本文針對變電站火災(zāi)易危及人員設(shè)備安全的問題，聚焦煙霧識別與風(fēng)險預(yù)警需求，設(shè)計了一種基于STM32單片機(jī)的煙霧識別系統(tǒng)，并探究其在變電站環(huán)境中的應(yīng)用可行性。該系統(tǒng)以STM32為控制核心，搭載MQ-2煙霧傳感器、DHT11溫濕度傳感器及MQ-135空氣污染傳感器，可實(shí)時采集煙霧濃度、溫濕度、可燃?xì)怏w含量等關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，結(jié)合報警模塊、顯示模塊及WiFi通信模塊，與機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺建立遠(yuǎn)程連接。

采集的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32處理后，將同步上傳至機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺與本地終端，當(dāng)監(jiān)測到任一參數(shù)超出預(yù)設(shè)安全閾值時，系統(tǒng)會立即觸發(fā)現(xiàn)場報警與云端預(yù)警。相較于傳統(tǒng)單一報警裝置，該系統(tǒng)通過多傳感器融合與云端協(xié)同，拓展了火災(zāi)監(jiān)測維度、提升了預(yù)警可靠性，為變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。

01系統(tǒng)總體設(shè)計

本文提出了一種基于STM32單片機(jī)的變電站煙霧識別系統(tǒng)，若DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器和MQ-135空氣污染傳感器檢測到火情時，即單片機(jī)判定采集數(shù)據(jù)達(dá)到閾值，就會控制相應(yīng)I/O口輸出高、低電平控制蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報警功能并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32單片機(jī)，且把數(shù)據(jù)發(fā)送到OLED顯示屏上，同時通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到機(jī)智云，操作人員可通過機(jī)智云監(jiān)測變電站情況，降低火災(zāi)發(fā)生風(fēng)險。

系統(tǒng)主要由STM32單片機(jī)模塊、多傳感器模塊、WiFi模塊、OLED顯示屏、蜂鳴器和機(jī)智云六個部分組成，系統(tǒng)總體功能框架如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體功能框架

02系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6作為主控芯片，通過其72 MHz主頻和豐富的外設(shè)接口實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)處理與設(shè)備調(diào)度。系統(tǒng)配置了DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器以及MQ-135空氣污染傳感器，通過多傳感器實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)采集，然后再利用WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至機(jī)智云，使作業(yè)人員可遠(yuǎn)程監(jiān)控變電站環(huán)境中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并實(shí)時控制。

2.1 STM32F103C8T6芯片

目前適用于嵌入式開發(fā)的單片機(jī)有AVR、ARM、PIC和STM32等，相比AVR和PIC,STM32性價比更高且可處理更復(fù)雜的控制任務(wù)和算法；對比ARM系列，STM32在成本、開發(fā)友好度和市場普及率上更具競爭力。故本文選擇STM32系列單片機(jī)中的STM32F103C8T6芯片。

STM32F103C8T6芯片工作電壓范圍為2.0～3.6 V，主頻最高支持72 MHz。該芯片在保持出色運(yùn)算性能的同時，具備優(yōu)異的能效表現(xiàn)，特別適合需要長時間運(yùn)行的嵌入式應(yīng)用場景。該器件集成了128 KB可編程Flash存儲器和20 KB SRAM，內(nèi)置完善的電源管理系統(tǒng)，包括電源監(jiān)控單元、電壓調(diào)節(jié)器和高精度振蕩電路。在接口設(shè)計方面，提供了豐富的外設(shè)資源，支持多種通信協(xié)議，極大簡化了外圍電路設(shè)計。此外，該芯片還支持包含待機(jī)、停止和睡眠三種節(jié)能模式，可以顯著降低系統(tǒng)功耗，延長系統(tǒng)電池壽命。憑借出色的性價比和穩(wěn)定的運(yùn)行表現(xiàn)，該芯片已在智能控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、自動化生產(chǎn)線、醫(yī)療電子設(shè)備以及智能機(jī)器人等多個領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。STM32F103C8T6引腳圖見圖2。

圖2 STM32F103C8T6引腳圖

2.2 WiFi模塊

低功耗WiFi芯片ESP8266具有內(nèi)置的32位微處理器內(nèi)核，可以獨(dú)立運(yùn)行，也可作為其他主機(jī)微控制器單元(MCU)的組件運(yùn)行。本文選擇的ESP-01S是一款以ESP8266為核心的WiFi模塊，在智能家居控制系統(tǒng)、工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。其具有雙工作模式特性，既可作為獨(dú)立控制器運(yùn)行，也能作為協(xié)助處理器配合MCU使用，在物聯(lián)網(wǎng)中展現(xiàn)出卓越的靈活性。

ESP-01S引腳圖如圖3所示。1號引腳連接至STM32單片機(jī)的A2-TXD接口，用于將采集到的溫度、濕度和煙霧濃度發(fā)送到遠(yuǎn)程設(shè)備；2號引腳接3.3 V電壓；3號引腳為通用的輸入、輸出引腳；4、5、6號引腳置空；7號引腳接地；8號引腳接至STM32單片機(jī)的A3-RXD接口，用于接收遠(yuǎn)程設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息。

圖3 ESP-01S引腳圖

2.3 DHT11溫濕度傳感器

方案一：采用DS18B20溫度傳感器。該傳感器測量精度較高，但只能測量溫度，不能測量濕度，且價格相對較高，性價比較低。

方案二：采用DHT11溫濕度傳感器。該傳感器作為一款基于單總線協(xié)議的溫濕度檢測元件，具有連接方式簡便、外形結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)采集迅速以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用等顯著優(yōu)勢。其適用于0～50℃的溫度測量，測量偏差在±2℃以內(nèi)，供電要求為3.0～5.5 V，且運(yùn)行電流極小，僅需幾微安培電流。在非工作狀態(tài)下，傳感器會自動進(jìn)入低功耗模式，以優(yōu)化能源利用。

根據(jù)上述分析，本文選用DHT11溫濕度傳感器，引腳圖如圖4所示。5 V電壓接入1號引腳；2號引腳連接至STM32單片機(jī)的C15接口，實(shí)時傳輸環(huán)境溫度、濕度參數(shù)；3號引腳置空；4號引腳則接地。

圖4 DHT11溫濕度傳感器引腳圖

2.4 MQ-2煙霧傳感器

方案一：采用MQ-5煙霧傳感器。該傳感器相較MQ-2煙霧傳感器測量精度更高，但測量靈活性更小，且使用前需預(yù)熱，啟動時間較長。

方案二：采用MQ-2煙霧傳感器。該傳感器采用先進(jìn)的微電子制造工藝，能夠?qū)崟r檢測環(huán)境中可燃?xì)怏w和煙霧的濃度變化，例如一氧化碳、甲烷等，同時具備較長的使用壽命和穩(wěn)定的工作性能，響應(yīng)和恢復(fù)速度也較快。且該傳感器基于金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)技術(shù)原理，通過氣敏元件電阻值變化實(shí)現(xiàn)氣體濃度檢測，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)安全系統(tǒng)、家庭報警系統(tǒng)以及環(huán)境監(jiān)測設(shè)備等領(lǐng)域。

根據(jù)上述分析，且針對變電站火災(zāi)“起火迅速”的特點(diǎn)，本文選用MQ-2煙霧傳感器能更快監(jiān)測到火災(zāi)煙霧，減少火災(zāi)風(fēng)險，引腳圖如圖5所示。5 V電壓接入1號引腳；2號引腳接地；3號引腳連接至STM32單片機(jī)的A1接口，實(shí)現(xiàn)煙霧濃度數(shù)據(jù)的采集傳輸；4號引腳置空。

圖5 MQ-2煙霧傳感器引腳圖

2.5 MQ-135空氣污染傳感器

針對變電站火災(zāi)可能引發(fā)次生災(zāi)害，釋放有毒氣體的特點(diǎn)，采用MQ-135空氣污染傳感器來實(shí)時檢測空氣中氨氣、硫化物等有害氣體，為火災(zāi)預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)提供數(shù)據(jù)支持，且該傳感器價格低廉、驅(qū)動電路簡單，可方便地集成到變電站的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中。但其對可燃?xì)怏w敏感度較低，因此搭配MQ-2煙霧傳感器使用，實(shí)現(xiàn)對可燃?xì)怏w和空氣質(zhì)量的雙重檢測。MQ-135空氣污染傳感器引腳圖如圖6所示。5 V電壓接入1號引腳；2號引腳連接至STM32單片機(jī)的A0接口，實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集傳輸；3號引腳置空；4號引腳接地。

圖6 MQ-135空氣污染傳感器引腳圖

2.6 蜂鳴器

方案一：采用有源蜂鳴器。其驅(qū)動簡單，但需要電源持續(xù)供電，功耗較高。

方案二：采用無源蜂鳴器。其特點(diǎn)是不自帶振蕩器，依靠外部交變電流驅(qū)動發(fā)聲，驅(qū)動需要使用2～5 kHz的方波信號。無源蜂鳴器因其具有音調(diào)靈活可控、制造成本低、應(yīng)用擴(kuò)展性好等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制等場景。

根據(jù)上述分析，本文選用無源蜂鳴器，電路連接如圖7所示。在該電路中，三極管SS8050作為開關(guān)管，用于放大微弱的控制信號，高效地控制流過蜂鳴器的電流通斷；二極管IN5819則起續(xù)流保護(hù)作用，可吸收蜂鳴器線圈產(chǎn)生的反向感應(yīng)電動勢，防止高壓尖峰損壞電路元件。其工作原理是當(dāng)交流電通過線圈時產(chǎn)生交變磁場，磁場與永磁體相互作用使振動膜片周期性振動，然后通過膜片振動帶動周圍空氣振動從而產(chǎn)生聲波來實(shí)現(xiàn)報警功能。

圖7無源蜂鳴器電路連接圖

2.7 OLED顯示屏

方案一：采用液晶顯示屏(LCD)。其使用壽命較長，但體積厚重、功耗較高，且響應(yīng)時間對比OLED顯示屏較慢。

方案二：采用OLED顯示屏。OLED顯示屏以其卓越的顯示性能在工業(yè)監(jiān)測設(shè)備中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，它支持全字符集顯示，同時集高清晰度、廣視角和自發(fā)光等優(yōu)勢于一體。此外，OLED顯示屏響應(yīng)迅速、能耗較低且具備良好的高溫耐受性，非常適用于火災(zāi)監(jiān)測設(shè)備的環(huán)境參數(shù)可視化呈現(xiàn)。

OLED顯示屏引腳圖如圖8所示。1號引腳連接至STM32單片機(jī)的SDA＿B7接口，用于傳輸顯示數(shù)據(jù)；2號引腳連接至SCL＿B6接口，為IC通信提供時鐘信號；3號引腳接入3.3 V電壓；4號引腳接地。

圖8 OLED顯示屏引腳圖

03系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)啟動后依次完成以下初始化操作：配置串口通信模塊，設(shè)置延時功能，初始化OLED顯示屏，建立ESP8266無線連接，啟動DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器以及MQ-135空氣污染傳感器，同時配置報警蜂鳴器。隨后系統(tǒng)實(shí)時采集環(huán)境溫度、濕度、煙霧和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)等參數(shù)，通過OLED顯示屏界面動態(tài)顯示當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)，并借助WiFi模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至機(jī)智云。系統(tǒng)流程圖見圖9。

圖9系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)對煙霧識別系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控與實(shí)時監(jiān)測，本系統(tǒng)采用機(jī)智云平臺自動生成手機(jī)端控制界面，通過機(jī)智云App實(shí)現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的讀取與功能控制。機(jī)智云平臺提供可視化數(shù)據(jù)點(diǎn)綁定界面。在完成產(chǎn)品建模與數(shù)據(jù)點(diǎn)配置后，平臺將自動生成對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)控件，如開關(guān)、滑動條、數(shù)值顯示等。用戶可根據(jù)系統(tǒng)功能需求，拖拽控件至頁面并配置其綁定的數(shù)據(jù)點(diǎn)與屬性。本文所設(shè)計的界面實(shí)時顯示了溫度、濕度、煙霧濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)。手機(jī)App顯示界面如圖10所示。

圖10手機(jī)App顯示界面

04試驗(yàn)與結(jié)果

為測試MQ-2煙霧傳感器靈敏度，使用打火機(jī)點(diǎn)燃紙巾產(chǎn)生煙霧進(jìn)行模擬測試。正常環(huán)境下當(dāng)前顯示的煙霧濃度為0.011 3%。將蜂鳴器報警閾值設(shè)為煙霧濃度大于0.02%。經(jīng)多次試驗(yàn)表明，該煙霧傳感器靈敏度較高，能準(zhǔn)確采集煙霧數(shù)據(jù)，且蜂鳴器報警功能正常，部分測試結(jié)果如表1所示。

為測試DHT11溫濕度傳感器靈敏度，在一天內(nèi)每間隔3 h進(jìn)行一次環(huán)境溫度、濕度測量。經(jīng)多次試驗(yàn)表明，該傳感器能準(zhǔn)確采集環(huán)境溫度、濕度數(shù)據(jù)，部分測試結(jié)果如表2所示。

在沒有其他可燃?xì)怏w的環(huán)境里，將打火機(jī)里的丁烷噴出，用于測試MQ-135空氣污染傳感器采集有毒氣體濃度數(shù)據(jù)的精確度和可靠性。將報警閾值設(shè)為丁烷濃度大于0.05%，經(jīng)多次試驗(yàn)表明，該傳感器能準(zhǔn)確采集環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，部分測試結(jié)果如表3所示。

05結(jié)語

本文設(shè)計的變電站煙霧識別系統(tǒng)，契合變電站設(shè)備集中、起火快、可能釋放有毒氣體的特點(diǎn)，借助WiFi模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定上傳與遠(yuǎn)程交互。試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)搭載的多類傳感器可快速準(zhǔn)確感知環(huán)境變化并上傳數(shù)據(jù)至機(jī)智云平臺，參數(shù)超閾值時同步觸發(fā)本地報警。相較于傳統(tǒng)單一報警裝置，本系統(tǒng)通過多傳感器融合與云端協(xié)同，提升了火災(zāi)監(jiān)測的維度與可靠性，對保障變電站安全運(yùn)行具有重要實(shí)際意義與應(yīng)用價值。