业、自动化 DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2016.09.011 基于STM32的消防远程监测系统 廖芝逸,敖银辉 (广东工业大学机电工程学院,广东广州 510006) 摘要:为了实时监测火情,研究了一种基于STM32的远程消防监测系统,通过度的传感器布控,实时的将多种参数传 回主控中心,由上位机软件生成曲线,并结合具体参数实现环境要素的分析与计算。当险情发生时,立刻做出相应反应及 报警,避免更大危险的发生。结合计算机技术、数据终端技术对环境参数进行实时监控,及时反应,最大限度地保障人员 生命财产安全。 关键词:风电机组;STM32;消防;计算机技术 中图分类号:TP29 文献标识码:A 文章编号:1009—9492(2016)09—0048—06 Remote Fire Monitoring System Based on STM32 LIA0 Zhi—yi.A0 Yin-hui (College ofMechanical and Electronic Engineering,Guangdong University ofTechnology,Guangzhou510006,China) Abstract:For real time monitoring of the irfe,this article studies a remote monitoring system based on an STM32.Being Dispatched with multi-dimensional sensor,the real-time monitoring of various parameters can be delivered to the control center.Curve graph is generated by upper computer software.Moreover,it can also analyze and calculate various factors by combining speciic parametfers.When the fire occur,the system can response rapidly and activate the alarming,which could prevent the big disaster.Combined computer technology with data terminal technology,the system can monitor and response at a real time through the analysis of environmental parameters.So,it can prevent lives and property from danger. Key words:wind turbine generator;STM32;fire control;computertechnology 0引言 随着科技的发展和资源不断利用,风力发电 在能源发展趋势的影响下得到了广泛的应用。目 前我国风电机组累计装机容量114 609 MWt”。而 风力发电机组自身及其所处环境条件的特殊 性和复杂性,对消防系统应用的可靠性、有效性 和适应性都有很大的影响。因此,对于风力发电 机组火灾必须立足自救,采用自动探测、及时报 大多数风电机安装在偏远风口地区上,远离人 群,一旦出现火灾情况,无法依靠人力及时对火 情进行控制,风电机往往全部被烧毁,造成巨大 的损失。现在大多数风机的机舱内基本没有配备 消防监控系统,消防设施及其缺乏,当单个风机 起火时,救援人员无法及时进入风机塔内实施灭 火。另外,火灾自动探测报警设备中常用的装 置,如感烟、感温等智能点式探测器、线型感温 警、自动灭火的防范策略,研制一套新型的、更 为完备的风力发电机消防安全保护系统势在必 行。 1系统总体方案设计 本设计的数据终端部分以STM32为控制核 心,具备振动数据采集、烟雾采集、温湿度采 集、图像采集及手动功能,获得这几种环境参数 后封包为数据帧格式并通过串口通信的方式,传 至PC端,PC端由上位机软件对实时回传的温湿 度、烟雾、振动及远程图像进行分析、曲线绘制 探测器等,也大多针对火力发电厂或变电站使用 的,很难满足风力发电机组的特殊要求 。 收稿日期:2016—03—08 匪童 羔 匿盎 筮] 廖芝逸 等:基于STM32的消防远程监测系统 及数据显示,PC软件为工作人员提供直观的操作 工业皂 界面。图1为系统的总体设计结构框图。 ———] 以太网 ......STM32 __J 图2整体硬件方案设计 —] 手动报警 =0I 能最高的产品;基本型时钟频率为36 MHz,以16 位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能, 图1 系统总体设计结构图 是32位产品用户的最佳选择。两个系列都内置 从功能模块上分析,本系统主要由7个主要 32K到128K的闪存,不同的是SRAM的最大容量 模块构成,分别是STM32最小系统模块、振动采 集模块、烟雾探测模块、温湿度模块、摄像头模 块、串口模块及PC端软件,各传感器负责将模拟 信号转换为数字信号,以便与STM32的信号口对 接。当风机轴发生剧烈振动时,振动传感器探测 到振动信号后由STM32的内部自带AD转换口, 和外设接口的组合。时钟频率72 MHz时,从闪存 执行代码,STM32功耗36 mA,是32位市场上功 耗最低的产品,相当于0.5 mA/MHz。 STM32作为数据终端的控制核心,主要包括 传感器的信息获取及传感器信息的上传,是连接 传感器与Pc机的重要桥梁,STM32协调各个传感 器的采集任务,并对传感器信息进行初级处理后 以串口的形式,遵循串口协议往PC机发送数据 对振动数据进行AD转换并实现振动信号的采集。 而在东西达到着火点前,通常产生较大的烟雾, 由烟雾探头探测到的烟雾信号以rITrL电平形式送 给STM32的//O口,STM32以此判断是否有烟雾发 生。环境的温湿度利用专门的温湿度传感器进行 帧,完成数据终端的数据采集。 2.2摄像头0V7670 图像的采集由传感器OV7670完成,0V7670 转换,以单总线的形式回传当前温湿度数据。图 像采集则利用摄像头模块采集信号,并以SCCB协 议方式回传图片中的所有像素点,这些数据都被 封包为数据帧,利用STM32的RAM开辟缓存区进 行l临时存储,响应上位机软件的下发指令,通过 图像传感器,体积小、工作电压低,提供单片 VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过sC— CB总线控制,可以输出整帧、子采样、取窗口等 方式的各种分辨率8位影响数据。VGA图像最高 达到30帧/秒。可以完全控制图像质量、数据格 式和传输方式 。所有图像处理功能过程包括伽玛 串口转换,将数据帧传输到上位机,上位机解包 后显示,完成整个监测过车个,为了应急,增加 了手动报警,方便进行远程报警。 曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过sc— CB接口编程。OmmiVision图像传感器应用独有 2硬件方案选型与电路设计 总体方案主要分为传感器采集部分、核心控 制板与串口通信,传感器采集包括温湿度采集 的传感器技术,通过减少或消除光学或电子缺陷 如固定图案噪声、托尾、浮散等,提高图像质 量,得到清晰的稳定的彩色图像。 OV7670摄像头以SCCB总线的方式与STM32 进行通信,SCCB兼容IIC却又与IIC存在着细微的 DHT1 1、振动采集、摄像头OV7670图像采集以及 烟雾采集。如图2所示。 2.1 STM32 差别,故STM32采用GPIO模拟SCCB,OV7670数 据口分别接到STM32的PA0~PA7口,控制线cs 接PB8、RsT接PB9、LSET接PBl1、RD接 STM32系列主要专为要求高性能、低功耗的 嵌入式应用专门设计的ARM Codex—M3内核,增 强型系列时钟频率达到72MHz,是同类产品中性 PB10、VSYC接PB14,SCCB总线通信协议支持 、、、.上-业目动化 100Kbs或400Kbs的传输速度,可以满足图像传 输。 2.3振动信号采集电路 机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响 应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。它的电 路如图4所示。 U3 DATA NC 由于振动信号幅度和频率范围较宽,振动信 号的获取需通过前级电路进行处理后再送人AD转 3V3 R13 4.7k 一 VCC 1 T 2 PBZ 换,才能获得较高的信噪比,振动信号的前级电 路如图3所示。 3V3 3V3 3V3 GND —]DHT11 ;:- GND 图4 温湿度采集电路 DHT1 1采用单总线通信的方式,STM32的指 令下发与温湿度数据回传以半双工的形式共用一 条信号线,DHT11的DATA引脚连接到STM32的 PB2管脚,在DHT11的串行通信协议下操作 GND GND DHT11的温度采集、转换以及回传,为了提高数 据传输的稳定及准确率,需要在DHT1 1的DATA 引脚增加4.7k的上拉电阻。 2.5烟雾探测 图3 振动信号前级电路 振动信号由声电传感器Lsl将振动信号转换 为电信号,而LS1属于无源器件,需要对LS1提 供偏置直流,原理是不同的频率使LS1的电阻随 之变化,R28与LS1的节点电压由分压原理得到 变化的交流信号,该交流信号通过电容c3耦合到 低噪声放大管的基极,C3的作用是隔离信号中的 直流成分,交流信号直通。由Q1、R26、R27构 成的单管共射极放大电路中,信号从Q1的基极输 入,输出信号从Q1的集电极获得,实现对弱小信 号的放大作用,其中R27为Q1提供静态工作点, R26的作用是实现电流电压的放大,将Q1基极的 电流放大后,在Q1的集电极以电压的形式输出, 输出信号接到STM32的PB0进行AD转换。 2.4温湿度转换DHT1 1 烟雾探测使用市场上普通烟雾探测器成品进 行改造,经过剖解分析内部电路,探测烟雾部分 主要采用光电式传感器,当空气中的烟雾达到一 定的浓度阈值时,光电传感器的接收端信号减 弱,电平发生变化,触发IC进行蜂鸣器报警动 作,由于该成品在内部电路中无触发信号输出, 故从蜂鸣器的一端引脚进行电压采样,当蜂呜器 呜叫时,测量到最高电压为9 V,与STM32的 GPIO口不匹配,故对采样电压进行分压转换,使 输出电压最高不超过3_3 V,转换电路如图图5所 示。 温湿度的采集利用DHT11传感器,DHT11是 一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。精 度湿度±5%RH,温度±2℃,量程湿度20%一 90%RH,温度0 一50 。DHT1 1数字温湿度传感 2 器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合 传感器,它应用专用的数字模块采集技术和温湿 度传感技术,确保产品具有极高的可靠性和卓越 的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件 和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片 GND GND 图5 烟雾探测转换电路 R2为可调电阻,采样电压由P6输入,由R2 的抽头端获得采样电压,采样电压端连接到 廖芝逸 等:基于STM32的消防远程监测系统 工业自 STM32的PB1口,进行烟雾信息的判断,当探测 到一定浓度的烟雾时,PB1高电平,正常状态 下,PB1为低电平,STM32则根据PB1的电平状 态来判决是否有烟 雾。 2.6手动报警装置 921 600 bit/s,8位数据 位,1位起止位以及无校 验模式。摄像头的初始化 先配置SCCB,即对GPIO 进行初始化模拟SCCB通 信协议,再配置摄像头的 相关寄存器,包括亮度、 对比度、RGB传输格式、 采样点顺序等初始化。初 始化流程图如图7所示。 初始化工作完毕,系 统进人任务执行流程,优 图7初始化流程 系统提供手动报 警装置,可以在应急 情况下人为启动报 警,手动报警电路由 手动触发开关构成, 开关信号连接到 STM32的PC13管 脚,如图6所示。 图6手动报警装置 先响应串口数据,串口的传输周期为1 S,当系统 检测到串口数据为ACH时,将上一次的采样数据 放人缓存变量,并通过串口发送到上位机,发送 2.7串口通信 上位机跟数据终 端的通信采用STM32的串口资源,串口波特率最 完毕继续监测串口数据。当系统未检测到任何串 口数据时,进行振动数据采样、手动报警状态检 测、烟雾状态检测、温湿度数据采集,每一次采 高支持921 600 bit/s,使用2根线进行数据收发, 它能够简单的进行远距离通信,一根线在进行发 数据时,另外一根线可以同时的进行收数据,最 远通信距离达l 200 m,在本系统设计中,STM32 集的结果都通过临时变量缓存,等待上位机的获 取指令 。当系统检测到串口数据为55H时,系统 利用串口通信,将传感器信息封装为数据帧后, 响应上位机指令进行数据的上传,完成数据终端 的信号采集。 进入摄像头图像采集,摄像头每采集完一幅完整 的图并产生一个中断,STM32以数据流的形式向 串口传送数据,整体的任务逻辑协调过程如图8 所示。 3硬件程序设计流程 STM32的程序开发在Keil uVision4上进行, Keil uVision4引入灵活的窗口管理系统,使开发人 员能够使用多台监视器,并提供了视觉上的表面 对窗口位置的完全控制的任何地方。新的用户界 面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个 窗口,提供一个整洁,高效的环境来开发应用程 序。 3.1整体程序流程 STM32工作前对所有资源、外设等进行初始 化,为了使STM32能快速协调好各个任务,系统 初始化工作频率通过PLL倍频在72 MHz,在外部 晶振25 MHz的情况下,STM32支持最大的倍频频 率为72 MHz。初始化完毕对模块对应的GPIO口 进行初始化,初始化ADC,通道为8,对应PB0, 采集振动信号。串口初始化挂接到PD5和PD6, 作为USART2的收发端口,初始化波特率为 图8任务协调处理流程 自动化 3.2串口通信 500Hz,AD采样取14位,采样问隔At=1 ms,采 样长度为32个数据,放至数组ADA ̄ay中,等待 下一次的封包并串口发送 。 串口通信采用异步串行通信,抗干扰能力较 强,在本次设计中未使用校验字节1 ,具体的数据 包格式如表1所示。 表1 数据帧格式 4 PC端软件设计 PC端软件采用VC6平台,它是Microso ̄公司 推出的以C++语言为基础的开发Windows环境程 序,面向对象的可视化集成编程系统。它不但具 有程序框架自动生成、灵活方便的类管理、代码 编写和界面设计集成交互操作、可开发多种程序 等优点,而且通过简单的设置就可使其生成的程 整个数据包共37个字节,包含帧头、数据及 帧尾。帧头代表每一帧的起始字节帧,共2个字 序框架支持数据库接口、OLE2.0,WinSock网 络、3D控制界面。 该界面主要负责温湿度、振动数据显示,报 节,分别为A5H、BCH;帧尾代表每一帧的结 束,共2个字节,分别为A8H、D0H;振动数据 共32个字节,从字节3到字节33,温度、湿度、 烟雾、手动报警状态共占1个字节。 3。3摄像头信号采集 示 警状态、振动波形、温湿度阈值设置以及图像 摄像头信号采集利用OV7670的SCCB总线进 行通信,在本次设计中,采样的图像大小为320 X 240像素,像素点扫描的方式是逐行扫描,从上 到下、从左到右,每一个像素点用两个字节表示 RGB数值,在时钟线RCLK每一次的上升沿读出1 个像素点,保存为RGB565格式,共2个字节,由 于串口传输的速率有限,为了获得较高的图像传 输速率,故将RGB565格式转化为YUV格式,输 出共1个字节代表1个像素点,RGB565转化为 YUV的公式为: 川, 图9 PC软件及功能 连接硬件系统,打开串口后,软件主动下发 ACH指令,串口以921600的速率进行通信,收到 串口数据时,首先判断帧头帧尾,利用鸵鸟算 法,当不满足指定的帧头帧尾时,直接丢弃该数 ,—(R×38+G×75+BXin ——— —一 经过转换后,图像显示为灰度,利用人眼对 颜色的深浅识别特性,不同波长的光线进入视网 膜时,将产生某种颜色的感觉,通过该转换可以 在尽可能还原现场的情况下获得传输速率的提升。 3.4振动信号采集 据帧,等待下一次数据帧到来,显示的数据如图 10所示。 通过温湿度报警设置,选择合适的报警闽 值,当温湿度达到该阈值时,温湿度报警状态由 绿色切换为红色,同时,可以在灭火器状态框中 控制灭火器的开启与关闭,温湿度也可以从曲线 图中直观的了解到,红色波形为温度数据,绿色 为了真实的表达原来的振动信号,又兼顾 STM32的计算能力,根据Shannon采样定理知道最 低的采样频率为: ≥ 波形为湿度数据,蓝色为振动数据,显示周期为 300 S刷新一次。 影响振动信号精度的信号主要是采样方式、 采样周期和量化的精度,在本设计中的采样频率 为1 kHz,故适合采样的振动频率范围为0~ 当点击获取图像时,下发指令55H,收到串 口的图像数据流,每3秒获取一帧,了解现场情 况,图像效果如图11所示。 匦 丑鍪 廖芝逸 等:基于STM32的消防远程监测系统 工业自 [2]武在前.关于风力发电机 组加强火灾探测报警系统 与消防系统设计的研究 [J].中国勘察设计, 2011(12):98—99. [3]吕俊芳.传感器接口与检 测仪器电路版社.1994. [M].北 京:北京航空航天大学出 [4]王文中,郭楠,葛庆平. PC机与单片机串口通信 模型的设计与实现[J]. 首都师范大学学报:自然 图10数据与状态显示 科学版,2004(S1): 32-35. [5]席东河,马磊娟,杜娟. 单片机串口通信的调试 方法与技术[J].武汉 职业技术学院学报, 2010(03):41—44. [6]王晓东,刘春红,于鑫. 单片机和计算机的串口 通信[J].应用科技, 2003(O1):23—24. 第一作者简介:廖芝逸,男, 1990年生,广东河源人,硕士 研究生。研究领域:风电机组 自动消防控制系统。 图1 1 图像显示 (编辑:向 飞) 5结语 本文设计的基于STM32远程消防监测系统主 要应用于对远处的火灾的预警,以STM32为控制 核心,利用温湿度数据、烟雾数据、振动数据、 实时图像等环境参数实现远程监控,利用串口通 信使数据终端与PC端进行远程连接,在电脑界面 上实时掌控远程环境,在无人职守时能够自动预 警并及早做出防范措施,降低损失,文章重点阐 述了硬件设计及程序软件设计思路,实现远程监 控的目的。 参考文献: [1]中国可再生能源学会风能专业委员会(CWEA). 2010年中国风电装机容量统计201l(3):34—37. [J].风能,