中职类学校学生宿舍火灾预警疏导智能系统
0 引言
近年来，国内几所高校学生宿舍起火事件屡次发生，造成不可挽回的后果，也不断给予我们反思。学生宿舍的安防系统是否需要进一步完善，学生自我保护和突发事件应对能力是否需要加强培养等问题，一再成为学校和社会讨论的重点。而中职类学校的学生，大部分都还处于青春懵懂时期，没有太多的成长阅历和生活经验，为人处世还欠成熟，对于突发事件能力薄弱，自我保护意识欠缺，为减少在中职类学校学生宿舍安全隐患，迫切需要一个能够针对火灾事故及时预警、通知学生和校内负责人员、并有效指导学生选择最优逃生方法，正确有序的逃离火灾现场的智能安防引导系统，以此来把损失降低到最小。鉴于此，拟设计一套智能火灾报警及引导系统，本系统通过温度探测器和CO气体探测器实时监测宿舍内空气温度和烟雾浓度信息，来判断是否出现火情；配有预警监控系统，再次确定报警信号，并作出最及时的处理，拉响宿舍火灾警铃；开启电磁阀喷洒自来水，通过宿舍内广播引导学生正确逃生，从而达到预防事故恶化的效果。
1 系统硬件设计
本系统硬件主要有以下几部分组成：火灾探测系统、自动报警系统、紧急疏散系统三个模块。各硬件模块组成框图如下：
火灾探测系统自动报警系统紧急疏散系统
1.1 火灾探测系统
火灾探测系统主要功能是通过相关传感器，时时采集宿舍环境温度、一氧化碳气体浓度等数据，并检查学生宿舍内实际灾情。本系统主要使用温度传感器和气体传感器相结合，不仅降低由于各种环境因素干扰而引起误报的概率，而且由于气体传感器的探测还大大提高了早期火灾隐患的探知能力。
本系统中选用美国DALLAS半导体公司生产的DS1820型单线智能温度传感器。这是一种新一代适配微处理器的智能温度传感器，其独特的“单线总线”专有技术，通过串行通信接口（I/O）直接输入被测温度值；其温度测量范围是-55～125°C，分辨率为0.5°C，若采用高分辨率模式的话，可高达0.1°C；该器件内含寄生电源，即可由单线总线供电，也可用外部+5V电源供电。
DS1820采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，此处选用3脚封装型。I/O 为数据输入/输出端（即单线总线）；UDD是可供选用的外部电源端，不用时接地；GND为接地端。本系统采用寄生电源供电方式，为保证能提供器件足够电流正常采集温度数据，采用一个MOSFET管和单片机的I/O接口来完成对DS1820总线上拉，然后通过另一I/O接口进行控制并获取温度值。
DS1820型单线智能温度传感器电路图
而为了弥补温度传感器感测温度时，响应速度较慢、难以排除热度是空调或其他热传导电气设备发出来的热量等缺点，增加了CO气体传感器来检测空间内一氧化碳气体浓度，大大提高了火灾检测的精确度和准确性。
系统中选用MQ-7型气体传感器来实现检测一氧化碳浓度的要求。这种气体传感器采用高低温循环检测方式检测一氧化碳，低温时传感器的电导率随着空气中一氧化碳气体浓度增加而增大；高温时传感器清洁低温时吸附的杂散气体。MQ-7气体传感器对一氧化碳的检测灵敏度高，使用寿命长，成本低，稳定性好，所以得到了广泛的应用。
由于MQ-7传感器在使用过程中，热丝可能烧断，但难以发现，为了能够及时发现传感器损坏，避免报警失效的情况，在线路设计中还特别设计了气体传感器气敏软件自检电路。当元件热丝烧断时，R3电阻上的电压信号消失为0，VT3集电极输出低电平到单片机，点亮小灯报警及时通知用户。同时，MQ-7传感器不直接焊入电路，而是通过七脚电子管座与电路相连，若出现损坏即可直接从管座中拔出更换，从而解决了更换困难的问题。
MQ-7一氧化碳气体传感器电路图
1.2 自动报警系统
自动报警系统这一模块，主要由单片机控制电路组成，而有效实现性能要求、保证运行稳定性，并兼容标准MCS-51指令系统，本课题选用美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能的CMOS8位单片机AT89C51。
AT89C51单片机连接电路图
AT89C51单片机拥有4k字节可编程闪存，支持1000次擦写循环寿命，数据最长保留时间可达10年，32个可编程I/O接口，6个中断源，2个16位定时/计数器，可编程串行UART通道，低功耗闲置和掉电模式等主要特性，使其在很多嵌入式控制系统中得到广泛应用。
设计该模块系统的时钟电路由两个30P的电容和12MHz的晶振构成。复位电路由电阻、电容、二极管和按钮开关构成，使其具有上电复位和手动复位的功能。同时，单片机的INT0、INT1接口分别与DS1820型单线智能温度传感器和MQ-7一氧化碳气体传感器相连，实现对环境参数的采集。为了防止环境干扰信号对触发中断的影响，当响应中断后，对中断信号多次巡检，确认是中断信号时，才去执行中断处理子程序，否则认为是外界干扰信号不执行报警处理，这样有效降低了误报几率。
一旦宿舍环境参数出现异常，立刻转密码程序启动预警程序。端口INT0和火灾预警信号灯相连，对早期出现的可疑灾情预报至学校保卫部门。为了防止干扰信号对触发中断的影响，设定中断信号多次检查之后，确认无误后才执行下一步程序，否则将预警信号认定为误报情况，不执行火灾报警处理。
预警信号灯触发后，由保卫部门核查可疑情况，如果排除火灾可能，即可按下复位按钮（与单片机端口RST相连），及时解除报警。端口P2.0与电磁阀控制电路相连，该电路由继电器驱动，实现自动智能洒水功能。端口P2.1与语音播放电路相连，在遇到灾情及时播放逃生引导语言，安抚学生情绪并帮助学生有效自救。端口P1.0、P1.1分别连接学生宿舍楼的火警蜂鸣器和保卫部门的火警蜂鸣器，确认火灾第一时间全校戒备，将事故损失降到最小。
1.3 紧急疏散系统
紧急疏散系统模块主要由几个部分组成：语音电路和键盘电路。语音电路采用美国ISD公司开发的ISD1420语音芯片制作而成。该芯片具有录放一体化、断电语音信息不丢失、高度保真等特点，内设时钟振荡器、128K字节E2PROM、自动增益控制电路等录放系统所需的全部基本功能，可以完美实现课题要求。根据要求设计语音电路如下图所示，所有地址线起始地址均设置为“0”，当按下REC 键后，录音开始，数据从0地址开始存储，直到存储器满或者松开按键为止；当按下PLAY键后，则开始放音，直到PLAY松开或者存储器用完为止。其中LED2为录音指示灯，C305和R305为增益调整电路。
