基于STM32的变电站烟雾识别系统设计

基于STM32的变电站烟雾识别系统设计

在变电站火灾防控领域，由于火情可能对人员与设备安全构成严重威胁，烟雾识别与风险预警成为关键课题。为此，研究人员提出了一种基于STM32单片机的烟雾识别系统方案，并评估其在变电站环境中的应用潜力。该系统以STM32F103C8T6为主控核心，整合MQ-2烟雾传感器、DHT11温湿度传感器和MQ-135空气污染传感器，用于实时监测烟雾浓度、温湿度、可燃气体含量等关键环境参数。系统还配备报警模块、显示模块及WiFi通信模块，与机智云物联网平台实现远程数据交互。

采集到的数据在STM32处理后，会同步上传至机智云平台及本地终端。当环境参数超出设定的安全阈值时，系统将自动触发现场报警与云端预警。与传统的单一报警装置相比，该系统通过多传感器融合与云端协同，实现了更全面、更可靠的火灾监测，为变电站的安全运行提供了坚实的技术支撑。

系统总体设计

该系统基于STM32F103C8T6构建，通过DHT11、MQ-2与MQ-135传感器实时监测火情。一旦传感器检测到异常数据，STM32单片机会控制蜂鸣器发出警报，并将数据同步传输至OLED显示屏，同时通过WiFi模块上传至机智云平台。运维人员可通过该平台远程查看变电站环境状态，从而有效降低火灾风险。

系统由六大部分组成：STM32单片机模块、多传感器模块、WiFi通信模块、OLED显示屏、蜂鸣器报警模块，以及机智云平台。系统的整体功能架构如图1所示。

图1 系统总体功能框架

系统硬件设计

系统主控单元采用STM32F103C8T6芯片，基于Cortex-M3内核，具备72 MHz主频及丰富的外设接口，能够高效处理多路传感器数据并完成设备调度。系统集成DHT11、MQ-2和MQ-135传感器，实现对温度、湿度、烟雾浓度与空气质量的精准采集。采集到的数据通过WiFi模块上传至机智云平台，便于运维人员远程监控变电站环境。

STM32F103C8T6芯片

当前主流嵌入式开发平台包括AVR、ARM、PIC与STM32系列。相比AVR和PIC，STM32具备更强的处理能力和算法执行能力；相较于ARM系列，STM32在开发友好性、成本控制与市场占有率方面更具优势。

STM32F103C8T6芯片的工作电压范围为2.0～3.6 V，主频最高可达72 MHz，同时具有128 KB Flash存储和20 KB SRAM，适用于长时间运行的嵌入式应用。芯片内置完整的电源管理系统，包括电压调节器、电源监控单元及高精度振荡电路。接口资源丰富，支持多种通信协议，极大降低了外围电路设计难度。

该芯片还支持多种低功耗模式，包括待机、停止与睡眠模式，有助于延长系统运行寿命。由于其出色的性价比和稳定性，已在环境监测、工业控制、医疗电子及智能机器人等多个领域广泛应用。芯片引脚分布如图2所示。

图2 STM32F103C8T6引脚图

WiFi模块

系统选用ESP8266系列的ESP-01S WiFi模块。该模块内置32位微处理器内核，既能独立运行，也可作为主控MCU的扩展模块，广泛应用于智能家居与工业无线传感网络。

ESP-01S支持两种运行模式：独立控制器模式与协处理器模式。其引脚定义如下：1号引脚连接至STM32的A2-TXD，用于发送温度、湿度和烟雾数据；2号引脚接入3.3 V电源；3号为通用I/O；4至6号引脚悬空；7号接地；8号引脚连接至STM32的A3-RXD接口，用于接收远程指令。

图3 ESP-01S引脚图

DHT11温湿度传感器

在传感器选型阶段，曾考虑DS18B20作为备选方案，但因其仅能测温、无法测湿，且成本偏高而被放弃。

DHT11传感器采用单总线协议，具有连接简单、体积小巧、响应迅速、价格实惠等优点。适用于0～50℃的温度范围，温度精度±2℃，供电电压3.0～5.5 V，工作电流极低，非工作状态可进入低功耗模式。

其引脚配置为：1号接5 V电源；2号连接STM32的C15接口；3号悬空；4号接地。引脚图参见图4。

图4 DHT11温湿度传感器引脚图

MQ-2烟雾传感器

在烟雾传感器选型中，MQ-5虽精度更高，但启动时间较长，预热需求高，因此未被采用。

MQ-2传感器基于金属氧化物半导体技术，能够快速检测一氧化碳、甲烷等可燃气体。具有响应迅速、寿命长、稳定性高等特点，广泛应用于工业安全和家庭报警系统。

该传感器引脚定义为：1号接入5 V电源；2号接地；3号连接STM32的A1接口；4号悬空。其引脚图见图5。

图5 MQ-2烟雾传感器引脚图

MQ-135空气污染传感器

为应对变电站火灾可能释放的有毒气体，系统引入MQ-135传感器用于检测氨气、硫化物等有害气体。该传感器具有低成本、驱动电路简单、易于集成等优势。

MQ-135的引脚配置为：1号接5 V电源；2号连接STM32的A0接口；3号悬空；4号接地。引脚图如图6所示。

图6 MQ-135空气污染传感器引脚图

蜂鸣器

在报警模块中，有源蜂鸣器虽驱动简单，但功耗较高。相比之下，无源蜂鸣器采用外部方波驱动，具备音调可调、成本低等优点。

系统采用无源蜂鸣器，配合三极管SS8050作为开关管，IN5819二极管用于续流保护，防止反向电动势损坏电路。其工作原理是利用交变磁场驱动振动膜片，进而产生声波。电路连接示意图见图7。

图7 无源蜂鸣器电路连接图

OLED显示屏

相较于传统LCD屏，OLED显示屏具有响应快、功耗低、显示效果佳等特点，非常适合用于实时环境参数的可视化。

OLED引脚定义为：1号连接STM32的SDA_B7接口；2号连接SCL_B6接口；3号接3.3 V电源；4号接地。引脚图见图8。

图8 OLED显示屏引脚图

系统软件设计

系统启动后依次完成串口通信配置、延时函数设置、OLED初始化、ESP8266无线连接建立、传感器启动与蜂鸣器配置。随后进入环境数据采集阶段，数据经OLED实时显示，并通过WiFi上传至机智云平台。系统运行流程如图9所示。

图9 系统流程图

系统实现

为实现远程操作与实时监控，系统集成机智云平台生成的移动端控制界面。用户可通过机智云App读取设备状态并控制相关功能。平台提供可视化数据绑定界面，用户可自定义界面控件，如开关、滑动条、数值显示等。

系统界面可实时显示温度、湿度与烟雾浓度等关键数据。手机端界面如图10所示。

图10 手机App显示界面

试验与结果

为验证MQ-2传感器的响应速度，使用点燃纸巾模拟烟雾环境。测试结果显示，在烟雾浓度为0.0113%时未触发报警，当浓度超过0.02%时，蜂鸣器及时报警。多次测试表明，传感器响应迅速，报警功能正常。部分测试数据见表1。

为验证DHT11传感器的测量性能，每隔3小时记录一次温湿度数据。测试数据见表2，传感器表现稳定，精度良好。

在无其他可燃气体干扰的环境中，测试MQ-135对丁烷的检测能力。设定报警阈值为0.05%，测试结果显示传感器能准确识别有毒气体浓度。测试数据见表3。

总结

本文设计的烟雾识别系统针对变电站设备密集、火情蔓延迅速、可能释放有毒气体等特性，采用多传感器融合与WiFi远程通信技术，实现环境数据的实时采集与预警。试验表明，系统能够快速识别异常环境，并通过报警模块与机智云平台同步响应，显著提升了火灾监测的维度与可靠性。

该系统在保障变电站运行安全方面具备良好的应用前景与推广价值。