基于STM32的变电站烟雾识别系统设计

本文针对变电站火灾易危及人员设备安全的问题，聚焦烟雾识别与风险预警需求，设计了一种基于STM32单片机的烟雾识别系统，并探究其在变电站环境中的应用可行性。该系统以STM32为控制核心，搭载MQ-2烟雾传感器、DHT11温湿度传感器及MQ-135空气污染传感器，可实时采集烟雾浓度、温湿度、可燃气体含量等关键环境参数，结合报警模块、显示模块及WiFi通信模块，与机智云物联网平台建立远程连接。

采集的数据经STM32处理后，将同步上传至机智云物联网平台与本地终端，当监测到任一参数超出预设安全阈值时，系统会立即触发现场报警与云端预警。相较于传统单一报警装置，该系统通过多传感器融合与云端协同，拓展了火灾监测维度、提升了预警可靠性，为变电站安全稳定运行提供有力保障。

01系统总体设计

本文提出了一种基于STM32单片机的变电站烟雾识别系统，若DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器和MQ-135空气污染传感器检测到火情时，即单片机判定采集数据达到阈值，就会控制相应I/O口输出高、低电平控制蜂鸣器实现报警功能并把采集到的数据发送到STM32单片机，且把数据发送到OLED显示屏上，同时通过WiFi模块将数据发送到机智云，操作人员可通过机智云监测变电站情况，降低火灾发生风险。

系统主要由STM32单片机模块、多传感器模块、WiFi模块、OLED显示屏、蜂鸣器和机智云六个部分组成，系统总体功能框架如图1所示。

图1系统总体功能框架

02系统硬件设计

系统采用基于Cortex-M3内核的STM32F103C8T6作为主控芯片，通过其72 MHz主频和丰富的外设接口实现高效数据处理与设备调度。系统配置了DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器以及MQ-135空气污染传感器，通过多传感器实现温度、湿度、烟雾浓度等环境参数的精准采集，然后再利用WiFi模块将数据上传至机智云，使作业人员可远程监控变电站环境中的各项数据并实时控制。

2.1 STM32F103C8T6芯片

目前适用于嵌入式开发的单片机有AVR、ARM、PIC和STM32等，相比AVR和PIC,STM32性价比更高且可处理更复杂的控制任务和算法；对比ARM系列，STM32在成本、开发友好度和市场普及率上更具竞争力。故本文选择STM32系列单片机中的STM32F103C8T6芯片。

STM32F103C8T6芯片工作电压范围为2.0～3.6 V，主频最高支持72 MHz。该芯片在保持出色运算性能的同时，具备优异的能效表现，特别适合需要长时间运行的嵌入式应用场景。该器件集成了128 KB可编程Flash存储器和20 KB SRAM，内置完善的电源管理系统，包括电源监控单元、电压调节器和高精度振荡电路。在接口设计方面，提供了丰富的外设资源，支持多种通信协议，极大简化了外围电路设计。此外，该芯片还支持包含待机、停止和睡眠三种节能模式，可以显著降低系统功耗，延长系统电池寿命。凭借出色的性价比和稳定的运行表现，该芯片已在智能控制系统、环境监测设备、自动化生产线、医疗电子设备以及智能机器人等多个领域获得广泛应用。STM32F103C8T6引脚图见图2。

图2 STM32F103C8T6引脚图

2.2 WiFi模块

低功耗WiFi芯片ESP8266具有内置的32位微处理器内核，可以独立运行，也可作为其他主机微控制器单元(MCU)的组件运行。本文选择的ESP-01S是一款以ESP8266为核心的WiFi模块，在智能家居控制系统、工业无线传感网络等领域获得了广泛应用。其具有双工作模式特性，既可作为独立控制器运行，也能作为协助处理器配合MCU使用，在物联网中展现出卓越的灵活性。

ESP-01S引脚图如图3所示。1号引脚连接至STM32单片机的A2-TXD接口，用于将采集到的温度、湿度和烟雾浓度发送到远程设备；2号引脚接3.3 V电压；3号引脚为通用的输入、输出引脚；4、5、6号引脚置空；7号引脚接地；8号引脚接至STM32单片机的A3-RXD接口，用于接收远程设备发送过来的数据信息。

图3 ESP-01S引脚图

2.3 DHT11温湿度传感器

方案一：采用DS18B20温度传感器。该传感器测量精度较高，但只能测量温度，不能测量湿度，且价格相对较高，性价比较低。

方案二：采用DHT11温湿度传感器。该传感器作为一款基于单总线协议的温湿度检测元件，具有连接方式简便、外形结构紧凑、数据采集迅速以及经济实用等显著优势。其适用于0～50℃的温度测量，测量偏差在±2℃以内，供电要求为3.0～5.5 V，且运行电流极小，仅需几微安培电流。在非工作状态下，传感器会自动进入低功耗模式，以优化能源利用。

根据上述分析，本文选用DHT11温湿度传感器，引脚图如图4所示。5 V电压接入1号引脚；2号引脚连接至STM32单片机的C15接口，实时传输环境温度、湿度参数；3号引脚置空；4号引脚则接地。

图4 DHT11温湿度传感器引脚图

2.4 MQ-2烟雾传感器

方案一：采用MQ-5烟雾传感器。该传感器相较MQ-2烟雾传感器测量精度更高，但测量灵活性更小，且使用前需预热，启动时间较长。

方案二：采用MQ-2烟雾传感器。该传感器采用先进的微电子制造工艺，能够实时检测环境中可燃气体和烟雾的浓度变化，例如一氧化碳、甲烷等，同时具备较长的使用寿命和稳定的工作性能，响应和恢复速度也较快。且该传感器基于金属氧化物半导体(MOS)技术原理，通过气敏元件电阻值变化实现气体浓度检测，已广泛应用于工业安全系统、家庭报警系统以及环境监测设备等领域。

根据上述分析，且针对变电站火灾“起火迅速”的特点，本文选用MQ-2烟雾传感器能更快监测到火灾烟雾，减少火灾风险，引脚图如图5所示。5 V电压接入1号引脚；2号引脚接地；3号引脚连接至STM32单片机的A1接口，实现烟雾浓度数据的采集传输；4号引脚置空。

图5 MQ-2烟雾传感器引脚图

2.5 MQ-135空气污染传感器

针对变电站火灾可能引发次生灾害，释放有毒气体的特点，采用MQ-135空气污染传感器来实时检测空气中氨气、硫化物等有害气体，为火灾预警和应急响应提供数据支持，且该传感器价格低廉、驱动电路简单，可方便地集成到变电站的环境监测系统中。但其对可燃气体敏感度较低，因此搭配MQ-2烟雾传感器使用，实现对可燃气体和空气质量的双重检测。MQ-135空气污染传感器引脚图如图6所示。5 V电压接入1号引脚；2号引脚连接至STM32单片机的A0接口，实现空气质量数据的采集传输；3号引脚置空；4号引脚接地。

图6 MQ-135空气污染传感器引脚图

2.6 蜂鸣器

方案一：采用有源蜂鸣器。其驱动简单，但需要电源持续供电，功耗较高。

方案二：采用无源蜂鸣器。其特点是不自带振荡器，依靠外部交变电流驱动发声，驱动需要使用2～5 kHz的方波信号。无源蜂鸣器因其具有音调灵活可控、制造成本低、应用扩展性好等优势而被广泛应用于智能家居、工业控制等场景。

根据上述分析，本文选用无源蜂鸣器，电路连接如图7所示。在该电路中，三极管SS8050作为开关管，用于放大微弱的控制信号，高效地控制流过蜂鸣器的电流通断；二极管IN5819则起续流保护作用，可吸收蜂鸣器线圈产生的反向感应电动势，防止高压尖峰损坏电路元件。其工作原理是当交流电通过线圈时产生交变磁场，磁场与永磁体相互作用使振动膜片周期性振动，然后通过膜片振动带动周围空气振动从而产生声波来实现报警功能。

图7无源蜂鸣器电路连接图

2.7 OLED显示屏

方案一：采用液晶显示屏(LCD)。其使用寿命较长，但体积厚重、功耗较高，且响应时间对比OLED显示屏较慢。

方案二：采用OLED显示屏。OLED显示屏以其卓越的显示性能在工业监测设备中展现出独特优势，它支持全字符集显示，同时集高清晰度、广视角和自发光等优势于一体。此外，OLED显示屏响应迅速、能耗较低且具备良好的高温耐受性，非常适用于火灾监测设备的环境参数可视化呈现。

OLED显示屏引脚图如图8所示。1号引脚连接至STM32单片机的SDA＿B7接口，用于传输显示数据；2号引脚连接至SCL＿B6接口，为IC通信提供时钟信号；3号引脚接入3.3 V电压；4号引脚接地。

图8 OLED显示屏引脚图

03系统软件设计

系统启动后依次完成以下初始化操作：配置串口通信模块，设置延时功能，初始化OLED显示屏，建立ESP8266无线连接，启动DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器以及MQ-135空气污染传感器，同时配置报警蜂鸣器。随后系统实时采集环境温度、湿度、烟雾和空气质量数据等参数，通过OLED显示屏界面动态显示当前环境状态，并借助WiFi模块将监测数据上传至机智云。系统流程图见图9。

图9系统流程图

系统实现

为实现对烟雾识别系统的远程操控与实时监测，本系统采用机智云平台自动生成手机端控制界面，通过机智云App实现对设备状态的读取与功能控制。机智云平台提供可视化数据点绑定界面。在完成产品建模与数据点配置后，平台将自动生成对应的数据点控件，如开关、滑动条、数值显示等。用户可根据系统功能需求，拖拽控件至页面并配置其绑定的数据点与属性。本文所设计的界面实时显示了温度、湿度、烟雾浓度等环境数据。手机App显示界面如图10所示。

图10手机App显示界面

04试验与结果

为测试MQ-2烟雾传感器灵敏度，使用打火机点燃纸巾产生烟雾进行模拟测试。正常环境下当前显示的烟雾浓度为0.011 3%。将蜂鸣器报警阈值设为烟雾浓度大于0.02%。经多次试验表明，该烟雾传感器灵敏度较高，能准确采集烟雾数据，且蜂鸣器报警功能正常，部分测试结果如表1所示。

为测试DHT11温湿度传感器灵敏度，在一天内每间隔3 h进行一次环境温度、湿度测量。经多次试验表明，该传感器能准确采集环境温度、湿度数据，部分测试结果如表2所示。

在没有其他可燃气体的环境里，将打火机里的丁烷喷出，用于测试MQ-135空气污染传感器采集有毒气体浓度数据的精确度和可靠性。将报警阈值设为丁烷浓度大于0.05%，经多次试验表明，该传感器能准确采集环境空气质量数据，部分测试结果如表3所示。

05结语

本文设计的变电站烟雾识别系统，契合变电站设备集中、起火快、可能释放有毒气体的特点，借助WiFi模块实现监测数据稳定上传与远程交互。试验验证，系统搭载的多类传感器可快速准确感知环境变化并上传数据至机智云平台，参数超阈值时同步触发本地报警。相较于传统单一报警装置，本系统通过多传感器融合与云端协同，提升了火灾监测的维度与可靠性，对保障变电站安全运行具有重要实际意义与应用价值。