以我們必須掌握相關(guān)的調(diào)試方法，根據(jù)故障現(xiàn)象，分開(kāi)模塊進(jìn)行調(diào)試，反復(fù)的測(cè)試和判斷，分析故障的點(diǎn)在哪里。在測(cè)試過(guò)程中對(duì)硬件電路模塊的測(cè)試主要是測(cè)硬件的相關(guān)參數(shù)以及等，在這個(gè)硬件的測(cè)試的時(shí)候進(jìn)行綜合仿真分析問(wèn)題。對(duì)里面的代碼采用了Protues仿真測(cè)試，一個(gè)一個(gè)模塊的測(cè)試，最定位到問(wèn)題，逐個(gè)解決，最后完成。在這整個(gè)軟件與硬件的測(cè)試中，提高了對(duì)事情的分析以及解決能力，提高了對(duì)本專(zhuān)業(yè)的知識(shí)以及興趣，因此，在未來(lái)我會(huì)在此方面以及擴(kuò)展方面不斷的學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn)，最后設(shè)計(jì)出更多實(shí)用的功能。