摘" 要：為準確監(jiān)測監(jiān)控火災(zāi)火情信號，以簡單化工廠區(qū)條件為背景開展合理的系統(tǒng)設(shè)計與研究?；赟TC89C52型單片機，再利用CO、溫度、煙霧等傳感器、無線通信板塊和報警監(jiān)控板塊設(shè)計一種基于單片機的化工火災(zāi)智慧監(jiān)控及報警系統(tǒng)，具備低開發(fā)成本、穩(wěn)定監(jiān)控火災(zāi)各特征信號、及時報警的特點;通過溫度、有毒氣體和煙霧等傳感模塊實時監(jiān)測火災(zāi)信號，將信號的特征參數(shù)按序進行A/D轉(zhuǎn)換處理和算法分析，經(jīng)過分析后再利用無線通信模塊以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，并借助于攝像頭、蜂鳴器、液晶顯示屏等儀器實現(xiàn)實時監(jiān)控和及時報警。實驗驗證，系統(tǒng)可操作性強，能夠?qū)崿F(xiàn)實時檢測化工廠區(qū)情況，并具有早期預(yù)警、及時報警、穩(wěn)定遠程監(jiān)控等功能。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)災(zāi)害;單片機;無線通信;傳感聯(lián)動;監(jiān)控報警

中圖分類號：V445" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0122-05

Abstract： In order to accurately monitor and monitor fire signals， reasonable system design and research are carried out based on simple chemical plant conditions. Based on the STC89C52 single-chip microcomputer， and then using CO， temperature， smoke and other sensors， wireless communication board， and alarm monitoring board， a single-chip-based chemical fire intelligent monitoring and alarm system is designed. It has the characteristics of low development cost， stable monitoring of various fire characteristics， and timely alarm; Fire signals are monitored in real time through sensing modules such as temperature， toxic gases and smoke， and the characteristic parameters of the signals are subjected to A/D conversion and algorithm analysis in sequence. After analysis， the wireless communication module is used to realize long-distance transmission of data. Real-time monitoring and timely alarm are realized with the help of cameras， buzzers， liquid crystal displays and other instruments. Experimental verification shows that the system is highly operable， can detect the situation in chemical plants in real time， and has functions such as early warning， timely alarm， and stable remote monitoring.

Keywords： fire disaster; MCU; wireless communication; sensor linkage; monitoring and alarm

化工行業(yè)因?；繁姸?，環(huán)境條件復(fù)雜，火災(zāi)爆炸事故頻發(fā)，嚴重影響生產(chǎn)安全。2013—2018年，我國累計發(fā)生重大化工火災(zāi)爆炸事故974起，死亡人數(shù)1 253人，火災(zāi)爆炸已成為化工行業(yè)人員傷亡的主要原因之一[1]。8·12天津港特別重大化工火災(zāi)爆炸事故和3·21江蘇響水特別重大化工火災(zāi)爆炸事故等特大事故，為我國的化工企業(yè)安全生產(chǎn)敲響警鐘?；せ馂?zāi)事故影響范圍大、難以控制，同時還易激化擴大，其中CO是導(dǎo)致人員傷亡的最致命因素，提前實現(xiàn)CO預(yù)警監(jiān)控是減少事故傷亡的有效手段。單片機作為一種運用超大規(guī)模集成電路技術(shù)將中央數(shù)據(jù)處理器（CPU）、隨機存儲器（ROM）、I/O口、定時器/計數(shù)器和中斷系統(tǒng)等子部分完整地集成在一塊硅片上的微型計算機系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)火情信號監(jiān)測報警[2]。因此，基于單片機設(shè)計火災(zāi)CO智慧監(jiān)控及控制系統(tǒng)對于實現(xiàn)火災(zāi)CO提前預(yù)警及聯(lián)防聯(lián)控具有重要意義。

國內(nèi)外在基于單片機開發(fā)更為智能的報警系統(tǒng)方面做了豐富研究[3]，其中，澳大利亞GO-DEXPTY.LTD公司GO-DEX 型空氣采樣式感煙火災(zāi)智能報警系統(tǒng)與澳大利亞維信防火與保安有限公司（Vision Fire amp; Security）VESDA產(chǎn)品因其設(shè)計安裝簡單并且其檢測可靠性高而受到廣泛關(guān)注。目前，國內(nèi)針對于智能化火災(zāi)監(jiān)測報警系統(tǒng)的相關(guān)研發(fā)整體上滯后于國外發(fā)達國家，但近些年也得到了長足的發(fā)展。南京消防集團的SH97300高靈敏度激光吸氣式感煙火災(zāi)探測報警系統(tǒng)能夠靈敏感知煙霧實現(xiàn)早期預(yù)警，用于計算機房、圖書館與資料室等火災(zāi)情況監(jiān)測與早期及時預(yù)警[4]。范志華[5]在我國首次公開提出一種以先進的新型高性能監(jiān)控單片式微機stm32f103rbt作為系統(tǒng)主機和控制器的智能新型火災(zāi)監(jiān)測報警系統(tǒng)。毛效禹[6]提出一種應(yīng)用于居民生活區(qū)智能火災(zāi)報警系統(tǒng)，以WSN和數(shù)據(jù)融合技術(shù)為主要特點，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合算法有效降低誤報率。但上述研究均未對火災(zāi)關(guān)鍵毒害來源預(yù)先準確識別，結(jié)構(gòu)及功能冗余，另外無法實現(xiàn)同步監(jiān)控及控制危險源，因此，需要研究一種能優(yōu)先識別火災(zāi)第一毒害源目標(biāo)，同步實現(xiàn)預(yù)先監(jiān)測報警及同步消控的智慧監(jiān)控及控制系統(tǒng)。

1" 預(yù)警消控同步匹配機制

1.1" 消防預(yù)警

1.1.1" 及時預(yù)警

火災(zāi)的產(chǎn)生需要經(jīng)歷5個階段，如果能在火災(zāi)發(fā)生初期對火災(zāi)災(zāi)情及時預(yù)警然后進行及時地消除，最終能夠使得災(zāi)害降至最低限度。傳感器的靈敏度、信號傳輸?shù)募皶r性考驗的是系統(tǒng)的靈敏度，是否能夠及時監(jiān)控初期火災(zāi)災(zāi)情。

1.1.2" 智能疏散

災(zāi)情發(fā)生初期，人員的有序正確疏散有助于減少火災(zāi)傷亡。錯誤的逃生路線會造成人員擁堵，其中CO會隨著煙風(fēng)流迅速蔓延，如果人員不知如何正確逃生，會錯過黃金逃生時間，從而導(dǎo)致人員被困使得人員傷亡，因此，需要在能夠及時報警的同時長期監(jiān)控火區(qū)動態(tài)的系統(tǒng)來引導(dǎo)人員逃生。

1.1.3" 精準定位

第一時間確定災(zāi)情具體位置對于控制災(zāi)情起到關(guān)鍵性作用，能夠很好地幫助消防人員對根本火源點展開滅火工作并在最短時間內(nèi)解決火情，減少損失，同時也能幫助逃生人員判斷煙氣方向等，保障逃生人員安全，因此，需要一個能遠距離對溫度、煙氣有高靈敏度的火情信號進行監(jiān)測的系統(tǒng)從而判斷災(zāi)情發(fā)生點以及第一致害源。

1.2" 系統(tǒng)功能

1.2.1" 火災(zāi)檢測功能

建筑區(qū)火情狀態(tài)的長周期準確檢測及預(yù)測其可能發(fā)生的事故災(zāi)害，對有效控制災(zāi)害的發(fā)生發(fā)展與事故影響擴大、減小甚至消除危害至關(guān)重要。災(zāi)區(qū)各種隱患因素和環(huán)節(jié)復(fù)雜又相互關(guān)聯(lián)、相互影響，因素間又往往具有伴生或制約關(guān)系，從時間維度上看，災(zāi)區(qū)狀態(tài)又是動態(tài)發(fā)展的，具有規(guī)律性。針對火災(zāi)狀態(tài)的檢測要做到全面分析，考慮相關(guān)性影響的同時，長期動態(tài)檢測火區(qū)狀態(tài)。

1.2.2" 穩(wěn)定監(jiān)控

災(zāi)區(qū)的監(jiān)控及信息實時反饋，有利于相關(guān)人員及時做出有效的決策，以避免事故災(zāi)害擴大，并控制事故影響范圍。通過災(zāi)區(qū)視頻圖像聲音等信息資料的反饋，有效實現(xiàn)事前火災(zāi)的預(yù)警預(yù)報、事中火災(zāi)事故的處置以及事后避免次生事故的相關(guān)工作，因此，需要能夠在火災(zāi)發(fā)生時實現(xiàn)災(zāi)情穩(wěn)定監(jiān)控功能。

1.2.3" 數(shù)據(jù)通信

考慮到火災(zāi)報警系統(tǒng)的火災(zāi)信號檢測硬件設(shè)備需要安裝在整個復(fù)雜空間內(nèi)，因此系統(tǒng)需要具備將散落在各節(jié)點的探測器實時將數(shù)據(jù)通過NRF24L01發(fā)送到集中控制器。通過集中控制器安裝GPRS模塊向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)送檢測信號的功能。在通信方法的選擇和設(shè)計中，必須滿足一定的數(shù)據(jù)通信要求，并可以實現(xiàn)對實時和傳輸距離的要求[7]。

1.2.4" 早期報警功能

考慮到火災(zāi)災(zāi)害的突發(fā)性以及易激化擴大，火災(zāi)事故的極早預(yù)警對于減少事故發(fā)生具有重要意義，目前普通傳感器或難以滿足超早期報警，考慮從設(shè)備選型與算法編程上提高火區(qū)檢測的精度與準確度，以實現(xiàn)早期預(yù)警。

1.3" 同步匹配原則

1.3.1" 高抗干擾原則

火災(zāi)報警系統(tǒng)的準確預(yù)報與通信的抗干擾能力相關(guān)，環(huán)境中的干擾信號會影響火災(zāi)報警系統(tǒng)的準確性與穩(wěn)定性。當(dāng)CPU被環(huán)境中的干擾信號影響時，系統(tǒng)會混亂。程序計數(shù)器PC的狀態(tài)值被破壞是被干擾的典型故障，會導(dǎo)致程序在地址空間內(nèi)“亂飛”，或者陷入死循環(huán)。

1.3.2" 長續(xù)航原則

為保證探測器與主控制裝備長時間運行，應(yīng)選取耗能低、性能優(yōu)越的設(shè)備，保證系統(tǒng)有效的長續(xù)航[7]。

1.3.3" 易操作原則

系統(tǒng)硬件的組裝與安裝時應(yīng)當(dāng)充分考慮用戶和設(shè)備人員的操作能力，在進行設(shè)備的選型與安裝設(shè)計時應(yīng)盡量簡化系統(tǒng)，使硬件便于操作與使用，人機交互界面設(shè)計時應(yīng)當(dāng)充分考慮到用戶群體的特征，遵循系統(tǒng)的一致性原理、順序性原理、功能性原理，以及系統(tǒng)的重要性原理等。

1.3.4" 擴展性原則

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計力求模塊化、插件式，擁有優(yōu)秀的擴展性，適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)水平。綜合考慮技術(shù)變化與環(huán)境影響，后續(xù)系統(tǒng)的功能擴展應(yīng)具有一定的可持續(xù)性[8]。

2" 火災(zāi)CO智慧監(jiān)控及控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1" 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)硬件設(shè)計主要內(nèi)容涉及基于單片機的火災(zāi)CO及溫度報警監(jiān)控和基于火災(zāi)自動報警器的CO消除及滅火控制系統(tǒng)，該火災(zāi)CO智慧監(jiān)控及控制系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計結(jié)構(gòu)主要組成有：STC89C52單片機、CO傳感器、溫度傳感器、監(jiān)控攝像頭、煙霧濃度傳感器、CO消除裝置、報警滅火系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)模塊及消防平臺。本系統(tǒng)通過各模塊應(yīng)用組合實現(xiàn)對環(huán)境CO濃度、溫度、煙霧和濕度的實時監(jiān)控，在高CO、高溫、煙霧濃度高或者攝像頭觀察到火情時及時發(fā)出報警，并且根據(jù)情況分別利用CO消除裝置、報警滅火系統(tǒng)消除CO及撲滅火源，同時，通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊將火情情況發(fā)送到消防平臺。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

2.2" 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本火災(zāi)CO智慧監(jiān)控及控制系統(tǒng)是基于單片機構(gòu)建的一種具有實時監(jiān)測、無線數(shù)據(jù)傳輸、報警靈敏和CO消除等多種功能的智慧型滅火與自動化監(jiān)控系統(tǒng)，主要由傳感器模塊、信息處理模塊、無線通信模塊和報警與監(jiān)控模塊4個大部分組成，具體構(gòu)件主要有單片機，CO、溫度和煙霧傳感器，火焰攝像頭，液晶顯示屏，聲光報警器等，通過火焰攝像頭、CO傳感器、溫度傳感器和煙霧傳感器反饋的數(shù)據(jù)情況來對周圍環(huán)境發(fā)展情況進行實時監(jiān)控。當(dāng)重大火災(zāi)事故發(fā)生時，聲光報警器就會發(fā)出報警，人員通過無線終端可以及時清晰地了解火情，迅速操作控制火情[9]。

2.2.1" 傳感器模塊

本系統(tǒng)傳感器模塊設(shè)計將結(jié)合采用高靈敏度CO傳感器、數(shù)字激光溫度傳感器、煙霧傳感器，以及遠距離火焰攝像技術(shù)對廠區(qū)現(xiàn)場周圍空氣環(huán)境狀況的各種相關(guān)測量數(shù)據(jù)采集和分析收集，實現(xiàn)廠區(qū)現(xiàn)場火情實時監(jiān)測。

2.2.2" 中央信息處理模塊

該套微控制器處理系統(tǒng)主要選用了一個單片上主機的STC89C52作為主要的處理控制器。STC89C52具有8 KB的內(nèi)部Flash存儲器，能夠同時進行數(shù)據(jù)處理和存儲操作;此外，系統(tǒng)還配備了512字節(jié)的外部并行存儲空間，用于數(shù)據(jù)存儲和處理。這款微控制器具備安全性高、低功耗、成本低和性能優(yōu)越的特點，適用于通用嵌入式應(yīng)用。

該單片機具有3個16位定時器/計數(shù)器，32個I/O口線，1個6向兩級中斷結(jié)構(gòu)，1個全雙工串行通信口，適用于復(fù)雜控制應(yīng)用場合。傳感器、無線通信設(shè)備、報警監(jiān)控設(shè)備等外接器件與單片機STC89C52部分引腳配置情況見表1。

2.2.3" 無線通信模塊

HLK-RM58S基于通過串行接口設(shè)計成符合互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準的數(shù)據(jù)庫和嵌入式數(shù)據(jù)庫模塊，使得用戶能夠通過Internet網(wǎng)絡(luò)直接傳輸自己的數(shù)據(jù)[10]。HLK-RM58S單頻采用目前國際主流通用的2.4 GHz 2個頻帶，分別同時支持20 MHz和40 MHz 2個頻帶，支持STA/AP 2種單頻頻帶工作速率模式，在單頻1T1R的工作速率模式下，其單頻數(shù)據(jù)流的傳輸速率甚至可以達到150 Mbps。該無線通信模塊采用5 V單電源供電，功耗小。HLK-RM58S通過串口與單片機連接，能夠?qū)崿F(xiàn)串口數(shù)據(jù)與Wi-Fi數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)化從而達到聯(lián)網(wǎng)的目的，并且可以連接手機、PC或者其他的Wi-Fi設(shè)備。本系統(tǒng)設(shè)計通過HLK-RM58S無線通信模塊完成無線通信端與用戶之間信息的相互轉(zhuǎn)化。

2.2.4" 報警監(jiān)控模塊

報警監(jiān)控模塊主要由聲光報警系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測部分組成。本應(yīng)用系統(tǒng)軟件中的自動聲光報警系統(tǒng)控制驅(qū)動系統(tǒng)主要組成包括聲光蜂鳴器和LED聲光警示燈2個大部分，它們分別與電源和單片機相連。蜂鳴器和LED警示燈的型號分別為LZQ-4216和H5191。發(fā)生火情時，可通過調(diào)整單片機引腳端電勢觸發(fā)蜂鳴器和LED警示燈報警。

本系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)檢測部分包括液晶顯示屏、攝像頭和按鍵控制電路。采用CYW-B16032A液晶顯示板和FQ32ANK液晶顯示屏，CYW-B16032A液晶顯示板可以實時顯示檢測范圍內(nèi)的溫度等參數(shù)，F(xiàn)Q32ANK液晶顯示屏連接攝像頭可以實時顯示檢測空間內(nèi)的畫面，方便人員對火情的預(yù)防和控制。通過按鍵控制電路可以完成系統(tǒng)的功能條件設(shè)置，例如，溫度報警值和煙霧報警值等。在檢測空間內(nèi)除布置了溫度傳感器和煙霧傳感器之外，還需要布置3個攝像頭覆蓋整個區(qū)域，實現(xiàn)全方位監(jiān)控。

2.3" 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)需要連接電源。在系統(tǒng)剛啟動時需要進行初始化操作，設(shè)定CO濃度、煙霧濃度和溫度的閾值。在系統(tǒng)運行功能時，通過攝像頭、CO傳感器、煙霧傳感器和溫度傳感器的實時監(jiān)控來監(jiān)測環(huán)境相關(guān)情況，通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊將實時接收傳來的數(shù)據(jù)上傳至消防平臺，再進行判定。若攝像頭檢測到火情，則對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行判定，當(dāng)CO傳感器、煙霧傳感器和溫度傳感器反饋的數(shù)值超過初始化時設(shè)定的閾值時，CO消除裝置、滅火裝置模塊工作對發(fā)生火情區(qū)域進行CO消除及滅火工作，同時通過報警模塊進行火情報警;如果CO傳感器、煙霧傳感器和溫度傳感器傳遞的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有超過初始化時設(shè)定的閾值時，通過報警模塊向工作人員報警，提醒工作人員存在異常情況。系統(tǒng)軟件運行流程圖如圖2所示。

3" 廠區(qū)系統(tǒng)布置試驗驗證

以化工廠區(qū)為主要研究對象，試驗選擇了一個采用化工廠區(qū)總面積大小為50 m×40 m的化工廠區(qū)，其中包括了化工廠的工作區(qū)、配電室、控制間和化工物品存儲區(qū)，在化工廠區(qū)四大范圍內(nèi)分別設(shè)置了傳感器和監(jiān)測報警系統(tǒng)，其中溫度傳感器主要用于檢測參照的溫度，煙霧傳感器主要用于檢測本系統(tǒng)在發(fā)生火災(zāi)時的煙霧，蜂鳴器和攝像頭用于監(jiān)控報警，同時各部分同時與中央控制處理器STC89C52單片機通過無線通信裝置相連接，在保證其受獨立電源供電穩(wěn)定且可靠的條件下，開展模擬測試，具體布置如下。

在2 000 m2試驗空間中設(shè)置4個試驗區(qū)域，其中工作區(qū)為40 m×30 m，儲藏區(qū)為40 m×10 m，配電室和控制室均為20 m×10 m;2個攝像頭及1個蜂鳴器為1個報警監(jiān)控單元，1個CO傳感器、1個溫度傳感器及1個煙霧傳感器為一個傳感單元;在工作區(qū)內(nèi)設(shè)置2個報警監(jiān)控單元，4個傳感單元;儲藏區(qū)設(shè)置1個報警監(jiān)控單元，2個傳感單元;配電室和控制室均設(shè)置1個報警監(jiān)控單元及1個傳感單元，具體布置位置如圖3所示;在各單元布置處鋪裝電源線、信號線和網(wǎng)絡(luò)線，保證其信號源和電源穩(wěn)定可靠;中央監(jiān)控平臺連接四個區(qū)域，實時查看情況;系統(tǒng)各組成完成調(diào)試分析與單片機進行通信對接。

設(shè)置好所有的裝置后，對相應(yīng)監(jiān)控點情況進行監(jiān)控，同時最終得出相應(yīng)情況表格，能夠?qū)崟r觀察到化工廠區(qū)情況，并通過攝像頭監(jiān)控得到的視頻、聲音顯示現(xiàn)場情況。如果火災(zāi)發(fā)生，相應(yīng)情況見表2，系統(tǒng)能迅速確定火災(zāi)發(fā)生位置，作出決策進行滅火工作，同時蜂鳴器會自動報警，對相關(guān)工作人員進行疏散;如未有火災(zāi)發(fā)生，相應(yīng)顯示見表3，相關(guān)工作人員繼續(xù)正常工作，監(jiān)控室對情況繼續(xù)進行監(jiān)控。

監(jiān)控室的實時監(jiān)控報告能夠保證第一時間獲得災(zāi)情的信息，并迅速做出應(yīng)急救援的措施。在制定應(yīng)急預(yù)案過程中，通過模擬化工廠具體場地發(fā)生火災(zāi)時的情形，預(yù)先規(guī)劃好人員疏散和逃生的路線，完整配置應(yīng)急救援設(shè)備。因此，當(dāng)災(zāi)情監(jiān)控報告顯示火情時，相關(guān)人員能夠迅速作出指示，有助于人員有序安全的疏散和撤離。

4" 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種基于單片機的化工火災(zāi)智慧監(jiān)控與報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了CO氣體、溫度、煙霧等傳感器，以及無線通信模塊和報警監(jiān)控模塊。通過這些組件，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測化工環(huán)境中的火災(zāi)隱患并進行報警。具備低開發(fā)成本、穩(wěn)定監(jiān)控火災(zāi)各特征信號、及時報警的特點。通過研究預(yù)警消防同步匹配機制來確定同步聯(lián)控匹配原則從而達到火災(zāi)同步聯(lián)控的目的。再以CO為主要火災(zāi)信號判定源，再加以溫度、煙霧濃度等信息為輔助判定源，通過溫度、有毒氣體和煙霧等傳感模塊實時監(jiān)測火災(zāi)信號，將信號的特征參數(shù)按序進行A/D轉(zhuǎn)換處理和算法分析，經(jīng)過分析后再利用無線通信模塊以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，并借助于攝像頭、蜂鳴器、液晶顯示屏等儀器實現(xiàn)實時監(jiān)控和及時報警。試驗驗證，系統(tǒng)可操作性強，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測化工廠區(qū)情況，并具有早期預(yù)警、及時報警、穩(wěn)定遠程監(jiān)控等功能。

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第一作者簡介：劉海洋（1981-），男，碩士，工程師，棋盤井煤礦（東區(qū)）總工程師。研究方向為礦井一氧化碳消除。