某遠(yuǎn)程智能火災(zāi)報警系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24411某遠(yuǎn)程智能火災(zāi)報警系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例 1180491系統(tǒng)的硬件及電路設(shè)計 1225961.1主機(jī)硬件 135311.2煙霧探測模塊 3111241.3火焰?zhèn)鞲衅髂K 5234641.4WiFi模塊 791341.5LCD液晶顯示模塊 995111.6繼電器驅(qū)動模塊 10107031.7風(fēng)扇驅(qū)動電路原理 12326532系統(tǒng)的軟件設(shè)計 1257272.1系統(tǒng)軟件總體框架 13552.2子程序 1452342.3云平臺介紹 1831802.4應(yīng)用層軟件設(shè)計 191系統(tǒng)的硬件及電路設(shè)計1.1主機(jī)硬件單片機(jī)，常用mcu來表示，作為微控制器的一種典范，是嵌入式結(jié)構(gòu)的，工業(yè)控制領(lǐng)域是其最早的使用領(lǐng)域。單片機(jī)芯片上集成了微機(jī)系統(tǒng)，其采用超大規(guī)模的電路技術(shù)并非是為了實現(xiàn)簡單的邏輯功能。而與計算機(jī)不同的是，單片機(jī)沒有外圍設(shè)備。由于成本低、尺寸小、對開發(fā)環(huán)境的要求低、方案資源豐富以及比較簡單的開發(fā)工具和編寫語言，單片機(jī)在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中智能化的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于通信產(chǎn)品、家用儀表電器、AI機(jī)器人、工業(yè)控制領(lǐng)域以及辦公自動化場景中。同時，它使人們對于計算機(jī)工作原理與總體結(jié)構(gòu)有更深入的了解，便于人們學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。根據(jù)多方面比較，本設(shè)計采用STC89C52RC型單片機(jī)作為主控硬件。1.1.1STC89C52RC單片機(jī)STC89C52RC是8位微控制器，具有8k大小程序存儲器，與電腦硬盤類似，數(shù)據(jù)保存的時間長。8位CPU使得大多數(shù)嵌入式的控制系統(tǒng)在STC89C52RC的應(yīng)用下有較高的靈活度，從而降低開發(fā)系統(tǒng)的研究與設(shè)計成本。它包括了以下幾種功能：8k大小的Flash，用于系統(tǒng)編程；512字節(jié)的RAM用來存放變量，可讀可寫；32個引腳可作為I/O口，共有四種模式：準(zhǔn)雙向口模式，推挽模式，高阻模式，開漏模式；一個計時器，用于系統(tǒng)復(fù)位；內(nèi)置4KB的三管腳的復(fù)位芯片和只讀存儲器的復(fù)位電路；多個計數(shù)器；支持雙向通信的串行口和一個中斷結(jié)構(gòu)。當(dāng)開始靜態(tài)邏輯操作，即功率降低到0Hz時，有2種節(jié)電模式REF_Ref649\r\h[11]。若某一時間沒有程序運(yùn)行，則CPU不工作，RAM、定時器、I/O口、中斷等依舊處于工作狀態(tài)。它具有功能損耗較低、性能較高、程序設(shè)計和燒錄更簡單的特點(diǎn)。其封裝圖如圖3-1所示。圖3-1STC89C52RC引腳封裝圖1.1.2單片機(jī)電路原理復(fù)位電路的目的是讓電路進(jìn)入按需所置的某種狀態(tài)，起到恢復(fù)電路到初態(tài)的作用。復(fù)位電路能夠在系統(tǒng)上電后自動啟動、手動復(fù)位和按照程序啟動三種形式啟動運(yùn)行。一般的復(fù)位電路通過電容和電阻組合來實現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位是為了更新默認(rèn)數(shù)據(jù)，一般在特殊寄存器內(nèi)工作。如果單片機(jī)由于外部原因使寄存器中的數(shù)據(jù)變得雜亂，而非操作方面的失誤，導(dǎo)致不能正常運(yùn)行程序或是結(jié)果出錯，則需要重新啟動程序，使電路從錯誤的邏輯中跳出。晶振電路給整個電路提供CLK信號。單片機(jī)執(zhí)行指令時，由晶振電路和中央處理器形成一個回路，結(jié)合外部晶振震蕩，保證整個電路正常運(yùn)作。常見的振蕩器大多使用石英晶體，電容大小大約是20pF。在單片機(jī)中石英晶體與內(nèi)部震蕩電路一起工作，提供穩(wěn)定的信號。本設(shè)計中晶體振蕩器為11.0592MHz，加入電容對系統(tǒng)穩(wěn)定工作起到有效保障的作用。晶振與復(fù)位兩個電路與單片機(jī)一同組成了最小系統(tǒng)，如圖3-2所示。圖3-2單片機(jī)最小系統(tǒng)圖1.2煙霧探測模塊煙霧傳感器在檢測煙霧濃度方面被廣泛利用。本設(shè)計選取MQ-2煙霧傳感器，該型號傳感器通常用于檢測氣體是否泄漏，適合液化氣、酒精濃度、氫氣、煙霧、烷類氣體等檢測。1.2.1MQ-2煙霧傳感器介紹市面上的煙霧傳感器有兩種，即離子式和光電式。MQ-2煙霧傳感器使用離子形式進(jìn)行煙霧探測，對各種體積的煙霧顆粒都有很高的靈敏度，可準(zhǔn)確識別探測氣體REF_Ref574\r\h[12]。二氧化錫(SnO2)是一種檢測氣體成分、濃度的材料，置于煙霧傳感器內(nèi)部，電導(dǎo)率在清潔空氣較低。在正常工作時，二氧化錫通過與氧氣的結(jié)合，當(dāng)環(huán)境中存在其他可燃?xì)怏w或者煙霧時，使傳感器元件內(nèi)部密度降低，相對提高其電阻；當(dāng)有煙霧接觸至傳感器時，就會改變其內(nèi)部密度從而降低其電阻。因此，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度改變時，二氧化錫的電導(dǎo)率也會產(chǎn)生相應(yīng)變化，則表明可燃?xì)怏w存在。在簡單的電路幫助下，也能實現(xiàn)將不同級別的電導(dǎo)率與相應(yīng)的氣體濃度輸出信號進(jìn)行匹配。該型號的傳感器具有以下特點(diǎn)：（1）具有信號輸出指示。（2）模擬量和TTL電平信號輸出（3）TTL輸出數(shù)據(jù)在低電平情況下有效。（4）模擬量輸出0~5V電壓，電壓隨濃度的升高而增大。（5）對液化氣，烷類氣體、天然氣有較好的靈敏度。（6）使用壽命長且設(shè)備穩(wěn)定可靠（7）快速的響應(yīng)恢復(fù)特性它以模擬電壓的形式向A/D轉(zhuǎn)換電路發(fā)送模擬信號，而由于單片機(jī)只能識別數(shù)字量，需要進(jìn)行對信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，將得到的煙霧數(shù)字量傳給中央處理器中。其實物圖如圖3-3所示。圖3-3煙霧傳感器實物圖1.2.2ADC0832介紹ADC0832是8位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，與單片機(jī)串行連接。最高分辨為256級，可實現(xiàn)大多數(shù)情況下的模數(shù)信號轉(zhuǎn)換。該芯片能夠以雙數(shù)據(jù)輸出完成數(shù)據(jù)校驗，工作速度快且模數(shù)信號轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性高。具有獨(dú)立的使能輸入，使處理器控制變得更高效，器件連接變得更簡潔。有功耗低，性價比高的特點(diǎn)，適用于小型智能儀器儀表。通過數(shù)據(jù)輸入端選擇通道功能。其主要特點(diǎn)如下：（1）8位分辨率；（2）5V單電源供電；（3）輸入電壓最低為0V，最高為5V；（4）輸入和輸出電平與TTL和CMOS兼容；（5）在時鐘頻率為250KHZ時，轉(zhuǎn)換時間短；（6）具有兩個可供選擇的模擬輸入通道；（7）功耗低，一般處于12~15MW之間。ADC0832各引腳及功能如圖3-4所示：（1）CS_，片選使能，高電平時不工作。（2）CH0、CH1，通道為0或1，也可當(dāng)做正、負(fù)輸入端使用。（3）GND，接0電位。（4）DI，數(shù)據(jù)輸入，可通過該引腳選擇由哪個通道控制。（5）DO，數(shù)據(jù)輸出，可通過該引腳轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并將其輸出。（6）CLK，芯片時鐘輸入。（7）VCC，接正電源。圖3-4ADC0832引腳圖1.2.3煙霧采集及A/D轉(zhuǎn)換電路原理在火災(zāi)起始時期，煙霧檢測是尤為重要的一環(huán)。MQ-2煙霧傳感器收集到的環(huán)境信號值均為模擬量，需要通過AOUT引腳通過通道0傳入A/D信號轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后將精確的煙霧濃度值傳入單片機(jī)。A/D轉(zhuǎn)換部分采用利用率較高且轉(zhuǎn)換率較準(zhǔn)確的ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)穩(wěn)定地發(fā)送至單片機(jī)。如果氣體濃度上升，則傳感器的輸出電壓增大，轉(zhuǎn)換后的數(shù)值相應(yīng)增加。MQ-2煙霧傳感器采集及轉(zhuǎn)換連接電路如圖3-5所示。圖3-5MQ-2煙霧傳感器連接轉(zhuǎn)換原理1.3火焰?zhèn)鞲衅髂K火焰?zhèn)鞲衅魇歉邷丨h(huán)境下固體微粒的結(jié)合，包括了許多燃燒產(chǎn)物、燃燒中間物、碳?xì)浠衔铩o機(jī)物以及高溫氣體。由火焰自身溫度變化而產(chǎn)生電磁輻射能量的情況可分為氣態(tài)輻射和固態(tài)輻射。光譜的離散程度決定了輻射的狀態(tài)，氣態(tài)情況下的光譜是離散的，而固態(tài)情況下的光譜是連續(xù)的。火焰輻射強(qiáng)弱與燃燒物材質(zhì)有關(guān)，會隨其材質(zhì)變化而產(chǎn)生變化，波長分布也因此而改變，但就總體來看，當(dāng)火焰溫度輻射處于能見光和中紅外波長的范圍內(nèi)或為部分微米輻射的輻射強(qiáng)度很大,火焰?zhèn)鞲衅鞯闹谱鞔蠖嗷诖颂匦?。?jīng)研究火焰的靈敏度會發(fā)現(xiàn)該傳感器對其極為敏感，縱觀市面上的AI智能機(jī)器人對火焰的感知都來自于該傳感器REF_Ref32441\r\h[13]。此外，對于光線亮度的強(qiáng)弱均可利用該傳感器來測試。1.1.1火焰?zhèn)鞲衅鹘榻B在日常生活中，觸及易燃易爆場景時火焰?zhèn)鞲衅魍ǔ１焕糜谕晟苹馂?zāi)消防措施，能夠及時發(fā)現(xiàn)火焰的存在?；鹧?zhèn)鞲衅鞅举|(zhì)上是一個紅外線接收管，依靠紅外線特性——火焰靈敏度所制作，由其探測火焰后，根據(jù)亮度強(qiáng)弱轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的高低電平，再輸入到單片機(jī)中。當(dāng)光源波長處在大于760納米且小于1100納米的區(qū)間內(nèi)或產(chǎn)生火源時，均可使用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測。當(dāng)傳感器檢測角度處于60度，對火焰光譜反應(yīng)最為靈敏。它的工作溫度大于-25攝氏度且小于85攝氏度，傳感器性能穩(wěn)定可靠。若是環(huán)境檢測到火焰或是光源，火焰?zhèn)鞲衅髂K通過D0數(shù)據(jù)位輸出高電平；反之，由D0數(shù)據(jù)位輸出低電位。數(shù)字量輸出D0引腳能夠與中央處理器直接相連，由單片機(jī)依據(jù)輸出量的變化對程序進(jìn)行處理。1.1.2火焰?zhèn)鞲衅饕_功能火焰?zhèn)鞲衅鞑捎盟木€制接口，其實物圖如圖3-6所示，各引腳功能分別為：（1）GND為接地電源（2）VCC接1.3V-5V正電壓（3）D0數(shù)字量輸出接口（4）A0模擬量輸出接口圖3-6火焰?zhèn)鞲衅鲗嵨飯D1.1.3火焰?zhèn)鞲衅麟娐吩碓诨馂?zāi)初期，首先，可燃物開始燃燒并在其表面產(chǎn)生氣體，隨后變成煙霧；其次，當(dāng)環(huán)境中充滿氧氣時，可燃物燃燒會產(chǎn)生火焰，不可見光和能見光，所以火焰檢測對于火災(zāi)報警也是非常關(guān)鍵的。根據(jù)亮度強(qiáng)弱轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的高低電平，再輸入到單片機(jī)中，再由單片機(jī)依據(jù)不同信號作出不同程序處理。圖3-7為火焰?zhèn)鞲衅鞑杉娐吩韴D。圖3-7火焰?zhèn)鞲衅鞑杉?.4WiFi模塊無線網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)是指通過無線電波傳輸并連接登錄互聯(lián)網(wǎng)的方式，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的當(dāng)下，市面上大眾所接觸及使用的pad電腦和便攜筆記本以及移動通訊設(shè)備大多都采用WiFi功能來使用互聯(lián)網(wǎng)。WiFi是目前應(yīng)用較為廣泛的通信方式REF_Ref68\r\h[14],利用成本低廉性能穩(wěn)定的ESP8266芯片,構(gòu)成一個無線的火災(zāi)報警系統(tǒng)。1.2.1ESP8266工作原理ESP8266采用UART協(xié)議（異步串口通信協(xié)議）接口進(jìn)行連接，實現(xiàn)WiFi遠(yuǎn)程的互聯(lián)通信REF_Ref172\r\h[15]。串口設(shè)備通過此模塊接入無線網(wǎng)絡(luò)。AT是一種串口調(diào)試指令，通常用來測試WiFi模塊的指令接收是否正常工作。發(fā)送指令A(yù)T時，若收到返回的OK值則說明AT指令工作狀態(tài)正常。WiFi模塊能夠接收云平臺發(fā)送的指令并產(chǎn)生中斷，同樣地，單片機(jī)也會將數(shù)據(jù)通過該模塊傳輸?shù)皆破脚_進(jìn)而轉(zhuǎn)發(fā)至用戶手機(jī)。它是嵌入式模塊，內(nèi)置互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和IEEE802.11協(xié)議棧,能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換REF_Ref228\r\h[16]，方便將各傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)WiFi傳至云平臺，亦可通過WiFi模塊將APP發(fā)出的指令傳至需要被控制的設(shè)備。在無線聯(lián)網(wǎng)中，WiFi模塊先掃描所有信道，為了搜索準(zhǔn)備與之連接的網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)由目的AP所創(chuàng)建。本設(shè)計采用ESP8266-01，它是個比較常用的WiFi模塊，具有體積小、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。1.2.2ESP8266引腳功能在ESP8266-01中實際可用使用的GPIO有四個GPIO0、GPIO2以及RX、TX，實物如圖3-8所示，其引腳功能分別為：（1）1.3V供電，避免使用5V供電；（2）RX，UART_RXD，異步串口接受端；（3）RST，外部復(fù)位引腳，低電平有效，默認(rèn)高電平；（4）IO0，GPIO0；有兩種狀態(tài)：一種是懸空，是Flash下載模式；另一種是下拉，為串口下載；（5）EN使能端口，高電平工作，低電平模塊不工作；（6）IO2，GPIO2，開機(jī)上電時為高電位，不允許下拉；（7）TX，UART_TXD，異步串口發(fā)送端；（8）GND接地引腳。圖3-8ESP8266-01實物圖1.2.3ESP8266電路原理WiFi模塊要與單片機(jī)連接才能進(jìn)行通信，ESP8266-01中引腳與單片機(jī)連接方式為：WiFi模塊的TX發(fā)射端接單片機(jī)的RX引腳，用于向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；WiFi模塊的CH_PD使能端接高電平1.3V處；WiFi模塊的RX與單片機(jī)的TX引腳相連，用于接收數(shù)據(jù)；WiFi模塊的VCC引腳接1.3V處；WiFi模塊的GND引腳接地；RST在低電平時進(jìn)行復(fù)位操作，默認(rèn)懸空；GPIO0和GPIO2懸空。其電路原理圖如圖3-9所示。圖3-9WiFi模塊原理圖由于ESP8266-01正常工作在+1.3V的電壓下，而整個電路的輸入電壓為+5V，所以需要轉(zhuǎn)接一個電壓調(diào)節(jié)器，在本設(shè)計中，使用AMS1117電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換工作，且保證本次設(shè)計工作電壓穩(wěn)定，完成一系列工作。AMS1117轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3-10所示。其中，引腳1接地，引腳2接+1.3V，引腳3接VCC，四個電容起穩(wěn)壓作用。圖3-105V轉(zhuǎn)1.3V電路原理圖1.5LCD液晶顯示模塊隨著科技的進(jìn)步，日常生活中的各類電子產(chǎn)品都用上了液晶顯示屏作為顯示部分。而在單片機(jī)中，若要顯示數(shù)字、字符等則需要LCD模塊。LCD1602是當(dāng)下普遍使用的顯示模塊。由LCD液晶顯示屏、控制電路、可擴(kuò)展電路，以及八個電阻R1~R8、三個電容和一些結(jié)構(gòu)件組成。本設(shè)計中主要由LCD1602來完成顯示功能。實物圖如圖3-11所示。圖3-11LCD1602實物圖1.5.1LCD1602工作原理LCD1602依據(jù)液晶顯示的物理特性，利用電壓控制模塊內(nèi)部顯示區(qū)域并基于透光原理，在設(shè)備上電完成后，顯示出相異的黑白圖形。液晶顯示的初始化步驟首先是清屏并寫入數(shù)據(jù)至緩沖區(qū)；隨后光標(biāo)復(fù)位，AC及時復(fù)位清零。其次是功能設(shè)置,決定采用的數(shù)據(jù)位數(shù)，通過液晶顯示模塊連接到單片機(jī)，設(shè)定和修改字形大小。然后是設(shè)置開關(guān)狀態(tài)，管理字符閃爍與否以及光標(biāo)顯示。最后是設(shè)定輸入方式、內(nèi)容移動與光標(biāo)的移動。1.5.2LCD1602特點(diǎn)LCD1602能夠顯示16列2行的字符，最佳工作電壓為5V，其設(shè)計電路更簡單，編程也更容易，且讓使用者感覺更直觀。首先，LCD1602顯示畫質(zhì)清晰，在每一個位置收到顯示指令后能保持穩(wěn)定不變的顏色和亮度進(jìn)行發(fā)光，而且不會經(jīng)常閃爍；其次，它尺寸小而輕便，適用于小型設(shè)備；此外，1602液晶模塊的接口以數(shù)字量傳遞數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)傳輸方面與單片機(jī)的適配性更強(qiáng)，使用便捷簡單可靠；最后，能量損耗較低、穩(wěn)定性較好，由其所組成的智能化設(shè)備擁有較高的性價比。1.5.3LCD1602電路原理本系統(tǒng)在下位機(jī)和遠(yuǎn)程端都有顯示功能，下位機(jī)依靠LCD1602液晶顯示屏對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。如圖3-12所示，VO與GND通過一個2k大小的電阻為顯示屏提供偏壓，用于保持顯示正常。LCD的雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊_與單片機(jī)上P0.0~P0.7部分相接，LCD的RS引腳接單片機(jī)P2.7，能夠選擇寄存器，高電平時選擇數(shù)據(jù)緩沖寄存器、低電平時選擇指令寄存器。輸入控制端位于低電平執(zhí)行命令，連接P2.5引腳。讀寫信號線與單片機(jī)的P2.6引腳相連。圖3-12LCD1602液晶顯示原理圖1.6繼電器驅(qū)動模塊繼電器是具有分離功能的自動開關(guān)元件。當(dāng)輸入電路的勵磁量的變化達(dá)到預(yù)定值時，可以使輸出電路的控制的電量在規(guī)定的步驟中變化，自動控制電路。這是一種可以對一些外部激勵（電或非電）進(jìn)行響應(yīng)的感應(yīng)機(jī)制，可以控制控制控制電路“接通”和“斷開”的執(zhí)行機(jī)制，以及比較、判斷、變換的中間比較機(jī)制。繼電器在遙控、遠(yuǎn)距離測量、通信、自動控制、機(jī)械電子學(xué)和航空航天技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，起到控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)和傳輸信息的作用。本設(shè)計中的噴水功能的實現(xiàn)主要依靠繼電器完成。選用JQC-3EF-S-Z型繼電器，它有兩側(cè)，一側(cè)是主控器控制低電壓、低電流；另一側(cè)是接入電路中的，是高電壓、高電流。兩側(cè)之間的電路是不連通的，因此高壓一側(cè)的電壓和電流是不會進(jìn)入低壓一側(cè)，低壓一側(cè)同理。通過單片機(jī)內(nèi)部的程序判斷或是通過指令的下發(fā)及傳輸實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制繼電器啟動與否。除連接水泵之外，繼電器還能連接其他消防設(shè)備，實現(xiàn)其他消防功能。實物圖如圖3-13所示。圖3-13繼電器實物圖1.6.1繼電器工作原理電磁式繼電器一般由軟鐵或硅鋼焊接制成的鐵芯、電磁銜鐵、簧片、線圈等零部件組成。給繼電器兩端增加一定的輸入電壓時，內(nèi)部線圈部分開始運(yùn)轉(zhuǎn)，線圈中有電流流過，形成電磁效應(yīng)，依靠電磁作用力，接通內(nèi)部端子，銜鐵受到電磁力引力克服彈簧回彈拉力向鐵芯移動，帶動電磁銜鐵的動、靜兩個觸點(diǎn)吸合，從而達(dá)到電路導(dǎo)通的目的。電路的導(dǎo)通與否與輸入電壓密切相關(guān)，當(dāng)輸入電壓恒定，電路導(dǎo)通作用就會一直保持；若要關(guān)閉繼電器，將輸入電壓斷開即可完成關(guān)閉。由于繼電器內(nèi)部有相應(yīng)的回彈裝置，內(nèi)部端子返回到原來的地方，將電路切斷REF_Ref365\r\h[17]。1.6.2繼電器驅(qū)動電路原理本設(shè)計使用一個繼電器，該繼電器主要用于控制消防設(shè)備，例如：噴水設(shè)施。既能通過實時值與閾值的比較自動控制，也能通過WiFi模塊與云平臺交互，實現(xiàn)遠(yuǎn)程手動控制。單片機(jī)中繼電器連接的引腳是P2.3，當(dāng)該引腳為高電位時，產(chǎn)生電壓差，線圈內(nèi)部產(chǎn)生電流，內(nèi)部端子接通，繼電器工作。其原理圖如圖3-14所示。圖3-14繼電器驅(qū)動原理圖1.7風(fēng)扇驅(qū)動電路原理本系統(tǒng)中風(fēng)扇通過連接一個PNP三極管工作，三極管主要起到開關(guān)的作用，三極管的負(fù)極接地。風(fēng)扇電路連接在單片機(jī)的P2.1引腳上，當(dāng)該引腳為高電位時，電路為導(dǎo)通狀態(tài)，風(fēng)扇啟動；反之，風(fēng)扇關(guān)閉。風(fēng)扇驅(qū)動原理圖如圖3-15所示。圖3-15風(fēng)扇驅(qū)動原理圖2系統(tǒng)的軟件設(shè)計本系統(tǒng)程序設(shè)計中感知層（硬件）使用Windows操作系統(tǒng)和keil5軟件。KeilC51是8051系列全新的兼容于單片機(jī)C語言的匯編代碼軟件開發(fā)系統(tǒng)，在提供新的開發(fā)環(huán)境的同時保留了匯編代碼語言目管理器、編譯器、鏈接定位器、Ax51宏匯編器、軟件模擬器、硬件調(diào)試器等功能組合在一起REF_Ref26238\r\h[18]。APP平臺專門為開發(fā)者提供用戶數(shù)據(jù)、編程接口等，開發(fā)者可以自行開發(fā)APP供其他用戶直接下載和使用，在完成基礎(chǔ)功能搭建后經(jīng)Android平臺的開發(fā)，用戶可以隨時通過無線方式不受限制地查看和取得數(shù)據(jù)信息，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、簡單化的遠(yuǎn)程管理。本系統(tǒng)的應(yīng)用層(APP)使用Andriodstudio軟件，它是一款基于IDEA開發(fā)軟件，專為Andriod應(yīng)用服務(wù)的軟件，采用Java語言進(jìn)行開發(fā)。Java語言以其面向?qū)ο蟆⒖缙脚_、分布式等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于程序設(shè)計中。將編譯完成的軟件打包為apk-debug.apk并導(dǎo)入安卓手機(jī)。2.1系統(tǒng)軟件總體框架2.1.1主程序流程圖首先初始化程序，WiFi模塊進(jìn)行初始化，傳感器采集火焰、煙霧等環(huán)境信息，通過相應(yīng)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)進(jìn)一步處理，并顯示采集數(shù)據(jù)到液晶屏上。當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火焰時，繼電器連接的水泵啟動自動噴水，并更改液晶屏標(biāo)志位顯示；當(dāng)煙霧傳感器檢測到煙霧濃度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)大于報警閾值時，風(fēng)扇自動開啟排煙，同樣更改液晶屏標(biāo)志位顯示。WiFi模塊通過路由器或手機(jī)熱點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，由云平臺將消息轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程端，手機(jī)通過分析比對接收數(shù)據(jù)，超過閾值顯示報警提示。如果未發(fā)生異常情況，則直接上傳煙霧濃度數(shù)據(jù)。主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1主程序流程圖2.1.2中斷函數(shù)流程圖若是接收到從遠(yuǎn)程端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，首先判斷是否為控制請求，如果是控制指令，云平臺轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)指令至單片機(jī)，對相應(yīng)的終端控制器件進(jìn)行操作，例如：啟動或停止風(fēng)扇、打開或關(guān)閉繼電器或是對單片機(jī)內(nèi)部閾值做更改等。完成一系列操作后結(jié)束中斷，返回主函數(shù)。如果沒有接收到控制請求，則上傳數(shù)據(jù)后直接返回。中斷函數(shù)流程圖如圖4-2所示。圖4-2中斷函數(shù)流程圖2.2子程序2.2.1煙霧采集子程序煙霧采集模塊啟動后，首先對傳感器進(jìn)行預(yù)熱，采集環(huán)境的模擬數(shù)據(jù)使得其輸出準(zhǔn)確地電壓和電阻，通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并讀取并通過WiFi模塊通信。煙霧采集與轉(zhuǎn)換流程圖及關(guān)鍵代碼如圖4-3、4-4和4-5所示。在煙霧采集的關(guān)鍵代碼中通過GetMQ2采集模擬電壓值，經(jīng)過調(diào)用GetValue0832()方法進(jìn)行一定的計算將模擬電壓轉(zhuǎn)換為煙霧數(shù)字量。如果采集到模擬電壓值則通過通道0進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換模式，通過for循環(huán)讀取數(shù)據(jù)，比較兩次得到的數(shù)據(jù)，相同則輸出。圖4-3煙霧采集及轉(zhuǎn)換流程圖圖4-4煙霧采集關(guān)鍵代碼圖4-5A/D轉(zhuǎn)換關(guān)鍵代碼2.2.2LCD1602顯示子程序顯示模塊在上電后自動開始初始化，再調(diào)用延時函數(shù)執(zhí)行延時指令。通過RS引腳區(qū)分寫指令或是數(shù)據(jù)，高電平情況下RS完成寫數(shù)據(jù)操作，低電平情況下RS完成寫指令操作。在寫指令和寫數(shù)據(jù)的過程中調(diào)用delayLcd()，不調(diào)用延時雖然能成功寫入需要顯示的數(shù)據(jù)，但當(dāng)寫入指令時會導(dǎo)致錯誤出現(xiàn)。在LCD1602延時的過程中，采集模塊開始采集和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，在完成延時的流程后，液晶模塊開始讀取其發(fā)送地址并向單片機(jī)發(fā)送所讀取到的內(nèi)容數(shù)據(jù)，然后返回等待下一次數(shù)據(jù)的讀取。LCD1602顯示模塊流程圖及關(guān)鍵代碼如圖4-6和4-7所示。關(guān)鍵代碼中函數(shù)lcd_init()是對模塊的初始化，其中通過lcdwrcom()方法寫入指令，能夠設(shè)置顯示模式，通過lcdwrdata()方法寫入數(shù)據(jù)并顯示于液晶屏上。圖4-6LCD1602顯示子程序流程圖圖4-7LCD1602顯示子程序關(guān)鍵代碼2.2.3WiFi接入云平臺子程序打開通過串口調(diào)試助手，發(fā)送AT指令對串口進(jìn)行配置，當(dāng)串口回復(fù)OK時即設(shè)置成功。ESP8266的工作模式可分為三種，即STA、AP和STA+AP。在STA模式下WiFi模塊可以接收來自無線路由器發(fā)出的信號并連接互聯(lián)網(wǎng)；在AP模式下WiFi模塊與熱點(diǎn)類似，可以通過手機(jī)或電腦連接從而實現(xiàn)無線通信。本系統(tǒng)采用STA+AP工作模式，即路由器和熱點(diǎn)模式共存,既可以通過路由器實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)操作，也能夠作為WiFi熱點(diǎn)使用,實現(xiàn)無縫切換，使其他設(shè)備接入遠(yuǎn)程服務(wù)器并保存到Flash，將采集的數(shù)據(jù)由無線方式傳送至云平臺，同時能夠收到返回數(shù)據(jù)。通過AT+CWMODE指令，若值為1，表明連接到STA模式；值為2，連接到AP模式；值為3，工作在STA+AP模式。通過AT+CWJAP指令設(shè)置WiFi模塊名稱及密碼；而在連接至路由器之后需要通過AT+CIPSTART=9,6002指令連接云平臺中的服務(wù)器。2.3云平臺介紹2.1.1云平臺系統(tǒng)架構(gòu)本系統(tǒng)采用OneNET云平臺中的多協(xié)議接入服務(wù)，它為開發(fā)者提供面向各種行業(yè)或場景的設(shè)備協(xié)議接入服務(wù)，具有海量接入、數(shù)據(jù)存儲、設(shè)備管理、設(shè)備命令下發(fā)等功能。多協(xié)議接入云平臺架構(gòu)主要分為三個部分，應(yīng)用域、平臺域和設(shè)備域。設(shè)備域由傳感和執(zhí)行模塊組成，平臺域是物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，大量服務(wù)終端構(gòu)成應(yīng)用域REF_Ref4897\r\h[19]。本系統(tǒng)的設(shè)備域主要是硬件終端的MQ-2煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、風(fēng)扇、繼電器和單片機(jī)，將數(shù)據(jù)信息打包上傳至平臺域。平臺域通過WiFi接入MQTT通信協(xié)議將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲與分析，同時可對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行管理。應(yīng)用域主要是PC端、移動APP端和顯示器，通過API接口連接到第三方應(yīng)用，本系統(tǒng)的應(yīng)用端是APP。其架構(gòu)圖如圖4-8所示。圖4-8云平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖2.1.2MQTT通信協(xié)議消息隊列遠(yuǎn)距離監(jiān)測傳輸協(xié)議簡稱為MQTT協(xié)議，能夠進(jìn)行實時通信，是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。MQTT協(xié)議設(shè)計的初衷是為了使在計算方面能力有限的網(wǎng)絡(luò)或是工作在低帶寬環(huán)境下、運(yùn)行于不可靠連接中的遠(yuǎn)程傳感器和控制器件能夠正常通訊。它是一種基于topic的消息Pub/Sub模式的協(xié)議，設(shè)備需要保持長連接狀態(tài)，能夠提供一對多的廣播式消息發(fā)布，將數(shù)據(jù)推送到應(yīng)用，解決不同應(yīng)用程序之間交叉耦合的問題。適用于智慧能源、智慧農(nóng)業(yè)、智能硬件、M2M等多種場景。該協(xié)議具有靈活的服務(wù)質(zhì)量、實施簡單快捷以及資源利用率低等優(yōu)點(diǎn)REF_Ref466\r\h[20]。MQTT協(xié)議是基于TCP/IP協(xié)議連入互聯(lián)網(wǎng)并進(jìn)行數(shù)據(jù)推送的，保證了傳輸?shù)目煽啃浴?.4應(yīng)用層軟件設(shè)計2.2.1數(shù)據(jù)顯示及控制界面設(shè)計在Android平臺的SDK中包含多種