一种基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及一种基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置。


背景技术：

[0002]
火灾报警及消防联动装置是火灾预防和处理的重要一环，但当前的火灾报警及消防联动装置存在着误报率高、实时性低的问题，如何提高火灾报警及消防联动装置的可靠性和实时性是当下需要解决的问题。


技术实现要素：

[0003]
为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、安全可靠的基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置。
[0004]
本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置，包括温度传感器、烟雾传感器、模数转换器、控制器、物联网模块、物联网云平台、用户终端和电源电路，电源电路为整个装置提供工作电源，所述温度传感器的信号输出端与控制器相连，烟雾传感器的信号输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与控制器相连，控制器通过物联网模块与物联网云平台相连，用户终端与物联网云平台相连。
[0005]
上述基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置，还包括晶振电路和复位电路，晶振电路、复位电路均连接控制器。
[0006]
上述基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置，还包括显示模块和矩阵键盘控制模块，显示模块、矩阵键盘控制模块与控制器相连。
[0007]
上述基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置，所述矩阵键盘控制模块采用16个微动按键组成4
×
4矩阵键盘，所述显示模块采用lcd1602液晶显示器。
[0008]
上述基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置，还包括继电器和声光报警模块，控制器与继电器相连，继电器安装在声光报警模块的供电电路中。
[0009]
上述基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置，还包括存储模块，存储模块与控制器相连，存储模块型号为at24c02。
[0010]
上述基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置，所述物联网模块包括微控制器、电源电路ⅰ、晶振电路ⅰ、复位电路ⅰ和通信电路，电源电路ⅰ为物联网模块提供工作电源，晶振电路ⅰ、复位电路ⅰ与微控制器相连，微控制器通过通信电路与控制器相连，微控制器与物联网云平台相连。
[0011]
上述基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置，所述温度传感器型号为ds18b20，所述烟雾传感器为mq-2烟雾传感器。
[0012]
上述基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置，所述模数转换器的主芯片采用xpt2046。
[0013]
上述基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置，所述控制器采用单片机
stc89c52，所述微控制器型号为esp8266。
[0014]
本实用新型的有益效果在于：本实用新型采用烟雾传感器和温度传感器采集烟雾浓度信号和温度信号，利用单片机作为现场参数获取部分的控制器，利用物联网模块配合物联网云平台作为联网上报部分的微控制器，具有联网上报、结构简单、造价低、可靠性高的功能。
附图说明
[0015]
图1为本实用新型的整体结构框图。
[0016]
图2为图1中控制器的芯片图。
[0017]
图3为图1中电源电路的电路图。
[0018]
图4为图1中晶振电路的电路图。
[0019]
图5为图1中复位电路的电路图。
[0020]
图6为图1中矩阵键盘控制模块的电路图。
[0021]
图7为图1中显示模块的电路图。
[0022]
图8为图1中存储模块的电路图。
[0023]
图9为图1中模数转换器的电路图。
[0024]
图10为图1中烟雾传感器的电路图。
[0025]
图11为图1中温度传感器的电路图。
[0026]
图12为图1中声光报警模块的电路图。
[0027]
图13为物联网模块中微控制器的芯片图。
[0028]
图14为物联网模块中电源电路ⅰ的电路图。
[0029]
图15为物联网模块中晶振电路ⅰ的电路图。
[0030]
图16为物联网模块中复位电路ⅰ的电路图。
[0031]
图17为物联网模块中通信电路的电路图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0033]
如图1所示，一种基于物联网云平台的火灾自动报警及消防联动装置，包括温度传感器、烟雾传感器、模数转换器、控制器、物联网模块、物联网云平台、用户终端、晶振电路、复位电路、显示模块、矩阵键盘控制模块、继电器、声光报警模块、存储模块、电源电路，电源电路为控制器提供工作电源、复位电路为控制器提供复位功能、晶振电路为控制器提供时钟信号。所述温度传感器的信号输出端与控制器相连，烟雾传感器的信号输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与控制器相连，控制器通过物联网模块与物联网云平台相连，用户终端与物联网云平台相连。晶振电路、复位电路、显示模块、矩阵键盘控制模块、继电器、声光报警模块、存储模块与控制器相连。
[0034]
esp8266物联网模块独立于装置，即使esp8266物联网模块断电装置也仍能正常行使报警功能，与stc89c52单片机相连的各个模块不受影响。此外，esp8266物联网模块通过简单的程序修改，能连接多个stc89c52单片机，实现快捷的组网监控。对于预算有限的用户，也可以取消esp8266物联网等模块。
[0035]
图1的工作过程为，用户通过矩阵键盘控制模块修改报警温度值和报警烟雾浓度值，可以保存至存储模块，每次开机前会自动读取保存好的报警数据。烟雾传感器和温度传感器负责采集当前环境的烟雾浓度和温度数据，烟雾浓度和温度数据由stc89c52单片机处理，并通过lcd1602显示模块显示。当环境温度和烟雾浓度超出设定的报警值时，继电器开启并启动用户扩展的消防联动装置（例如声光报警模块）。esp8266物联网模块每隔5s向stc89c52单片机发送数据请求信号，stc89c52单片机随后发送当前环境温度值、烟雾浓度值、报警温度值、报警烟雾浓度值、报警模式、报警状态数据给esp8266物联网模块，esp8266物联网模块通过mqtt协议向云平台发送相关数据，用户可以通过移动设备或pc查看相关数据。
[0036]
所述控制器采用单片机stc89c52，如图2所示，stc89c52是由stc（宏晶）公司生产的一种低功耗、高速、抗干扰的8位微控制器。它采用经典的mcs-51内核，发展历史非常悠久，具有很多成熟可靠的设计案例，降低了设计者的学习成本。stc89c52零售价格仅几元钱，批发价格更低，非常适合用作大批量生产的火灾报警及消防联动装置的微控制器。扩展性方面，它具有32个通用i/o口，可以用于连接本次设计的各类外设。存储方面，它拥有8kb的flash存储器，虽然不算很大，但满足了此次设计的容量要求。速度方面，它的工作频率最大可到40mhz，本次设计采用11.0592mhz晶振，符合设计要求。中断方面，它提供了2个可用的外部中断，满足了至少要有一个外部中断口的设计要求。功耗方面，不考虑外设情况下，其典型功耗仅0.035w，满足了设计中以电池供电对连续工作时间的要求。
[0037]
如图3所示，本实用新型的电源电路采用两种供电方式，图3中（a）为usb供电，usb接口均可提供5v电压，以及大于500ma的供电电流。在测试中，声光报警装置在usb供电下，通过电流最大为200ma，这一数据满足了所设计的声光报警装置对于电压、电流的要求。可行性方面，使用家中的手机充电器即可为现场参数获取部分供电，用户不需另外配备专门的电源适配器。图3中（b）为干电池组或锂电池供电，利用三节1.5v干电池或是常见的3.7v手机锂电池作为供电，这样的设计可以实现独立于家庭用电工作，在没有电力供应时仍然能正常工作。可行性方面，按照一般锂电池3000mah容量计算，在最大功耗下可维持正常工作状态大约11个小时，满足了设计的要求。在关闭外设和联网功能情况下，可维持正常工作状态大约317小时（13天），符合设计要求。
[0038]
如图4所示，晶振电路是单片机最小系统的组成部分，单片机常用的时钟信号有两种，一种是外部时钟信号，一种是内置时钟信号。本实用新型所使用的stc89c52内置有时钟信号，故采用内置时钟信号。实现方法非常简单，在xtal1引脚和xtal2引脚串入一个石英晶振（频率在1.2mhz-12mhz之间，本设计采用11.0592mhz晶振），再在xtal1引脚和xtal2串入两个串联的电容（大小为30pf），两电容连接处接地即可。
[0039]
工作原理：石英晶振产生的振荡信号由xtal2引脚送入stc89c52的内部时钟电路，随后该振荡信号会被分频器二分频，产生两个时钟信号供给stc89c52使用。单片机会根据这两个时钟信号来协调单片机各个部分的工作，单片机的主频也与此信号相关。
[0040]
如图5所示，复位电路作为单片机最小系统组成部分，当报警装置出现运行异常时，可以通过复位的方式重启报警装置。本实用新型采用的stc89c52单片机自带一个rst复位引脚，该引脚采用高电平复位，只要保持两个机器周期的高电平便能使单片机复位。实现这个功能可以采用两种方法，一种是手动断电再启动，另一种是通过按键来进行复位。其中
最为常见的是采用按键进行复位，本次设计便是采用按键进行复位。
[0041]
工作原理：复位电路由微动按键、10uf电解电容、10k电阻组成。电解电容与电阻串联，当reset未按下时，电解电容进入充电状态，充电完成后rst引脚将被拉低，单片机不复位。一旦reset按下，vcc将直接与rst引脚相连，rst引脚处于高电平状态超过两个机器周期，单片机复位。
[0042]
如图6所示，矩阵键盘控制模块是现场参数获取部分的重要输入设备，它负责显示模式的选择、报警模式的选择、报警值的修改。本实用新型采用16个微动按键组成4
×
4矩阵键盘，之所以采用矩阵键盘而不是独立按键，是因为在同样16个按键下，独立按键要多占用8个i/o口。这样既不利于电路布局，也占用了过多i/o口，将导致i/o口不够用。4
×
4矩阵键盘电路连接方式也较为简单，把16个按键按4行4列排好，将每一行按键的左端连接在一起，每一列按键的右端连接在一起，再和stc89c52单片机i/o口连接在一起便完成了4
×
4矩阵键盘电路的连接。5
×
5、6
×
6、7
×
7矩阵键盘电路都是同样的操作。
[0043]
工作原理：与独立按键不同，矩阵键盘两端都和stc89c52单片机的i/o口相连，因此其采用的检测方法与独立按键检测方法不同。它的检测方法有很多种，最常见的就是行列扫描法和反转法，本实用新型采用的是行列扫描法。行列扫描法的基本方法为，先让行信号为低电平，然后检测列的电平，检测到某一列为低电平则可以确认按下的按键在第几列。接着让列信号为低电平，然后检测行的电平，检测到某一行为低电平则可以确认按下的按键在第几行，这样便确定了所按下按键的行列值。此外，按键按下后电平会有一段不稳定期，需要通过软件延时实现消抖，此次设计设置的延时时间大约为10ms。
[0044]
如图7所示，显示模块采用lcd1602液晶显示器，是现场参数获取部分的重要输出设备，除了百度物联网云平台的物可视，用户唯一了解报警装置状态和数据的便是lcd1602液晶显示器。在本实用新型中，之所以不采取数码管而是lcd1602液晶显示器，除了i/o管脚不够用之外，还有另一个重要原因便是美观。lcd1602液晶显示器共有16个引脚，其中需要与单片机相连的有11个引脚。vo引脚和电位器相连，可以通过电位器来调整vo引脚的偏压信号进而调整lcd1602液晶屏的对比度。值得一提的是，vo引脚电压越低对比度越强。lcd1602液晶显示器能够显示数字、字母、符号，共有2行16列共计32个字符显示区域。用户使用时只需要掌握一些常用的指令，便能使lcd1602液晶显示器显示包含在ascii 码内的字符。此外，lcd1602液晶显示器还可以自定义字符，自定义字符数目最多为8个，本次设计中添加了5个自定义字符。
[0045]
工作原理：lcd1602液晶显示器显示原理与数码管的动态扫描不同，使用时对指定位置写入数据，在没接收到新数据或是其它指令前，该位置会一直显示该数据。
[0046]
如图8所示，存储模块采用eeprom，用于保存用户设置好的报警数据。采用的eeprom型号为at24c02，它的存储容量为2k bit，远远满足了存储温度、烟雾浓度数据对存储容量的要求。其还具有抗干扰性强、功耗低的特性，保存的数据理论上100年都不会丢失。
[0047]
工作原理：at24c02共有8个引脚，其中scl、sda引脚与stc89c52单片机连接，通过i2c通信协议和stc89c52单片机进行数据交换，占用i/o资源少。
[0048]
如图9所示，由于mq-2烟雾传感器输出的是电压模拟量，为了获得烟雾浓度数据，加入了xpt2046模数转换器，用于将电压值转换为烟雾浓度值。xpt2046共有16个引脚，其中与stc89c52单片机相连的有din（串行数据输入端）、cs（片选信号）、dclk（外部时钟信号输
入）、dout（串行数据输出端）四个引脚，aux（adc辅助输入通道）与mq-2烟雾传感器模拟量数据口相连。
[0049]
工作原理：说起xpt2046模数转换器的原理，就不得不提到adc转换原理。一般来说，a/d转换依次经过采样、量化、编码三个过程。其中量化这一步又分为两种方式，一种是逐次逼近式，一种是双积分式。逐次逼近式每一次置数据最高位为1，与当前模拟量大小进行对比，如果小于则让最高位置1，否则置0。接着在已确定的位后面执行重复操作，直到确定最低位。本实用新型采用的xpt2046模数转换器量化方式便是逐次逼近式。双积分式利用运放、电容、电阻组成积分器，对模拟电压进行固定时间的积分，然后对标准电压进行反向积分，直到输出返回的起始值。积分时间和输入的模拟电压成正比，通过内部计数器便可以获得模拟电压量化后的数字量。
[0050]
如图10所示，mq-2烟雾传感器共有四个引脚，分别是vcc（电源+）、ttl（电平输出）、ao（模拟电压输出）、gnd（电源-）。其中设计用到的管脚为ao（模拟电压输出）、vcc（电源+）、gnd（电源-），ao（模拟电压输出）引脚与xpt2046模数转换器的aux（adc辅助输入通道）相连。ttl（电平输出）引脚可以通过调节电位器设置报警阈值，可作为报警备用接口，当单片机出故障时保证能够报警。
[0051]
mq-2烟雾传感器的核心部分是一个被封装在不锈钢网罩中，以三氧化二铝、二氧化锡组成的气敏层。为了保证发生明显的化学反应，mq-2烟雾传感器内置了用于加热的电阻丝，必须预热一段时间（约5分钟）才能获得较为准确的电压模拟量。除了对烟雾敏感以外，mq-2烟雾传感器对包括液化气（100ppm-10000ppm）、丙烷（100ppm-10000ppm）、丁烷（300ppm-5000ppm）、甲烷（5000ppm-20000ppm）、氢气（300ppm-5000ppm）、酒精（100ppm-2000ppm）在内的多种气体敏感，因此，mq-2烟雾传感器不仅可用作对烟雾的检测还可用作对有害气体的检测。在可靠性方面，mq-2烟雾传感器能够保证长时间使用下数据的准确性。
[0052]
工作原理：它的工作原理类似于气敏电阻，当可与气敏层发生化学反应的气体或烟雾进入反应空间，会导致材料电阻率改变，进而改变输出电压的大小。以mq-2烟雾传感器为例，其对烟雾的探测范围在100ppm-10000ppm，对应的输出电压为0-5v。输出电压和烟雾浓度大小成正比，为了应对季节变化带来的影响，设置的烟雾浓度报警值还应当考虑温湿度的影响。
[0053]
如图11所示，ds18b20温度传感器外观类似于三极管，是由美国dallas（达拉斯）公司推出的单总线数字式温度传感器。它共有vcc（电源+）、gnd（电源-）、dq（数据输入/输出）三个引脚，dq（数据输入/输出）引脚和stc89c52单片机相连。
[0054]
工作原理：ds18b20温度传感器是体积小巧、接口简单的数字式温度传感器，其工作原理也和一般的热敏电阻组成的测温电路不同。它主要通过低温振荡器、高温振荡器、计数器完成对温度的测量，其精度相当高，可以精确到0.0625℃。测温范围也很广，从-55℃到125℃，不仅可用作火灾报警，也可用在冷库等对温度有要求的场合。除此之外，它还可以实现多个传感器组网测温的功能。使用时只需要把多个ds18b20的dq引脚连接在一起，通过发送/接收指定编号的ds18b20温度传感器数据，便可以获得多个区域的温度数据。
[0055]
ds18b20温度传感器的使用方法也非常简单，它的典型使用过程为：复位、发送指定的skip rom命令、发送转换命令、延时一段时间、复位、发送指定的skip rom命令、发送读取存储器数据命令、连续读取出两个字节的温度数据（包含整数、小数部分）、结束。
[0056]
如图12所示，声光报警电路主要由继电器和声光报警模块组成，继电器允许通过的最大电压、电流为250v、10a，几乎可以外接各种常见的灭火用具及声光报警模块，可扩展性非常强。
[0057]
此外，之所以加入继电器，是因为无论采用usb供电还是电池组/锂电池供电，都无法满足声光报警模块对于电压、电流大小的要求。另外一个更重要的原因是继电器的加入可以满足不同用户对于报警装置的联动要求。用户不仅能外接声光报警模块，还可自行选购诸如电动阀门等装置，让报警装置具备自动喷水灭火等功能。
[0058]
工作原理：如上图所示，继电器有vcc（电源+）、gnd（电源-）、in（电压输入）、no（常开）、nc（常闭）、com（公共端）六个引脚，其中in引脚和stc89c52单片机相连，用于控制继电器的开闭。com引脚与声光报警模块的vcc引脚相连，no引脚和sgnd（声光报警模块电源+）引脚相连。其工作原理非常简单，当in引脚送入低电平时，电磁铁便会启动使得com端和no端导通，进而将sgnd送给声光报警模块发出声光报警。针对有特殊需求的用户，添加的联动模块可以按照图12接线方式与继电器相连，实现自定的联动设计，可大大提高报警装置的可扩展性。
[0059]
所述物联网模块包括微控制器、电源电路ⅰ、晶振电路ⅰ、复位电路ⅰ和通信电路，电源电路ⅰ为物联网模块提供工作电源，晶振电路ⅰ、复位电路ⅰ与微控制器相连，微控制器通过通信电路与控制器相连，微控制器与物联网云平台相连。
[0060]
如图13所示，微控制器采用esp8266，其零售价格不到10元，满足了设计之初对于降低成本的要求。此外，采用百度物联网云平台作为物联网云平台而不是搭建私有物联网云平台，也是为了降低设计成本、提高装置可靠性。esp8266配备32位超低功耗mcu，支持16位精简指令模式，主频最高支持160mhz，还支持rtos（实时操作系统）。最为重要的是其自带的wi-fi协议栈，设计者可以很方便接入互联网。设计开发也非常便利，借助开发手册和相关设计案例，设计者能很快上手，降低了学习成本。扩展性方面，esp8266模块提供了16个gpio口，满足了至少要有两个i/o口的要求。存储方面，esp8266模块外接了4mb的spi flash，满足了设计对esp8266模块存储容量的要求。功耗方面，在不考虑外设情况下，其典型功耗约0.5w，满足了设计中以电池供电时对连续工作时间的要求。
[0061]
如图14所示，电源电路ⅰ采用的供电电压为3.3v。通过bl1117低压差稳压器将usb接口的5v电压转为3.3v电压。使用时只需要将usb接口的vcc和bl1117的in（输入）引脚相连，gnd与bl1117的gnd引脚相连，再在in和gnd引脚、out和gnd引脚间串入10uf电容即可在out引脚处获得3.3v的电压。
[0062]
工作原理：电源电路ⅰ的核心是bl1117低压差稳压器，根据型号不同，可以提供1.8v、2.5v、2.85v、3.3v等固定电压输出。它的最大输出电流为1a，远远满足esp8266模块工作所需电流大小。bl1117低压差稳压器内部主要由串联调整管、取样电阻、比较放大器组成。它通过对比取样电压和基准电压，把二者差值经过放大器放大，控制串联调整管电压降，从而输出稳定的3.3v电压。
[0063]
如图15所示，esp8266可支持24mhz、26mhz、40mhz的晶振，其中晶体振荡器输出引脚的对地电容范围应在6pf-22pf，本实用新型中晶振电路ⅰ的xin引脚使用8pf对地电容，xout引脚使用10pf对地电容。此外，根据用户手册指示，晶振位置应该尽量靠近芯片的xtal引脚。走线还应该进行良好屏蔽，防止对射频电路造成电磁干扰。
[0064]
工作原理：esp8266采用的是基于机械谐振器件的时钟源。只要在晶体振荡器上施加交变电压，就会使晶片产生一定频率的振动。在正常工作条件下，晶体振荡的绝对精度可以达到百万分之五十。系统通过采用该晶振，便能协调各部分保持同步，使系统正常工作。
[0065]
如图16所示，由于esp8266模块没有电源开关，为了方便运行出错时重启系统，添加了复位电路ⅰ。与stc89c52采用的复位电路类似，esp8266模块的复位电路ⅰ也由微动按键、电容、电阻组成。复位电路ⅰ的连接非常简单，微动按键和100nf电容并联，电容左端接10k电阻，右端接地。电阻一端接3.3v，另一端和电容及esp8266模块的esp_rst引脚相连。
[0066]
工作原理：esp8266模块的复位电路ⅰ原理和stc89c52单片机的复位电路原理大体相似。当reset_12f未按下时，电容进入充电状态，充电完成后esp_rst引脚将被拉高，esp8266模块不复位。一旦reset_12f按下，gnd将直接与esp_rst引脚相连，esp_rst引脚将处于低电平超过两个机器周期，esp8266模块复位。
[0067]
如图17所示，为了使esp8266模块能从stc89c52单片机获得当前的温度、烟雾浓度等数据，设计中加入了能使二者进行数据交换的通信电路。它的组成非常简单，只有三条连接线，分别连接到stc89c52的外部中断口、通用i/o口、地。
[0068]
工作原理：该部分实现的原理主要通过中断和通信规则实现，esp8266每隔一段时间向stc89c52单片机发送外部中断请求，stc89c52单片机收到后立马执行数据传输子函数。二进制数据通过stc89c52单片机p22口的高低电平表示，esp8266模块的io5口按照通信规则获取该二进制数据，并进行解析还原。最后把解析还原的数据上传到百度物联网云平台，通过物可视呈现给用户。