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防災系統

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MCU/WiFi模組共織救生網 火災煙聯網整合偵測與引導

因此,煙聯網藉由無線通訊技術,讓裝置間(火災警報器、滅火器及逃生出口指示燈)傳送訊號,實現可隨意擴充之物聯網(Internet of Things, IoT)防災系統,當火災警報器啟動時,透過聲響及燈光指示民眾尋找滅火器及逃生出口指示燈,有助於民眾快速從火場中逃生。 防災物聯網協助火場逃生 無線通訊技術已是相當成熟的科技,透過2.4G的Wi-Fi,同時具有一定的穿透能力及傳輸速度,加上可聯接網路,訊息傳送至雲端便能協助使用者透過手機接收訊息。因此煙聯網結合物聯網技術改善傳統防災設備無法連動之缺點,把每個火災警報器、滅火器指示器、逃生出口指示燈當作節點,當偵測到火災發生時,將訊號透過各個節點依訊號範圍往外傳送出去,建立可隨意擴充的防災系統。 煙聯網原理及功能分析 煙聯網由火災警報器、滅火器指示器、逃生出口指示燈三部分所組成,如圖1架構所示。使用盛群半導體(Holtek)8位元之HT66F2390 MCU作為裝置的主要核心,火災警報器搭配Wi-Fi模組及紅外線收發模組,達到煙霧偵測及無線通訊的功能。煙霧偵測使用紅外線會被煙霧遮蔽的特性,在紅外線訊號被干擾時表示火災發生,並使用MCU內部之UART通訊界面與Wi-Fi模組連接,控制Wi-Fi模組發送無線訊號,達到火災警示並傳送無線訊號。滅火器指示器及逃生出口指示燈使用Wi-Fi模組,收到無線訊號時,蜂鳴器會發出聲響,達到指引的功能。 圖1 煙聯網架構圖 煙霧偵測器由MCU、Wi-Fi模組、蜂鳴器、紅外線發射接收模組組成。煙霧偵測部分使用光反射之原理,使用紅外線作為光源,光感測器作為受光源,兩者之間夾角度避免直接受光,紅外線照射到煙霧微粒會反射到光感測器(圖2),當光感測器接收到光,藉由MCU執行數值判斷,當數值大於濃煙標準,即判斷火災發生,驅動蜂鳴器,並透過MCU之UART通訊介面連結Wi-Fi模組,將無線訊號藉由Wi-Fi模組發送。 圖2 煙霧偵測原理圖 滅火器指示器由Wi-Fi模組、蜂鳴器組成。滅火器指示器由Wi-Fi模組接收無線訊號,若收到火災發生訊號則驅動蜂鳴器,使滅火器發出聲響,提醒民眾火災地點附近之滅火器位置,在火災發生時達到預防性滅火的功能。而逃生出口指示燈,由出口指示燈、蜂鳴器及Wi-Fi模組組成。當Wi-Fi模組接收到火災發生時煙霧偵測器所發出之無線訊號,將自動點亮逃生出口指示燈,提示民眾疏散動線及逃生方向,增加公共場所火災時的逃生機會。    MCU為煙霧偵測器核心 HOLTEK 8bit MCU HT66F2390在煙聯網中扮演重要角色,由MCU作為煙霧偵測器的主要核心,透過UART連接粉塵感測器讀取環境空氣中粉塵之濃度值,並判斷是否超標,超標即代表火災發生,藉由UART控制Wi-Fi模組改變參數,使逃生出口指示燈、滅火器指示器運用搜尋的方式,接收火災發生之訊息,並指示民眾在火場中逃生。 煙聯網架構與多系統連動    火災警報器硬體架構(圖3),由電池提供電源,使用盛群8bit HT66F2390作為主要控制MCU,利用光線經過煙霧微粒會反射的原理,判斷是否發生火災,當受光模組接收到一定數值之光線即代表火災發生,透過MCU驅動蜂鳴器提醒民眾盡快疏散,並透過UART介面連結Wi-Fi模組,發送無線訊號驅動滅火器指示器及逃生出口指示燈。 圖3 火災警報器硬體架構圖 滅火器指示器及逃生出口指示燈的硬體架構大致相同(圖4),滅火器指示器及逃生出口指示燈硬體架構圖,皆由充電電池供電,確保斷電時能延續一段時間的正常動作,由Wi-Fi模組作為主要控制核心,當收到火災警報器發出之無線訊號,將驅動蜂鳴器,指示附近民眾尋找滅火器,不會使用滅火器的民眾則可以藉著逃生出口指示燈及其發出的聲音尋找逃生出口,透過火災警報器、滅火器指示器、逃生出口指示燈三個獨立系統互相連動,發揮滅火及逃生指引效果。 圖4 滅火器指示器及逃生出口指示燈硬體架構圖 微處理器 HT66F2390微處理器CPU具有8MHz、12MHz、16MHz三種系統時脈選擇,其工作電壓分別為2.2~5.5V、2.7~5.5V、3.3~5.5V,震盪來源形式有HXT、HIRC、LXT、LIRC,內建8MHz、12MHz、16MHz的RC振盪器,並有多元操作模式FAST、SLOW、IDLE、SLEEP,支援長指令,具備省電及喚醒功能。HT66F239具有Program Memory 64K×16-Bit,Data Memory 4096×8-Bit,EEPROM Memory 1024×8-Bit,最多支援58支雙向I/O腳位,具有4支外部中斷輸入功能腳位,多個計時模組支援時間計數、比對吻合、PWM功能。 它的周邊功能有串列界面模組SIM,包含SPI、I2C傳輸,串列周邊介面SPIA,兩組UART傳輸,兩組時基計時裝置,可定時產生中斷訊號,兩組類比比較器,最多支援16個通道、12-bit解析度的A/D轉換器,內建MDU乘法器除法器運算單元供開發者使用。 煙聯網使用MCU之UART傳輸介面讀取粉塵感測器數據,分析並計算環境之粉塵濃度,當濃度超標時,驅動蜂鳴器及LED燈,提醒使用者火災發生,並透過第二組UART傳輸介面與Wi-Fi模組溝通,驅動Wi-Fi模組傳送訊息給訊號範圍內之其他防災裝置。 粉塵感測器 GP2Y1051AU0F粉塵感測器,由Sharp公司生產製造,內部由光感測器(PD)及發光二極體(LED)、微處理器(MCU)所組成(圖5),藉由內部MCU驅動LED發出光線,光照射到粉塵會有散射的現象,散射進入到光感測器內的光轉換成電壓大小,藉由三次的功率放大(Amp Circuit)將微小電壓放大,並透過內部MCU執行A/D轉換以UART通訊方式輸出,即為量測環境中粉塵濃度(圖6)。 圖5 工作原理圖 圖6 架構方塊圖 GP2Y1051AU0F粉塵感測器藉由UART通訊協定作為粉塵濃度值之輸出,Baud Rate為2400bit/s,數據發送格式(表1),換算公式如下: Vout值=(Vout(H)*256+Vout(L))/1024*5 如表中範例值,Vout=1.53V。 表1  粉塵感測器輸出資料表 煙聯網使用HT66F2390與粉塵感測器連接,以UART通訊方式接收資料計算出粉塵濃度,並判斷濃度高低,在數值超標時判定為火災發生,驅動周邊防災系統。 Wi-Fi模組 ESP8266Wi-Fi模組是一顆32bit微處理器,工作電壓為3.3V,Wi-Fi模組外觀如圖7所示,具有Wi-Fi 802.11b/g/n 2.4G Radio,可以設定為AP、Station或AP+Station網路模式,並支援UART、I2C、GPIO、PWM、SPI、ADC等功能,價格便宜且容易取得,成為物聯網應用中常見的晶片。 圖7 Wi-Fi模組外觀圖 煙聯網使用ESP8266Wi-Fi模組UART通訊介面與主控MCU連接,當主控MCU偵測到粉塵濃度超標時,藉由UART介面使Wi-Fi模組改變Wi-Fi參數,使訊號範圍內之其他防災裝置得以搜尋到參數改變,並發出警報聲響。 充電模組 TP4056充電模組外觀如圖8,輸入端為Micro USB接頭母頭,輸入電壓為5V可以對電壓為3.7V之聚合物鋰電池單個或多個並聯充電,充電截止電壓4.2V,具有限流及過放電壓保護,最大充電電流1000mA,電池過放保護電壓2.5V防止電池過度放電造成額外電池壽命消耗。 圖8 充電模組外觀圖 軟體流程 煙霧感測器上電時,持續偵測環境中粉塵濃度,若判斷粉塵濃度超標即透過MCU之UART傳輸介面將驅動訊號傳給Wi-Fi模組,Wi-Fi模組會改變Wi-FiAP之MAC位址讓周邊裝置可以搜尋到狀態改變,MCU同時驅動蜂鳴器提醒使用者火災發生需儘速尋找滅火器及逃生出口,達到具備火災預警的防災功能(圖9)。 圖9 煙霧感測器軟體流程圖 滅火器指示器及逃生出口指示燈之軟體流程大致相同,藉由Wi-Fi模組持續搜尋的方式,搜尋鄰近Wi-Fi AP的MAC位置,若發現MAC位置改變為火災發生時之訊號,即改變自身Wi-Fi AP之MAC位置傳遞訊號,同時驅動蜂鳴器提醒民眾滅火器即逃生出口位置,並閃爍逃生出口燈,指引民眾拿取滅火器滅火並從逃生出口疏散人群,如圖10滅火器指示器及逃生出口指示燈軟體流程圖。 圖10 滅火器指示器及逃生出口指示燈軟體流程圖 LINE...
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