0 引言 

截至2025年,全國(guó)軌道交通運(yùn)營(yíng)里程數(shù)超11000km,地下線路占比超85%[1]。封閉車廂作為人員密集空間，當(dāng)面臨火災(zāi)、異常震動(dòng)等情況時(shí),將對(duì)人員安全構(gòu)成威脅。傳統(tǒng)車廂內(nèi)部的單傳感器系統(tǒng),當(dāng)僅存在煙霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí),其誤報(bào)率高達(dá)30%以上,系統(tǒng)響應(yīng)延遲大于5s[2],缺乏多傳感器、多數(shù)據(jù)融合能力,導(dǎo)致單傳感器存在能力短板缺陷。目前,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為構(gòu)建實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)提供了新思路:在多傳感器集成以及云平臺(tái)管理這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用上[3],歐美國(guó)家目前已取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展并實(shí)現(xiàn)了落地應(yīng)用，但由于其在技術(shù)架構(gòu)中對(duì)專用協(xié)議存在較強(qiáng)的依賴性,這種依賴不僅限制了與其他通用系統(tǒng)的兼容適配,也使得相關(guān)設(shè)備的研發(fā)、部署以及后續(xù)維護(hù)環(huán)節(jié)都需要投入更多的成本[4]。本文提出一種低成本、高集成度的智能安防系統(tǒng),采用多傳感器協(xié)同將溫/煙/震/火四類傳感器數(shù)據(jù)融合,提升復(fù)合故障識(shí)別能力:采用雙通道通信設(shè)計(jì),ESP8266傳輸報(bào)警數(shù)據(jù),ESP32-CAM獨(dú)立處理視頻流,解決帶寬沖突:程序設(shè)計(jì)上采用動(dòng)態(tài)消噪算法,誤報(bào)率降低40%。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體邏輯上分為三層結(jié)構(gòu):感知層、控制層、應(yīng)用層?？傮w架構(gòu)如圖1所示。

感知層作為整個(gè)系統(tǒng)獲取環(huán)境信息的“前端觸角”包括DS18B20溫度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、 SW-18010P震動(dòng)傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?其中,DS18B20溫度傳感器負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)采集,可及時(shí)捕捉環(huán)境溫度的細(xì)微變化:MO-2煙霧傳感器專注于檢測(cè)空氣中的煙霧濃度及可燃?xì)怏w成分,能在煙霧出現(xiàn)初期發(fā)出信號(hào):SW-18010P震動(dòng)傳感器則通過(guò)感知微小的震動(dòng)幅度,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行震動(dòng)或外部沖擊的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè):火焰?zhèn)鞲衅鲗ｉT針對(duì)明火或高溫光源進(jìn)行識(shí)別,可快速響應(yīng)火焰相關(guān)的異常情況。各傳感器之間協(xié)同工作,實(shí)時(shí)、持續(xù)、高效地采集各自對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù),為主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)決策提供原始信息。

控制層作為整個(gè)系統(tǒng)的“中樞處理單元”，由 STM32F103C8T6控制器承擔(dān)核心控制任務(wù)，負(fù)責(zé)接收感知層數(shù)據(jù)并完成融合處理,同時(shí)執(zhí)行閾值判斷，當(dāng)檢測(cè)到溫度超過(guò)50℃、煙霧的體積分?jǐn)?shù)大于10^-4、震動(dòng)持續(xù)10 ms以上,或火焰?zhèn)鞲衅鞅挥|發(fā)時(shí)，會(huì)立即判定為異常狀態(tài)。

應(yīng)用層具有信息展示與遠(yuǎn)程交互功能,通過(guò)OLED屏幕實(shí)現(xiàn)本地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示:借助ESP8266模塊將數(shù)據(jù)上傳至EMQX云平臺(tái),同時(shí)支持移動(dòng)端App接入平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.2 關(guān)鍵硬件模塊選型

硬件模塊包括8個(gè)部分:1)主控制器選用STM32- F103C8T6,該芯片具備72 MHz主頻、Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)、128 KB存儲(chǔ)能力,支持多任務(wù)調(diào)度與DMA傳輸[5],為系統(tǒng)運(yùn)算和任務(wù)管理提供有力支撐:2)通信模塊采用ESP8266與ESP32-CAM雙通道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與視頻分路傳輸,基于Wi-Fi+MQTT協(xié)議，帶寬可達(dá)1Mb/s[6],保障數(shù)據(jù)穩(wěn)定高效傳輸;3)溫度傳感器采用DS18B20,遵循單總線協(xié)議,其精度達(dá)±0.5℃，測(cè)溫范圍-55~125℃,可精準(zhǔn)采集環(huán)境溫度:4)煙霧傳感器采用MQ-2,響應(yīng)時(shí)間小于10s,能檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)為10~10的煙霧，可及時(shí)感知火災(zāi)隱患:5)顯示屏采用OLED,具有128X64像素[7],FC接口,能耗小于0.1W,可清晰顯示數(shù)據(jù),各模塊之間相互協(xié)作，保證系統(tǒng)有序運(yùn)轉(zhuǎn);6)震動(dòng)傳感器SW-18010P模塊,輸出數(shù)字信號(hào)可直連STM32的GPIO引腳,無(wú)須額外電路設(shè)計(jì):7)選用4針火焰?zhèn)鞲衅髂K,直接輸出數(shù)字信號(hào),通過(guò)GPIO引腳與STM32連接，無(wú)須額外電路設(shè)計(jì):8)選用0905有源蜂鳴器,可與STM開發(fā)板電源兼容。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件部分主要分為三大部分:主控與接口、傳感器電路、通信模塊。

2.1.1 主控與接口設(shè)計(jì)

通過(guò)配置12位ADC采集煙霧傳感器MQ-2的模擬信號(hào),利用USART2以115200 B/s的波特率驅(qū)動(dòng)通信模塊ESP8266,OLED顯示屏通過(guò)I2C總線控制:電源管理方面,采用5V輸入,經(jīng)穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3V轉(zhuǎn)換后,為各傳感器及主控芯片供電，保障系統(tǒng)各部件協(xié)同運(yùn)行。主控制器與接口電路如圖2所示。

2.1.2 傳感器電路設(shè)計(jì)
該電路由溫度采集、煙霧檢測(cè)、火焰識(shí)別電路組成系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)采集模塊。溫度采集通過(guò)傳感器DS18B20完成，采用單總線方式由PB12引腳連接至主控芯片;煙霧檢測(cè)通過(guò)傳感器MQ-2實(shí)現(xiàn),其AO引腳經(jīng)分壓電路接入主控芯片的PA0引腳,利用芯片的 ADC功能采集模擬電壓信號(hào)，從而得到煙霧濃度值:火焰識(shí)別則是將傳感器數(shù)字輸出端直連GPIO的 PB15引腳,配合比較器LM393調(diào)節(jié)靈敏度,實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰信號(hào)的精準(zhǔn)識(shí)別與響應(yīng);震動(dòng)傳感器SW-18010P模塊,輸出數(shù)字信號(hào)可直連STM32的GPIO引腳，無(wú)須額外電路設(shè)計(jì)。環(huán)境參數(shù)采集傳感器電路如圖3所示。
2.1.3通信模塊設(shè)計(jì)
ESP8266通過(guò)串口連接PA2/PA3,以JSON格式上傳數(shù)據(jù)至EMOX:ESP32-CAM采用獨(dú)立5V供電，其 OV2640攝像頭可壓縮生成640X480的JPEG圖像。通信模塊電路如圖4所示。
2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程從“開始”節(jié)點(diǎn)啟動(dòng),先執(zhí)行系統(tǒng)初始化,完成后進(jìn)入主循環(huán),由任務(wù)調(diào)度模塊統(tǒng)籌三類核心任務(wù):1)OLED顯示任務(wù)，周期為1000 ms,采集數(shù)據(jù)后判斷是否異常,正常則顯示常規(guī)信息,異常時(shí)切換顯示并觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警:2)傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)定200 ms為一周期,持續(xù)穩(wěn)定獲取環(huán)境參數(shù);3)ESP8266通信任務(wù),包括三部分子任務(wù),主任務(wù)處理AT命令,周期為10ms,發(fā)送任務(wù)周期設(shè)定為1000ms,將數(shù)據(jù)經(jīng) ESP8266上傳服務(wù)器,接收任務(wù)負(fù)責(zé)解析傳感器所處狀態(tài)。各任務(wù)按周期有序執(zhí)行,協(xié)同保障系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn),流程結(jié)束于“結(jié)束”節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

在硬件焊接作業(yè)與軟件程序燒錄流程全部結(jié)束后,開展功能性驗(yàn)證測(cè)試,從系統(tǒng)整體層面測(cè)試軟硬件協(xié)同工作狀態(tài)與功能實(shí)現(xiàn)情況。

3.1 功能測(cè)試

在溫度監(jiān)測(cè)方面,用手捂住DS18B20傳感器后，監(jiān)測(cè)溫度從初始29℃逐漸上升至32℃,這一變化同步顯示在移動(dòng)端App和OLED屏幕上;煙霧報(bào)警測(cè)試時(shí),向傳感器MQ-2釋放丁烷氣體,當(dāng)檢測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)超過(guò)10時(shí),蜂鳴器立即啟動(dòng)報(bào)警程序:視頻監(jiān)控環(huán)節(jié),ESP32-CAM模塊實(shí)現(xiàn)了15f/s的流暢圖像傳輸,截圖操作的響應(yīng)時(shí)間控制在1s以內(nèi):火焰報(bào)警測(cè)試時(shí)，打火機(jī)打火靠近傳感器,當(dāng)檢測(cè)到火焰時(shí)，蜂鳴器啟動(dòng)報(bào)警:震動(dòng)報(bào)警測(cè)試時(shí),通過(guò)手搖晃實(shí)驗(yàn)板以達(dá)到模擬震動(dòng)的效果,搖晃一定時(shí)間,觀察蜂鳴器是否報(bào)警。實(shí)物測(cè)試如圖6所示,各模塊均達(dá)到預(yù)期效果。

3.2性能分析

由于實(shí)驗(yàn)室條件限制,僅對(duì)溫度傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行精度的性能測(cè)試分析,從測(cè)試條件、誤差范圍、相對(duì)準(zhǔn)確度三個(gè)維度呈現(xiàn)其性能表現(xiàn),為衡量系統(tǒng)可靠性提供關(guān)鍵依據(jù)。三個(gè)維度數(shù)據(jù)如表1所示。

溫度傳感器模塊測(cè)試精度分析:在16~35℃測(cè)試區(qū)間范圍內(nèi),溫度傳感器所產(chǎn)生的誤差范圍為±2℃。

根據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確度=(1-|最大誤差|/實(shí)際值)X100%，且實(shí)際溫度值控制在16~35℃區(qū)間范圍,經(jīng)計(jì)算可以得出相對(duì)準(zhǔn)確度大于94.29%。這一數(shù)據(jù)表明,溫度傳感器在常規(guī)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中,能穩(wěn)定輸出高精度數(shù)據(jù),因此可以得出該傳感器可有效支撐溫度相關(guān)的預(yù)警功能與環(huán)境監(jiān)測(cè)。

煙霧傳感器模塊測(cè)試精度分析:針對(duì)0~5x10^-4范圍內(nèi)的煙霧體積分?jǐn)?shù)測(cè)試條件,煙霧傳感器所產(chǎn)生的誤差范圍是-12X10^-6~+10x10^-6。根據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確度的計(jì)算方法,計(jì)算后可得相對(duì)準(zhǔn)確度大于97.60%?；馂?zāi)預(yù)警體系中,煙霧濃度是關(guān)鍵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo),此精度意味著傳感器可精準(zhǔn)捕捉煙霧濃度變化，當(dāng)濃度超出安全閾值時(shí),能為系統(tǒng)提供可靠的觸發(fā)信號(hào)，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患提供數(shù)據(jù)支撐，且煙霧傳感器誤差小,降低了誤報(bào)、漏報(bào)、滯后風(fēng)險(xiǎn)。

火焰?zhèn)鞲衅髂K測(cè)試精度分析:針對(duì)探測(cè)距離5~80cm范圍內(nèi)的火焰距離測(cè)試條件,火焰?zhèn)鞲衅魉a(chǎn)生的電壓誤差小于等于0.2V,可以滿足監(jiān)測(cè)要求。火焰監(jiān)測(cè)對(duì)精度與響應(yīng)速度要求較高,其電壓誤差小,且符合理論曲線,表明傳感器對(duì)火焰信號(hào)的識(shí)別具有高度一致性與可靠性,在火災(zāi)發(fā)生時(shí),能準(zhǔn)確、快速、及時(shí)響應(yīng),為滅火及人員疏散爭(zhēng)取時(shí)間。

三類傳感器在對(duì)應(yīng)測(cè)試條件下,精度可滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求，從溫度異常感知、煙霧濃度捕捉到火焰識(shí)別,構(gòu)建起多維度、高精度的火災(zāi)預(yù)警感知層,為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與功能實(shí)現(xiàn)筑牢基礎(chǔ)。

4 總結(jié)及展望

本系統(tǒng)通過(guò)多傳感器融合與雙通道通信設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)列車廂環(huán)境全維度監(jiān)控,體現(xiàn)出系統(tǒng)的“三性”:1)創(chuàng)新性:主控制器STM32搭配ESP8266Wi-Fi模塊與ESP32-CAM模塊的架構(gòu)解決狹小空間部署難題:2)經(jīng)濟(jì)性:硬件成本低廉,較國(guó)外方案降低60%;3)可靠性:多級(jí)報(bào)警聯(lián)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間小于1s,誤報(bào)率小于5%。

隨著技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)可從引入AI算法實(shí)現(xiàn)火焰與入侵行為的智能識(shí)別、采用LoRa+5G雙模通信增強(qiáng)信號(hào)覆蓋、集成電池備份模塊應(yīng)對(duì)供電中斷三個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

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《機(jī)電信息》2025第19期