摘 要：设计一个景区无线报警系统，检测景区是否有火情；在火灾发生时，及时将烟雾、热量等信号转变为电信号发送给相关的工作人员，能够达到报警救火、及时保护人们生命财产安全的目的。系统应用设计以STC89C52单片机作为核心控制器，采用传感器技术和无线信号传输技术实现了景区火灾的报警功能。系统具体由火灾检测、信号处理、无线通信、报警显示等主要模块组成。演示结果为：当主机和从机都打开电源，从机上火焰传感器的探头就开始检测环境是否着火，如果着火就通过单片机的处理让JDY-40无线模块给主机发送火灾信号，主机接收信号后则使蜂鸣器响，并在电子屏上显示发生火灾的景区地址，这个过程就完成了报警。系统安装、调适、运行与后续检修方便，性价比较高。
关键词：景区消防管理；STC89C52；火焰传感器；JDY-40无线模块；OLED模块；无线报警系统
中图分类号：TP277；D035.36 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）17-0189-07
0 引 言
我国火灾安全预警设备的研发已经走过了由零到多、由简至繁的发展历程。许多厂家都在努力开发符合消防行业特征的防火报警与联网技术，在火灾监控和火灾救助中发挥着举足轻重的作用。目前火灾报警系统主要在探测器技术和远程报警系统方面进行改进[1-2]。比如，复合式探测器一般是有超声波/被动红外复合式探测器、微波/被动红外复合式探测器，可以将智能技术和物联网技术应用到探测器的升级发展中，实现探测智能化、智慧化。远程报警系统包括有线报警系统、无线报警系统、报警联防网络等[3-4]。一般利用电脑连接到用户端的感应器和用户端的数据采集装置，实现对火情的实时监测和远距离发送。可以将火灾自动报警器作为一种公用的报警方式，连接到监测设备上，火灾控制中心可以对火灾地点、火灾类型做出判断，并及时安排消防救援[5-6]。这里，设计一款实用的景区无线报警器系统，将使用者端与讯号采集装置相连接，并利用无线电通信技术实现消防讯号的快速、高效和准确共享。
1 景区无线报警系统总体设计方案
设计一个景区无线报警系统，系统整体框架图如图1所示。该系统检测景区建筑物内是否有火情，检测烟雾、火光、温度。如果检测到起火，报警发射机可发出火警以及景点号码，接收站可以接收到报警信号，此外接收站与检测火源处的距离不小于120 m。具体要分为两大板块，其中一个板块为报警发射机，比如对应景点A、景点B、景点C等，用以检测是否着火，若着火就及时发出报警信号；另一个板块是接收站，其作用为接收景点发出的火警信号并报警，且准确显示着火的景点号码。其实现过程为报警器通过火焰传感器监测环境的温度、烟雾浓度等信号，并将信号发送给单片机，当检测到超过预定温度、烟雾浓度过高则立即启动无线发送模块，将信号发送给接收站。该无线报警系统需要有几大模块支持，分别为火灾检测模块、信号处理模块、无线通信模块、报警显示模块[7-9]。火灾检测模块即景点传感器的部分，其功能在于检测环境的烟雾、火光强度、温度等信号，将其转换为电信号传送给单片机处理；信号调理模块负责对采集到的数据信号进行处理，包括与报警阈值对比，当超过预先设定的阈值则要通过无线通信模块将报警信号等信息发送给报警显示模块[10-12]。
2 景区无线报警系统硬件设计
2.1 硬件总体电路
硬件总体上分为报警信号发射器与接收站两个部分，此处设定两个报警信号发送端，分别代表两个不同的景点。整个系统主要包括火焰传感器、单FH+L4VsbFVeOzVABSXkuGZJvJiRz5QQuHWnfQw5uefI=片机STC89C52、LED灯、三极管8550、JDY-40无线模块、直插式晶振、电阻这些元器件。发送端大致上可以分为电源、火焰传感器、无线发送、单片机最小系统四个模块；同时，接收端大致上可以分为电源、无线接收、单片机最小系统、蜂鸣器报警、电子屏显示等五个模块。电源模块使用电池供电，并安装一个总开关来控制整个报警信号发射器的启动与关机，主机电路图与从机电路图分别如图2、图3所示。
2.2 电源模块
本系统设计要求为电池供电，选用的STC89C52RC单片机的工作电压在3.3～5.5 V之间，所以电池选用普通的5 V直流电。无限报警系统的发射机与接收机每块板上都要有一个电源，并且安装按键开关来控制整块板是工作状态on还是关机状态off。当按键按下时整个发射机或接收机板块通电，开始工作。
2.3 单片机最小系统模块
STC89C52RC单片机是一款高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，用户程序空间为8 KB，片上集成512字节RAM，有32个通用I/O口，无须专用编程器与专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下载用户程序，在本系统的设计通过串口来实现无线信号的发射与接收。
单片机STC89C52RC最小的系统模块由复位电路和晶振电路组成。复位电路主要是让电路上电后恢复原来的起始状态，主要是靠电阻电容RC的充放电完成。因为STC89C52RC单片机是高电平复位，所以只要让单片机的RST引脚保持一段时间的高电平就能实现复位。当电源一开启，电容充电，RST高电平，过了一段时间之后，电容充满则断开了电源，RST接地为低电平，这样就完成了复位。
晶振电路是整个系统的心脏，为系统提供基本的信号时钟。单片机正常工作需要一个时钟，因此需要在单片机的XTAL1、XTAL2外接晶振。火灾报警系统需要串口通信，选择晶振大小为11.059 2 MHz，因为对于串行通信，设置的波特率误差为0。如果直接将晶振接到单片机引脚会发生系统工作不稳定，这是因为晶振在起振的一瞬间会产生一个电感，为了消除这个电感所带来的干扰，在晶振的两端分别加上了旁路电容，电容另一端共地。
2.4 报警发射机系统模块
2.4.1 火焰传感检测电路
搭建火焰传感器有两种方案。
第一种是动手搭建一个简单的火焰传感器检测电路。将红外接收管和一个10 kΩ的可调电阻串联，电阻的一端接正极，红外接收头的一端接负极，在它们连接的位置引出一根线作为信号线，这样可以构成一个简单的火焰传感器，可调电阻可以调节它的灵敏度。
第二种方案就是买一个火焰传感器直接连接电路。此处选择第二方案，因为火焰传感器模块使用方便，观察直观，方便安装，便于调节，灵敏度和精确度更高一些，对火焰光谱特别敏感。火焰传感器模块可以检测火焰或者波长在760～1 100 nm范围内的光源，灵敏度可调，对火焰的探测距离更灵敏度和火焰强度有关，一般10 m以内适用。该模块还有两种输出形式，一个是模拟量电压输出，另一个是数字开关量输出，也就是输出0和1。
火焰传感器模块的引脚接口有三个，分别为电源VCC，外接3.3～5 V电压、GND接地、D0为数字量输出接口。D0与单片机的P1.0直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的温度改变。当模块在环境火焰光谱或者光源达不到设定阈值时，D0口输出高电平；当外界环境火焰光谱或者光源达到设定阈值时，D0口输出低电平。电路中还将LED灯与一个1 kΩ的电阻串联接在单片机的P1.1口，当火焰传感器D0口输出低电平，经过单片机处理，使P1.1口为低电平，则LED灯亮，说明火焰传感器检测到环境中有火情，要向接收站发出报警信号。
2.4.2 无线模块发射端电路
JDY-40无线模块发射端电路主要是由JDY-40无线模块构成的，它是一个2.4G模块，视距120 m，可以实现系统设计的要求即无线传输距离在120 m以内，串口半双工通信，窗口写入数据无字节限制，使用很方便，只需与单片机的串口相连就能完成数据的传输。JDY-40无线模块有14个引脚，其功能如表1所示。
JDY-40无线模块的通信是要靠AT指令来执行的，模块与模块之间的通信需要设置一些功能与参数，大多数出厂时，模块配置参数都已经设定好它的默认值，波特率默认为9 600，无线ID默认值为8 899，设备ID默认值为1 122，频道为001，发送功率为+10 dB，设备类型为A0。AT指令有很多种类，查询JDY-40无线模块的使用手册可以获得设置/查询-CLSS类型，具体指令及功能如表2所示。
在JDY-40无线发射电路搭建中，JDY-40无线模块的串口透传可实现单片机与单片机之间的无线传输。采用串口半双工方式实现双向透传，收发一体。它支持串口连续写入，接收数据串口收发数据无字节限制。JDY-40无线模块的引脚功能由表1可知CS低电平唤醒，故接地；SET引脚高电平透传，低电平AT指令，它与单片机的IO口连接可以受单片机的控制，接收信号到底是高电平还是低电平，以实现收发功能，在电路中直接悬空置于高电平使它实现的功能是透传；引脚TXD与单片机的P3.0/RXD引脚连接；引脚RXD与单片机的P3.1/TXD引脚连接。需要注意的是电源应该是3.3 V电压，如果用5 V电压就容易坏，出现乱码等错误。由表2可知串口透传CLSS类型为A0指令，即AT+CLSSA0，JDY-40可以实现透传。出厂时CLSS类型默认为A0，所以可以不用特意重新设置。
2.5 接收站系统模块
2.5.1 无线模块接收端
无线模块接收端的设置与发射端的一样，电路的连接也是与无线模块发射端电路一样。要实现无线信号的传输，JDY-40无线模块的CS引脚要为低电平，将它接地；SET引脚要为高电平，直接将其悬空一直置于高电平。串口输入引脚和串口输出引脚分别与单片机的串口输出引脚和单片机的串口输入引脚连接。
2.5.2 蜂鸣器报警
蜂鸣器广泛应用于计算机、打印机、报警器等电子产品中作发声器件。按照驱动方式的不同可以分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，这里的有源和无源不是指电源，而是震荡源。此处使用有源蜂鸣器。有源蜂鸣器的使用要搭配一个三极管，用来放大电流，因为单片机输出的电流是毫安级别的，无法直接驱动蜂鸣器。比如，三极管8550是电子电路中常用到的小功率PNP型硅晶体三极管。其工作原理是用E到B的电流控制E到C的电流，发射极电位最高，且正常放大时通常集电极电位最低，电压大小VC
2.5.3 电子屏显示
OLED为有机发光二极管，又称有机电激光显示。OLED显示模块由于同时具备自发光、不需背光源、对比度高、分辨率高、视角广、反应速度快、构造及制程较简单等优异特性，它比一般的LCD显示模块、点阵显示模块显示效果要好一些。OLED一般有五种接口方式，可选择IIC接口方式，因为只需要2根线就可以控制OLED，操作起来更方便快捷。IIC接口模块的引脚有四个，分别为GND：电源地；VCC：电源正；SCL：OLED的D0脚，在IIC通信中为时钟管脚；SAD：OLED的D1脚，在IIC通信中为数据管脚。比如，选用OLED模块是由128个列和64个行组成的显示面板，在软件部分写入显示字符时很重要，每一个行和列交叉的小点就对应电子屏上的行和列交叉的发光二极管，也就是一个小灯，每个小灯的负极共地，所以当信号为高电平1时小灯才会亮，才能显示在屏上。
3 系统软件设计
3.1 系统发射端软件设计
发射端板块有两个一样的电路板，分别为景点A和景点B，它们的硬件电路的连接都是相同的，向接收站发送信号主要是靠软件的编写来区分那块板是景点A，哪块板为景点B。按下电源开关按键，首先要使串口初始化，设定波特率为9 600这个值，接着在主函数中运行，检测单片机P1.0端是否为低电平，如果是则用IF函数判断火情是哪一户发送的，确定好再通过子函数发送单字节传输到串口，等待数据发送完毕。
3.1.1 串口初始化程序
STC89C52单片机的串口相关的寄存器的值关系到串口是否能够正常工作。首先要设置的是串行控制寄存器SCON的值，其寄存器符号及功能如表3所示。
代码SCON=0x50，表示SCON的值转换成二进制为01010000。由表3可知，SM0、SM1组合起来的值为01，则表示串行口的方式选择为方式1，即8位UART。发送数据时数据从TXD端口输出，当数据写入发送缓冲器SBUF时就启动发送器发送，发送完一帧数据后，置中断标志TI=1申请中断；接收数据时串口从RXD接收数据，当接收完一帧数据时，置中断标志RI=1申请中断让单片机从缓冲器SBUF中接收走数据。波特率可变，波特率的计算由下列公式确定：
波特率=（2SMOD/32）×（定时器1的溢出率）
经过公式的计算，要求波特率为9 600，且已知晶振大小为11.059 2 MHz，就能算出初始值为0xFD。此外REN=1表示为允许串行接收状态，可启动串行接收器RXD开始接收数据。
定时器TMOD为定时器的方式选择，程序TMOD＝0x20，转换成二进制为001 000 00。TMOD表如表4所示，选择定时器为1，工作方式2为自动重载8位定时器。在工作方式2中，TL1作为计数用，而自动装入的初值放在TH1中。ES为高电平是则开串口1总中断。TI为发送中断请求标志位，当它为高电平时则向主机请求中断。
3.1.2 火灾检测程序
火灾检测程序流程如图4所示，在打开中断后，火焰传感器检测环境的火焰阈值是否达到规定值。若达到则huoyan==0，此时就要发送报警信号并使LED灯亮了，需要说明的是火焰阈值的检测是有一定时间段的稳定的，并不是一检测到超过阈值就报警，而是它超过阈值并保持2 s左右的稳定才报警，这样可以防止假报警，减小错报、误报的概率提高系统精确性。在区分景点A和景点B的方面，在代码中用变量m来代替，当m=1时就代表时景点A，当m=2时就代表时景点B。
3.1.3 发送数据子函数
当在主函数中确定了某个景点着火，假设景点A着火，那么就进入子函数发送数据，此时为了传输数据的稳定及正确性需要关闭中断，使ES=0，再将需要传输的数据0x01写入串口的缓存区，等待数据自动发送出去。
3.2 系统接收端软件设计
3.2.1 接收端主程序设计
当电源打开，系统先使串口初始化，打开串口总中断，并使显示屏初始化，在显示器上显示“无线报警系统”这六个字，清除串口的缓存数据。如果通过JDY-40无线模块接收到报警信号，就将景区发生火灾的字样显示在屏幕上，比如，景区A发来报警信号，则在OLED屏幕上显示景区A发生火灾，并使单片机P1.0为低电平，蜂鸣器报警。当发生火灾时也不断检测按键是否按下，若确实检测到按键按下，则表示停止报警，结束屏幕上的显示，使整个接收端恢复初始状态。在程序设计中，任何一个环节按下按键key，则都会停止报警，显示屏恢复为原来的没有报警的初始状态。
3.2.2 串口有关的程序设计
首先是判断接收中断标志位RI是否为1，若是则将其置0，停止中断，检测当前是否收到无线信号并且变量start1为2；再判断串口1缓存区的数据是否为0xBB，若是则将uart1ok1置1，start1写0，表示串口缓存区正在接收数据，否则将缓存区的值存入Uart1_Buf数组中，并变量Count1开始计数加1；如果串口缓存区的数值为0xAA且变量start1为0，没有接收信号时，则将变量start1置于初值2，计数变量Count1清零。
3.2.3 OLED屏幕显示程序设计
OLED屏幕显示分为三大部分，分别是OLED屏的初始化、确定显示位置、显示内容，OLED的显示画面是由128×64个的发光二极管组成的，也就是64行和128列，屏上的发光二极管都是负极共地，因此当得到一个高电平时，发光二极管会亮，这样就能在屏幕上任意位置显示字符、汉字、数字、图像等，具体内容如下：
1）OLED屏的初始化。通过参考OLED手册，直接得到初始化程序，在程序中会用到写命令程序和写数据程序，写命令程序中当从机地址的最低位为低电平时表示发送指令，即R/W=0表示写；当从机地址的最低位为高电平时表示读取信息，即R/W=1表示读。因为要在屏幕上显示发送指令，所以要使R/W=0，得到0x78表示写入一个字节，紧跟着回复一个应答信号ACK。接着是一个控制字节，控制字节中的CO=0表示后面跟随的信息是字节。D/C=0表示后面发送的是一个命令，D/C=1表示后面发送的是一个数据，这就是写命令程序和写数据程序的不同之处，如果是写命令就要发送0x00，如果是要写数据就要发送0x40。
2）确定显示位置。OLED的64行用Row0～Row63表示，64行又将每8行分为一页，共分为8页，每页表示一个字节，符号表示为PAGE0～PAGE8，128列用Col0～Col127表示。OLED的寻址方式选择的是页寻址方式。在确定是第几页时，由于地址高5位固定为10110，低三位的值就代表着选择的位置在第几页，低三位可以有二进制表示0～8任意一个数，如要到第y页就可以发送0xb0+y就能确定从第y页开始。在确定第几列时，分为列高低地址。
3）显示内容。显示的内容有三种类型，分别是字符、字符串、汉字。在显示字符子程序中，在确定好显示位置后，将字符偏移后的值赋值给变量c，判断要开始的行是否在128列以外，如果超出了一行的最大值，就使变量x为0，然后判断字符大小是不是等于16，如果是就开始写数据函数，把字库里代表字符的数组值与数值写入即可。
在显示字符串子程序中，先就是判断储存字符数组是否还有字符，若有就进入显示字符子程序，与输入单个字符一样，并且使x+8；当变量x大于120时，则转行，从下一行的第一列开始再输入字符。
在显示汉字子程序中，首先确定显示的初始位置，然后再将字库里代表的汉字的数组值与数值写入。
4 运行结果
4.1 显示描述
整个系统实物为一个主机、两个从机，也就是1个接收机、2个发射机，发射机分别是景点A、景点B。主机和从机接通电源按下电源开关后，整个板块启动开始工作，如图5所示，从机上的火焰传感器模块上的绿灯亮，主机OLED电子屏上显示“无线报警系统”六个字。
在景区A从机的火焰传感器探头处点火，并维持时间2～3 s，可以看到在景区A板块上的LED灯亮起1 s后熄灭，表示当前环境有火情，并向主机发送报警信号。主机的蜂鸣器鸣叫，LED灯持续亮起，并且在OLED屏上显示“景区A发生火灾”，如图6所示。同样，在景区B从机的火焰传感器探头处点火，并维持时间2～3 s，可以看到在景区B板块上的LED灯亮起1 s后熄灭，表示景区B有火情，并向主机发送报警信号。主机的蜂鸣器鸣叫，LED灯持续亮起，并且在OLED屏上显示“景区B发生火灾”。在主机上有一个黑色的按键，按下则主机恢复原来没有报警时的状态，蜂鸣器停止鸣叫，LED灯熄灭，OLED显示屏上恢复到原来只有“无线报警系统”这六个字时的状态。
4.2 可行性分析
该系统实物测试，选取10米为一个距离测试截面，测试系统的灵敏度与实际可工作距离范围，在115米范围内两个从机处点火，主机都能收到火情信息，系统反应非常灵敏，准确率达到100%。当距离在115米以上时信号不太稳定，主要是距离较远且有其他障碍物的阻挡，造成了系统反应不及时，信号不稳定的情况，但是照样可以收到报警信号。在距离为135米及以上时，就难以收到火灾报警信号，这是由于这个距离已经超过了JDY-40无线模块的视距，火情检测结果如表5所示。在景区重要建筑物内安装该系统可以提高发现火情的及时性，在景区火灾监控室内管理人员可以迅速做出反应，第一时间抢救景点内的文物财产及保护游客生命安全。
5 结 论
景区一旦发生火灾，便会造成严重损失。在智能化、自动化和电气化迅猛发展的今天，为了保证人们的财产和人身安全，火灾报警系统的应用逐渐广泛。我们常用有线的报警装置，但在许多场合中，有线传输的应用会受到限制，如线路容易老化、受潮、被腐蚀等，保养与维修费时费力。因此，无线火灾报警系统的开展和应用对人们的生产与生活有着不可忽视的作用。无线火灾报警系统将物理传感器技术、物联网、通信传播等技术融为一体，在火灾发生时，可将烟雾、热量等信号转变为电信号发送给相关的部门，达到报警救火、及时保护人们生命财产安全的目的。本应用设计以STC89C52单片机作为核心控制器，采用传感器技术和无线信号传输技术实现了火灾的报警功能。
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作者简介：彭雯（2001.03—），女，汉族，湖南常德人，硕士在读，研究方向：人口资源与环境、数字经济；罗君名（1973.12—），男，布依族，贵州都匀人，副教授，博士，研究方向：数字经济、产业经济、智慧旅游。
收稿日期：2024-03-08
基金项目：海南省自然科学基金项目（721RC552）
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.17.037
Application Design of Indoor Wireless Alarm System in Scenic Spots
PENG Wen， LUO Junming
（Key Laboratory of Ecological Civilization and Land Sea Integrated Development in Hainan Province， Hainan Normal University， Haikou 571158， China）
Abstract： A wireless alarm system is designed for scenic spots to detect any fire in the area. In the event of a fire， converting smoke， heat and other signals timely into electrical signals and sending to relevant staff could achieve the goal of alarm and firefighting， and timely protecting peoples lives and property safety. The system application design uses STC89C52 single-chip microcomputer as the core controller， and adopts sensor technology and wireless signal transmission technology to achieve the alarm function of scenic spot fires. The system specifically consists of main modules such as fire detection， signal processing， wireless communication， and alarm display. The demonstration result is that the probe of the flame sensor on the slave starts to detect whether the environment is on fire when both the host and the slave are powered on. If it is on fire， the JDY-40 wireless module sends a fire signal to the host through the processing of the single-chip microcomputer. After the host receives the signal， it will sound a buzzer and display the scenic spot address of the fire on the electronic screen. This process completes the alarm. The system is easy to install， adjust， operate， and undergo subsequent maintenance， with a high cost performance ratio.
Keywords： fire management in scenic spot; STC89C52; flame sensor; JDY-40 wireless module; OLED module; wireless alarm system
