智能应用
0 引言
在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。近几年来，我国每年发生火灾约4万起，每年火灾造成的直接财产损失10多亿元，因此火灾的预警装置也是人们一直探索的科研项目。
如果我们能设计一种能够实时监测火焰数据，当有火焰发生时有多渠道报警的装置，且价格低廉，那么就会有绝大多数家庭及公共场所普及使用这种装置，也许就会最大限度地减轻火灾的危害。在电子信息时代日益发达的今天，笔者利用Arduino及传感器技术，C语言编程技术、物联网技术、3D打印技术设计并制作出一种价格低廉适用广泛的新型便携火焰报警器，遇有火焰时现场具有声光报警功能、同时能把火灾信息通过互联网传输到指定用户的手机上报警，平时我们也可以使用PC或手机对火焰的数据进行远程实时监控，防患未然。 火焰是由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布
有所差异，但总体来说，其对应火焰温度的1～2μm近红外波长域具有最大的辐射强度，火焰传感器（即红外接收二极管）就是根据这一特性制成的。
火焰传感器对火焰特别灵敏。火焰传感器利用红外线对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接收管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理，这样我们就可以按照自己的设计让中央处理器做出相应的功能来。■1.1 工作原理
火焰传感器将采集到的火焰模拟数值直接传输到中央处理器Arduino，系统按照编写好的程序，将收到的火焰传感数据运算后与预设的阈值进行比较，当达到预设的报警值时，系统启动报警电路，蜂鸣器给出高低循环电平，双音报警，LED给出高低循环电平，红光闪烁报警。同时火焰传感数据通过ESP8266模块与远程物联网平台联接，物联网平台对收到的火焰传感数值进行判断，当达到设定的报警阈值时，通过物联网平台直接发送邮件或微博等信息到指定用户手机上，实现手机报警。当未达到预设的阈值时，蜂鸣器及LED停止工作，系统处于正常的工作状态。通过互联网，用户随时可以使用手机或PC登录物联网平台实时查看火焰
传感数据以及分析记录的历史数据。系统原理图如图1所示。
图1 系统原理图
■1.2 主要特点
（1）既采取了现场传统的声光报警，同时也采取了手机端或PC端的远程报警。
（2）用户可以随时登录PC或手机APP远程查看火焰传感数值的实时数据和历史数据。
（3）系统断网后，支持自动重新联接，随时检测联网状态。
（4）根据用户所处的环境需求来设定火焰的阈值来报警。（5）整套系统价格低廉，体积小，可以普及应用到家庭、学校、医院、仓库、图书馆、商场、影院、走道等各个场所，尤其对无人值守场所更具有实用性。
烟气道物联网环境下基于Arduino的火焰监测报警器的
设计与实现
吕洋硬质合金丝锥
（甘肃省兰州第一中学，甘肃兰州，730000）
摘要：随着物联网技术及无线网络技术的发展，实现智能设备的远程无线监控已经成为其应用的关键。以Arduino作为软硬件平台，采用双火焰传感器，通过编写的程序对火焰数据实时采集，当达到预设的阈值时，不但在本地实现声光双重报警，而且还能采用无线传输模块ESP8266通过手机或PC直接报警，用户也可以对火焰传感数据通过手机或PC进行实时远程监测，分析当前火焰采集数据及历史数据，该系统装置外观使用SketchUp 软件进行3D设计建模并打印制作成品。该报警器经测试后，灵敏度高，成本低，有效解决无人值守地区的火焰数值的实时监控及报警问题，适用性广泛，可满足多
种环境火焰报警的基本要求。
关键词：火焰；报警；Arduino；传感器；远程监测
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2 硬件系统设计
■2.1 硬件组成
硬件电路如图2所示。所需元器件：火焰传感器模块2
只、Arduino 控制板、蜂鸣器一只、LED 发光二极管红绿各一只、10kΩ电阻3只、220Ω电阻一只、ESP8266模块一只。将红外接收二极管（火焰传感器）的负极接到Arduino 板
的5V 接口中，然后将正极和10k 电阻相连，电阻的另一端接到GND 接口中，最后把火焰传感器的正极端连接到模拟口A0，同样将另一只红外接收二极管按图示接好，正极端连接到模拟口A1。蜂鸣器的
正极端接数字口D6，负极端与220Ω电阻串联，电阻的另一端接GND。红发光二极管的正极端接数字口D8，负极端与10kΩ电阻串联，电阻的另一端接GND。绿发光二极管的正极端接数字口D10，负极端与10kΩ电阻串联，电阻的另一端接GND。ESP8266模块的VCC 端与CH_PD 端连接后与Arduino 版的3.3V 接口相连，模块的RXD 端与TXD 端分别与Arduino 板的TX
（D1）与RX(D0)相连，模块的GND 端对应Arduino 板的
GND 连接。
图2 硬件电路
■2.2 Arduino Uno 微处理器
Arduino 是一个基于开放源代码的软硬件平台。该平台
由硬件和软件两部分组成，它实际上是一个小而完善的微型
计算机系统，这套系统采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU，以及随机存储器RAM、只读存储器ROM、模拟及数字I/O 接口和中断系统等多功能电路集成到一块芯片上[1]。Arduino 的最大特点就是价格便宜并且好用，我们可以在普通计算机上通过Arduino 的开发环境编写程序并编译成功之后，就可以将文件下载到Arduino 系统板上的微控制器中，使Arduino 系统能够通过各种传感器来感知环境的变化，程序便会告诉Arduino
电路板要做些什么了，Arduino 也就能按照我们编写的程序执行相应的操作，实现我们需要的功能[2]。Arduino 电路板品种繁多，我们选用价格低廉，功能强大的Arduino Uno
电路板。
■2.3 ESP8266模块
ESP8266 系列芯片是乐鑫信息科技在 2015 年推出的WiFi 芯片，该芯片凭借其高集成度、低功耗和易用性在物联网应用领域获得了肯定，是实现基于WiFi 远程控制最好选择[3]。
它的大小比一元硬币还要小，它可将用户的物理设备连
接到WiFi 无线网络上，实现联网功能。ESP8266是个完整且成体系的WiFi 网络解决方案，能够搭载软件应用，使用时单片机通过串口用AT 指令来实现WiFi 连接、网络通迅。硬件电路实验连接如图3所示。
图3 实物连接图
3 软件系统设计
■3.1 使用ESP8266模块建立远程连接
ESP8266 支持 softAP 模式 、station 模式 、softAP
褐煤干燥＋station 共存模式三种模式，这里采用 softAP 模式，
即把 ESP8266 当作一个WiFi 热点，使用手机APP Smart
Config 一键配网模式，联网后该模块即可通过路由器连接
互联网，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程控制和通信。ESP8266建立远程连接流程图如图4所示，手机端Smart config 设置如图5所示。
图4 远程连接流程图 图5 Smart config 设置
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主要源代码如下：
unsigned long lastCheckInTime = 0;//记录上次报到时间
unsigned long lastCheckStatusTime = 0;//记录上次状态查询时间unsigned long lastUpdateTime = 0;
//记录上次状态查询时间
const unsigned long postingInterval = 40000;// 每隔40秒向服务器报到一次
const unsigned long statusInterval = 100000;// 每隔100秒检测一次在线状态const unsigned long updateInterval = 1000;
// 每隔1秒上传一次数据if (millis() - lastCheckInTime > postingInterval ||
lastCheckInTime == 0) {
checkIn();} if (millis() - lastCheckStatusTime > statusInterval) { checkStatus(); }
if (millis() - lastUpdateTime > updateInterval) { update2(DEVICEID, INPUTID, analogRead(flame)-
val, INPUTID1, analogRead(flame1)-val1); } ■3.2 本地报警处理子程序当火焰传感器检测到有
火焰发生时，根据预先设置
好的报警阈值，arduino I/O D8输出高电平，延迟后输出低电平，红LED 灯
烁，D6循环输出高低电平，蜂鸣器模拟双音报警。当火焰数据低于预设的阈值时，D8及D6输出低电平，声光报警停止，返回正常检测[4]
。本地报警及数据上传子
程序流程图如图6所示。
程序主要代码如下：int flame=A0;int flame1=A1;int led=8;int beep=6;int led1=10;
int i=0;int val=0;int val1=0;int x=50;
void setup()
{ Serial.begin(115200);
pinMode(ledPin, OUTPUT);pinMode(beep,OUTPUT); pinMode(flame,INPUT); pinMode(led,OUTPUT);
pinMode(led1,OUTPUT); val=analogRead(flame); val1=analogRead(flame1); }void loop()
{ digitalWrite(led1,HIGH);
update2(DEVICEID,INPUTID,analogRead(flame)-val, INPUTID1, analogRead(flame1)-val1);w h i l e ((a n a l o g Rea d (f l a m e )-va l )>x ||(a n a l o g Read(flame1)-val1>=x))
{ Serial.println(analogRead(flame)); Serial.println(analogRead(flame1));
for(i=0;i<80;i++)//输出一个频率的声音
{ digitalWrite(beep,HIGH);
delay(1);//延时1ms digitalWrite(beep,LOW);delay(1);//延时1ms
800电话是免费的吗
digitalWrite(led,HIGH); }
u p d a t e 2(D E V I C E I D ,I N P U T I D ,a n a l o g R e a d (f l a m e )-val,INPUTID1,analogRead(flame1)-val1);
for(i=0;i<100;i++)
{ digitalWrite(beep,HIGH);delay(2);//延时2ms digitalWrite(beep,LOW);delay(2);//延时2ms digitalWrite(led,LOW); }}锻造操作机
4 软硬件调试及测试
■4.1 火焰数据测试
使用打火机进行火焰检测，与传感器
60cm 外就能感应到火焰的发生，经过一天早中晚多次数据的实验，将报警阈值修正到50，可以满足
火焰报警的需要。
图6 本地报警及数据上传子程序流程图
7 远程报警及实时监测火焰数据流程图
图8 PC端火焰传感数值曲线图
首先登陆物联平台，根据ESP8266的DEVICEID 设备编号以及APIKEY设备密码，添加该火焰报警装置，使用两个接口编号，用于监测两个火焰传感器数据。当检测到有火
模，结合电路板尺寸，建造
的长方体模具。SketchUp 软件对
模具如图10所示。将Arduino电路板及元器件安装在打印好的模具中，成品图如图11所示。
图10 报警装置外壳3D模具
图11 成品图
6 测设结果及前景设想
该报警器体积小巧，外观优美，整套系统硬件价格不足百元，因此成本低廉，适合推广。该火焰报警器经过近两个
图9 手机端火焰传感数值曲线图
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月的测试，测试地点涉及家庭客厅、卫生间、卧室、厨房，学校教室、走道、图书馆、办公室，商场，电影院等场所，测试结果表明，该报警器支持断网后40秒内自动重新联网功能，系统灵敏度高，不但能实现本地发生火焰时的声光报警，而且还能通过PC 或手机App 对火焰数据进行实时远程监测，分析当前火焰传感数据及历史数据，当火焰传感数据达到预先设定好的阈值时，通过手机直接报警，解决了无人值守地区的火焰数值的实时监控及报警问题。该报警器不适应有电焊、阳光直射、X 射线和较强紫外线光源的场所，否则导致误报，针对以上问题该报警器的使用地点尽量避开以上场所。下一步可以增加光照传感器、烟雾传感器、温度传感器等设备，将这些传感器综合考虑，排除太阳光、X 射线等干扰因素，在程序编制时考虑最新谐波分析功能和针对性应用算法，使其具有不但灵敏度高而且有很强的
抗误报能力。
该报警器适用性广泛，适用于家庭、宾馆、仓库、学校、
图书馆、医院、办公室、影院以及无人值守地区，具有一定的实用性和推广性。
参考文献＊ [1]程晨.Arduino 开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2012
＊ [2]Martin Evans,Joshua Noble,Jordan Hochenbaum.Arduino In ACTION[M].北京：人民邮电出版社，2014
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＊ [5]李红术. SketchUp 草图绘制技术精粹[M]. 北京：清华大学出版社，20165V 时，测得输出信号频率为1.986kHz，与理论估算值2.5kHz 有一定偏差。调节电位器RP2时，三角波的峰峰值Vpp 可
达19.4V。其次对三角波转换正弦波电路的调试，将三角波的峰峰值Vpp 调至10V 并输入到电路中，用万用表测量两个电压跟随器的输出端电位，调节电位器RP3和RP4，使
两个基准电压等于+1V 和-1V，此时在示波器中可观察到稳定的正弦波形。调节幅度调节电位器Rf 时，正弦波信号的幅值也能满足设计要求。再次将三角波、方波、正弦波信号分别接到输出电路中，从示波器中可观察到相应的稳定波形，调节直流偏移电位器RP6时，输出信号的波形也能在-5V 和+5V 上下平移。最后给单次脉冲电路加上+5V 的直流电源，
用示波器可看到，每按下一次开关S，输出一个脉冲。连续按下几次，便可得到一串脉冲。
4 总结
从系统测试结果来看，本系统的输出信号各项指标均能
满足设计要求，电路只要稍加改进，便可得到锯齿波和矩形波，具有一定的延伸性。虽然与采用单片机控制技术方案和利用直接数字频率合成方式及函数发生器专用芯片实现的方法相比，输出信号频率和质量不高，但电路结构简单，涉及知识难度不大，成本低，完全满足要求不高的场合。是一
款具有实用性的信号源，为电子爱好者和实验教学带来极大方便。
参考文献
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出版社，2014.
图7
（上接第9页）
