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摘要：针对各地火灾频发且无法及时发现的弊端，开发了一种基于LABVIEW的火灾预警系统。利用无线传感网络技术，构建了一种基于LABVIEW的火灾实时监测预警系统的框架及其实现方案。该技术以STM32F767芯片为核心，通过烟雾检测器和温度传感器对烟雾和温度变化进行记录，将数据发送到单片机中进行处理，最后将处理好的数据发至上位机，并以LABVIEW为开发平台，构建了基于LABVIEW的数据收集、处理、监控以及警报的预警系统。

关键字：火灾预警；LABVIEW；STM32；GSM无线传输技术；CAN总线

中图分类号：TP277

0.引言

火灾报警设备是人类与火灾斗争时至关重要的手段，在现代各种场合的防火中有着十分重要的意义。在各种灾害中，火灾是直接影响公共安全和经济社会生活中最为普遍的重大灾害之一。对火灾事故来说，及时预防措施远比灾后挽救重要的多，但鉴于目前火灾预警系统还面临着成本、技术困难等问题，因此使用并不普遍[1]。为解决这项人们日常生活中容易遇到的难题，目前正在研发和设计一种以STM32为总控制芯片，融合了CAN总线、GSM远程数据传输技术和LABVIEW开发平台做上位机的火灾预警系统。该系统可以实时监控各个采集节点的烟雾温度数据，并通过烟雾感应器和温度传感器给主节点的系统进行管理和指示，同时还可以将烟气含量数据通过CAN总线上传给上位机设备，从而完成了对火灾数据本地和远距离的实时监测。其各功能之间可以相互协调，最大程度的降低了火灾事故所带来的风险，有较高的经济意义和社会价值。

1.系统总体设计方案

系统使用了模块化设计思想，从功能上可以划分为三层结构，第一层是节点采集层，通过采集到声音源的芯片VS1003B和烟雾采集器MC14468，以及HTPA32x32d温度传感器，完成对烟气含量和温度数据的采集，并同时与主节点间完成数据传输。第二层则是以主节点的控制层，利用核心硬件STM32F767进行对烟雾浓度数据的采集汇总、储存、管理以及对本地的控制。第三层则是远程用户的使用层，把信息直接注入到LABVIEW的系统监控平台中，再通过GSM无线传输技术，在手机上就实现了对火灾的预警。一旦判断出突发火灾，烟雾、温度等发生了变化时，就将报警灯点亮，并进行声音告警，同时也对控制台进行了警报。控制设备端采用了G语言的上位机软件，通过设置不同的地址码，就可以同时与多台仪器同步通讯，控制着多台房间。上位机软件可以及时读出工作室内的烟雾和温度变化曲线，并把数据保存在自己的文本数据库中进行长期保存。系统总体框图如图1。

2.硬件设计

2.1系统CPU

选择了ST公司所提供的STM32F767作为系统CPU[2]，选择原因包括：

（1）采用了Cortex-M7的核心，并使用了大量DSP指令以及由ARM公司开发的DSP库，使得的运算速率大幅提高，在该芯片上能达到对数据实时监测和处理所需的计算速度。

（2）具备低功耗系统，即CPU可以通过HCLK分配时钟，并运行程序代码，以减少系统功耗。

（3）系统内部具有CRC循环冗余校验计算单元，以方便于CAN总线通信使用。

基于以上三点，能够满足本系统设计的需求。

2.2数据采集传感器

2.2.1.烟雾探测器

烟雾探测器MC14468，采用了CMOS集成电路结构，所制造的离子感烟检测报警的电子器件。当检测到烟雾后，它会通过其外接的高压电式换能器，以及内置的声音控制系统发出报警声。其一般具备了如下的几个特性：

1.内含压电式蜂鸣器的启动回路，能够直接启动蜂鸣器；

2.探测信号输入端具有保护二极管;

3.探测阈值，即灵敏度可利用电阻来设定；

4.还带有一个I/O脚，使四十多个报警模块可以相互连接在一起，构成了一种多点报警的区域系统[3]。

2.2.2声音解码器

声音源解码芯片为VS1003B。其内部它包含了一个高性能、具有完全自主产权的低功耗DSP处理器内核，串行的控制和数据接口，以及四个常规用途的I/O口，为调试准备了一个UART接口，也有一个高品质可变采样端的ADC和立体声DAC。除了上述最基本的解码功能外，而且它还具备了灵活、强劲的数据处理功能、以及大量的内存、外设等特性[4]。

2.2.3.温度传感器

HTPA32X32d还设计了高性能的优质数字信息热电堆红外阵列。在其金属外壳中，拥有32x32个像素。并使用了集成的光学透镜系统，而热电堆阵列则使用了完全无风百叶窗结构，非直接冷却方式，从而保证了低功耗和高性能。

2.3通讯模块

2.3.1 CAN总线技术

CAN总线技术是控制器局域网的简称，是ISO等国际规范所要求的串行通信协议，该技术广泛应用于火灾预警系统。CAN作为现场总线技术有着以下好处：周期较短，效率高，安全性高。从上位机可以接受状态信息，以及响应时间报警。CAN总线收发器通过将传感器获得的信息送到主控部分，完成处理，再通过接收器送到上位机[5]。

图4中标号为U7的芯片是CAN总线转发器芯片，型号是TJA1050。STM32F767单片机内置有CAN总线控制器，可用硬件实现CAN总线通信协议，但单片机硬件协议在端口上还是以TTL电平输入输出，而真正的CAN总线是有特殊的差分电平规范的，所以要外接一个CAN转发器芯片来做电平转换，TJA1050芯片的右侧是连接单片机的部分，通过P17跳线与PB8和PB9端口连接，芯片左侧是连接外部CAN 设备的接口端子。

2.3.2 GSM无线传输技术

GSM意为全球的移动通信系统。基于GSM网络远程控制与报警系统，充分发挥其网络覆盖面积大，保密性强，无距离障碍，成本费用低等特点，同时缩小了装置的体积，延长了电池的有效利用时间[6]。此外STM32主控系统还能够利用GSM无线功能，向上层的移动用户传输火灾数据，并由此实现了远程对火灾状态的监控。形成实时数据采集与远程控制相结合的智能化火灾预警系统。

3.软件设计

软件主程序设计是下位机软件系统的核心，是系统实现数据采集、处理、传送和信号接收的中心。当传感器收集到信息之后，把信息传入到STM32F767单片机当中，同时信息再通过STM32F767再传给PC主机。火灾预警系统中心节点可以直接通过串口与上位机进行通信。数据与上位机进行串口通信前，要对串口进行配置，使得计算机串口的参数设置与仪器设备保持一致，以确保通信的正确进行。LABVIEW平台系统能够判断出烟雾、温度等发生变化的情况，一旦判断出是由于环境出现了火灾，从而使得烟雾、温度发生了变化，随即对LED指示灯予以点亮，并进行声音告警，同时也对主机进行了报警等工作。图5是控制系统主程序的流程图[7]：

4.基于 LABVIEW 的监控报警平台设计

4.1 串口部分

该部分通过LABVIEW平台开发，主要完成数据接收、火灾监控、火灾报警等功能，平台加入了VISA程序库，能够实现与下位机系统的通信[8]。这个基于LABVIEW的监控报警平台，可以同时实现火灾监控和火灾报警两大功能。它包括串口设置、采集数据显示波形、记录表格、报警阈值设定等。利用LABVIEW的 VISA库提供了VISA串口初始化、VISA打开、VISA写、VISA读、VISA关闭等控件，可以很方便的设置串口[9]。

4.2 数据处理模块

如图6所示为本监控报警平台的火灾监控面板，该图为LABVIEW的温度采集和读取模块，将传感器收集到的数据通过单片机发送到LABVIEW，作为输入信号，通过一系列流程进行数据处理和监控。图7则是同理。在对这些数据进行了分析和处理之后，将这些数据传输到显示面板上进行显示，并将这些数据存储到数据库中。与此同时，监测每个节点的数据值，并与预警值相对比，若多次超出预警值，就会在警报灯亮起来的时候，操作开启这个系统，持续地对这些数据进行采集和监测。

4.3 监控读取模块

如图9、10所示，从单片机传输来的数据发送到LABVIEW作为上位机，系统监控平台时检测场所的温度变化，当温度升高到阈值时，发出警告，其各功能之间可以相互协调，从而能够在火灾爆发的前期及时对火灾事故实施报警，可以对火灾发生状况进行灵活和精确的预警。另一方面，还可以实时记录数据，方便查找统计通过分析统计数据从而可以最大程度的降低了火灾事故所带来的风险，有较高的经济意义和社会价值。

5.结语

本系统通过传感器收集烟雾、温度等变化，并用LABVIEW实时进行监控，并通过GSM将信息传送到设备。从而实现尽早发现火灾，达到了真正的智能化火灾预警。而最终的实验结果，也证实了本系统相较于传统的烟雾报警器可以通过技术设备实时监控场所内温度及烟雾情况，并当火灾发生时，可以提前发现火情，并及时的向上反馈，具有较好的火情预警效果。基于CAN总线的火灾预警系统，既降低了传统火灾预警系统的建设成本，也提高了系统的稳定性，同时也具备了很强的灵活性，在配合其他相关技术的前提下，能广泛地应用于各种环境下的火灾预警以及消防。通过GSM无线通讯传输技术，将通过LABVIEW检测到的火灾现场情况及时反馈到设备上，能及时接收到由上位机发送的火情警报。在没有发生火灾时，把已收集的数据存入数据库，方便用户查阅，以及未来数据的使用。该方法延续传统的火灾监测与报警系统，并在此基础上进一步创新发展，通过传感器的火灾监控与预警系统数据库的大量历史数据和LABVIEW的实时监控，保证了整个系统能够尽可能的记录下人们日常生活中烟雾、温度等变动，从而更准确、更灵敏对火灾起到预防效果。

参考文献

[1]张孟媛，张莹.基于物联网技术的火灾预警系统设计[J].电子测试 2022，36（17）：27-29，126.

[2]刘明，曹银杰.基于人工神经网络的火灾预警系统[J].现代计算机，2020，（12）：128-131.

[3]刘瑞涛.基于单片机控制的无线烟雾检测报警系统[J].黑龙江科技信息，2014，（08）：44-46.

[4] 马志强，王建刚，张德兴.基于VS1003B的语音通信方法研究[J].电子设计工程，2015，23（03）：178-181

[5]叶岍，王莉，程汉.基于CAN总线的实验楼火灾预警系统[J].长江技术经济，2020，4（S1）：32-33.

[6]陈之酉.基于单片机和GSM模块的智能火灾报警系统设计[J].无线互联科技，2022，19（05）：61-62，135.

[7]华健，黄飞，任浩，周启航.校园智能火灾预警系统设计与实现[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2021，44（03）：75-78.

[8]雷淑芳，刘士兴，廖福宁，刘光柱，黄飞.基于LABVIEW的火灾探测器标定控制系统[J].国外电子测量技术2021，40（06）：9-13.

[9]黄建宇，张启升，宋成军，申文强，庞仁治.基于LABVIEW的多传感器火灾远程监控报警系统的实现[J].科技信息2010，（07）：15-17.