摘要：本设计以地下停车场电动汽车停车位为核心应用场景，聚焦锂电池热失控早期预警难题，采用“多传感器融合监测+STM32 智能控制 + 物联网远程管控”的技术路线，完成火灾预警系统的硬件搭建、软件开发、系统集成与性能测试。项目整合温度、烟雾、氢气等核心风险参数，构建“数据采集— —智能决策— —分级处置——多端通知”的全流程闭环预警机制，搭载 APP 上位机，实现早期精准预警、自动应急处置与无盲区信息推送。本项目为新能源汽车充电安全提供了低成本、高适配、易推广的智能化解决方案，兼具学术研究价值与市场应用前景。

关键词：地下停车场；电动汽车；火灾预警；多传感器融合；STM32 ；物联网

基金项目： 吉林省大学生创新创业训练计划项目“地下停车场电动汽车停车位火灾预警系统设计”（项目编号：S202511437112）

0.引言

随着全球碳中和目标的全面推进，新能源汽车产业进入全面市场化拓展期，2023年全球新能源汽车全年销量超1600万辆，中国市场占有率提升至25.6%，成为交通领域绿色转型的核心支柱［1］。锂离子电池作为电动汽车的核心动力源，其热失控特性带来了严峻的消防安全隐患，电池热失控可在数秒内引发爆燃，释放大量HF、CO等有毒气体与可燃电解液蒸汽，同时具备复燃性强、扑救难度大的特点［2］，而地下停车场作为电动汽车停放与充电的核心场景，存在空间封闭、通风条件差、疏散通道有限的天然缺陷，火灾发生后极易引发“烟囱效应”与“多米诺骨牌效应”，造成重大财产损失甚至人员伤亡［3］［4］。

近年来国内地下停车场电动汽车火灾事故频发，暴露出传统消防系统的严重滞后性。2025年1月，山东省济南市某地下车库电动汽车短路起火事故，造成9辆汽车完全烧损、8辆汽车严重烧损；2026年4月，汕尾市某地下车库电动汽车冒烟起火，造成了较大的车辆财产损失。据中国消防协会统计，地下停车场新能源汽车火灾占比达38%，其中60%发生在车辆充电或静置阶段，传统消防系统已难以适配电动汽车火灾防控需求。

基于此，本文设计一套针对地下停车场电动汽车停车位的专用火灾预警系统，以STM32单片机为核心控制单元，通过温度、特征气体、红外火焰三类传感器融合技术实现锂电池热失控全周期风险监测，依托物联网技术构建轻量化远程管控体系，旨在解决传统消防系统“预警滞后、误报率高、车主无感知、处置不闭环、场景适配差”的核心痛点，为新能源汽车充电安全提供技术支撑。

1、系统总体设计

1.1.系统核心目标

针对地下停车场电动汽车火灾防控的行业痛点，研发一套集早期精准预警、自动化分级处置、多端无盲区通知、全生命周期远程管控于一体的火灾预警系统，实现对锂电池热失控风险的全流程闭环管理，同时兼顾产品的低成本、高适配性与易推广性，满足新建停车场配套与存量停车场改造的双重需求。

1.2.系统核心路线

基于STM32F103C8T6单片机的地下停车场电动汽车停车位火灾预警系统在总体架构上分为前端感知层、云端平台层、边缘计算层、终端应用层4层架构。前端感知层实时采集温湿度、气体、火焰等参数，构建系统的数据输入源；云端平台层基于MQTT轻量级协议接入机智云平台，实现海量数据的持久化存储、大数据可视化分析及远程指令下发。边缘计算层基于STM32单片机构建核心控制器，对采集数据进行毫秒级实时分析与异常判断。终端应用层开发轻量化APP程序，为用户提供直观的数据仪表盘、设备远程控制开关以及实时的故障报警消息推送服务。

本设计以STM32单片机为最小系统为控制核心，火灾预警装置结构整体框架图如图1所示，外接温度传感器、可燃气体传感器、红外火焰传感器、氢气传感器、电源模块、SIM800L模块等模块构成感知单元，由LED灯、蜂鸣器组成声光报警单元，由按键构成触发控制单元。

图1 火灾预警装置结构整体框架图

1.3.系统工作流程

本装置将各部分结合起来通过感知单元的各个模块，对周围环境进行监控，传感器将采集的数据传输至STM32单片机，经由RS-485总线传输至上位机，使用MQTT接收设备信息，并在APP上体现出实时环境参数，进行信息处理；上位机将监测到的各类数据与设置的报警值进行比较，若低于设置的报警值，则OLED显示屏显示设备运行环境正常，蜂鸣器不响，LED灯保持原样；若超出设置的报警值，那么液晶屏显示报警信息，并且蜂鸣器发出报警，LED灯也会发出预警信号；处理结果会传输至上位机，并进行数据记录，最后通过短信的形式通知车主和运维人员。并且本装置为了更好地进行预警，本装置相对于传统火灾预警装置做了一些特殊的优化，如增强了对氢气、HF等气体的敏感度，通过这些优化使对电动汽车的预警效果变得更加理想。

2、系统硬件设计

2.1.核心控制器模块

本装置以STM32F103C8T6单片机为主控芯片，感知系统进行现场数据采集，通过AD和单总线通讯将数据实时传输至单片机，单片机将传入数据进行处理与分析，对现场采集的数据进行阈值判断做出分级预警响应。

2.2.温度传感器模块

使用DS18B20温度传感器模块对环境中的温度进行监测，当温度异常时，将温度参数传至核心控制器模块，当超过设定阈值时，系统启动声光报警及上传报警信息到上位机，切断电源，控制水泵的继电器闭合，使用水基灭火器对环境进行降温处理。

2.3.气体传感器模块

使用MQ-2烟雾浓度传感器及MQ-8氢气传感器对充电过程环境进行检测，当烟气或氢气浓度超过20%时，系统启动声光报警及上传报警信息到上位机，切断电源，控制水泵的继电器闭合，使用水基灭火器对环境进行降温处理。

2.4.红外火焰传感器模块

使用红外火焰传感器模块，监测火焰的有无，当出现明火火焰时，红外火焰传感器模块及时识别并将信息传递至核心控制器模块，系统完成自动声光报警。

2.5.SIM800L模块

使用SIM800L模块，当设备出现问题会通过短信的形式通知车主和运维人员。

2.6.MQTT模块

使用MQTT接收设备信息，并在APP体现出实时环境参数，并且可以在上位机上控制水泵、风扇及声光报警的启停。

2.7.执行机构模块

（1）风扇

搭载直流散热风扇，由继电器控制启停，当电池温度超过45℃时自动启动，对电池包进行强制风冷降温，实现热失控早期干预；

（2）水泵

联动水基灭火系统的水泵继电器，当监测到明火、烟雾浓度严重超标时，自动闭合继电器启动水泵，通过车位专属喷头进行水基灭火，抑制火势蔓延，适配电气火灾扑救需求，对设备无二次伤害；

（3）声光报警

由高亮红色LED报警灯与有源蜂鸣器组成，触发预警后立即启动，高分贝声响与强光警示可快速提醒现场人员，同时震慑无关人员靠近危险区域。

3、系统软件设计

3.1.开发环境与工具

软件设计采用Keil5作为主开发环境，Keil5是一款由Keil Software公司开发的集成开发环境（IDE），专为嵌入式系统开发而设计。它提供了完整的开发工具链，包括代码编辑器、编译器、调试器和仿真器等，使得嵌入式开发者能够更加便捷地进行软件开发和调试，软件支持WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。Keil5具有代码编辑器、编译器、调试器和仿真器的作用。

3.2.STM32主控程序流程设计

当通上电后，系统会对各个硬件部分进行初始化，包括STM32F103C8T6芯片内部各模块的初始化，通过HAL库配置STM32系统时钟、GPIO引脚模式、ADC与UART模块，以及各外部模块包括传感器模块、显示模块、报警模块等初始化。之后各传感器采集模块开始检测家庭内部环境的参数，并将这些参数传送给主控模块，主控模块通过对数据进行融合计算，并与阈值进行比较，当得到的火灾概率大于设定的阈值时，则触发蜂鸣器报警装置，并将相关数据参数上传到云平台进行存储。

4、系统测试

4.1.系统软硬件集成联调

在硬件模块集成方面，完成核心控制板的原理图，完成元器件焊接与硬件打样；将传感器模块、执行机构模块、通信模块、人机交互模块与主控板进行电气连接，完成硬件整机装配；对硬件电路进行通断测试、短路测试、过压测试，确保硬件电路无电气故障，各模块供电正常。

在软硬件联合调试方面，基于Keil5平台完成单片机底层程序编写、编译与烧录，分模块完成功能调试方面，传感器调试：完成三类传感器的驱动程序开发，验证数据采集的准确性与稳定性，校准传感器参数；控制逻辑调试：验证阈值判断、分级响应、继电器控制逻辑的准确性，确保不同预警等级下执行机构动作符合设计要求；通信调试：完成RS-485本地通信、MQTT云端通信、GSM短信通信的程序开发与调试，验证数据传输的稳定性与准确性，确保指令收发闭环；全流程联调：模拟不同风险场景，验证系统从数据采集、风险判断、联动处置到信息通知的全流程功能完整性，排查并解决程序BUG与硬件故障，确保系统整体运行稳定。

4.2.测试环境搭建

在实验室搭建模拟地下停车场环境的测试平台，模拟地下停车场封闭、潮湿、电磁干扰的运行环境，对系统的功能完整性、性能指标、环境适应性进行全面测试。测试平台核心组成包括：系统硬件整机：主控板、全套三类传感器模块、执行机构、通信模块、人机交互模块；模拟测试设备：模拟充电负载、氢气/一氧化碳标准气瓶、温控加热台、打火机火焰模拟装置、电磁干扰发生器、温湿度调节箱；测试辅助设备：示波器、串口调试助手、标准温度计、万用表、功率计、网络分析仪；软件平台：Keil5开发环境、机智云物联网平台、APP上位机调试后台。

4.3.系统综合测试

为验证系统功能与性能，在模拟地下停车场环境下开展综合测试，结果如表1所示：

表1 系统综合测试结果

由表1可知，系统可稳定完成数据采集、风险判断、联动处置和远程通知，响应时间、误报率及预警提前量均满足设计要求

综合测试表明，系统整体运行稳定，能够实现地下停车场电动汽车火灾风险的早期识别与分级处置。针对测试中出现的传感器轻微波动和短信延迟问题，已通过滤波优化和短信重发机制进行改进，提高了系统可靠性

5、结果分析

全面的功能测试与性能测试，本系统所有核心功能均实现设计目标，性能指标满足设计要求，在地下停车场模拟场景下运行稳定，可精准识别锂电池热失控全周期风险，实现分级联动处置与多端无盲区预警，有效解决了传统消防系统的行业痛点。

6、结论

本文针对地下停车场电动汽车火灾防控的行业痛点，设计了一套基于STM32单片机的多传感器融合火灾预警系统，完成了系统总体设计、硬件开发、软件编程、系统集成与性能测试，在地下停车场电动汽车火灾早期识别中具有一定可行性，可为后续工程应用和进一步实验研究提供参考。

参考文献

［1］中共中央国务院.关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见[Z].北京：人民出版社，2021.

［2］Dai Y， Panahi A. Thermal runaway process in lithium-ion batteries： A review[J]. Next Energy，2025，6：100186.

［3］郭彬毅，孙军.地下停车场电动汽车火灾处置研究[C]//中国消防协会，中国人民警察大学.2025年度灭火与应急救援技术学术研讨会论文集-火灾扑救.浙江省杭州市消防救援支队;，2025：7-11.

［4］杨亚鹏.考虑纯电动公交车火灾特性的地下交通广场消防设计策略研究[D].中国计量大学，2024.