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具智慧安全的灾害管控装置
 

【作者: 劉銘中、魏世丞等】2017年06月26日 星期一

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台湾位在地震活跃区环太平洋火山带中,菲律宾海板块和欧亚板块交界上。菲律宾海板块以每年平均 82mm 朝西北碰撞欧亚板块,因此地震频繁,每当地震来临时常常会在新闻媒体看见门窗变形造成逃生不易,许多人家中都有电器产品,很多人为了贪图方便使用延长线,常常看到一个延长线上??满了许多的电器产品,使延长线超过负荷或是电线破损造成电线短路引发火灾,使得生命与财产受到威胁。


目前市面上的逃生系统,都只有在灾害发生时会亮起导引装置,并无实际上可降低灾害的伤亡 率,而本组希??利用盛群微控制器与电子相关领域的知识,以及所叁考的相关书籍与文献设计出一套当地震或火灾发生时,语音会发出提醒,且传送警告讯息至使用者手机,提醒使用者,让使用者有较 宽裕的时间逃生,在地震发生时,为了避免门窗变 形导致逃生的时间延误或是因为浓烟造成窒息与呛晕,门窗会自动打开,并将家中电器的电源切断,以免发生电线走火,造成更严重的灾害。若是发生火灾,会启动洒水功能,一方面降低温度,一方面减缓火势的蔓延,进一步降低因灾害所造成的伤亡,并且开启排烟系统加速排烟。本作品的功能性、创新性与实用性如下所示:


功能性

*可侦测家中是否有人--发生火灾或地震时,系统会自动侦测家中是 否有人,以判断是否要将门自动开启,若有 人时会自动开门,反之则否。


*可自动开门/窗功能


--发生火灾或地震时,门窗会自动打开,避免 门窗因地震或火灾,变形或过热无法开启。


--开启窗户後,火灾发生时产生的浓烟可以排 出去,不会因为没有打开窗户而造成浓烟聚 集在屋里。


--窗户开启後,有利於消防人员或相关人员的 救灾行动。


*可与警卫室连线--发生火灾或地震时,警卫室的 LED 灯会点 亮,使警卫能在第一时间做出适当的处理。


*可自动断电--发生火灾或地震时,将自动断电以降低电线 走火的机率。


*可自动洒水--发生火灾时,会自动洒水,以降低温度并减 缓火势蔓延。


*可自动排烟--发生火灾时,会自动排烟,避免被烟呛伤与 阻挡视线。


*可显示屋内人数--当救灾人员到场时,可以确认当时家中是否 有人。


*可自动拨打119--发生火灾时,会自动拨打 119 给消防中心,可加速救灾行动。


*可传送灾害地点给消防中心--发生火灾时,系统会自动将发生火灾的地点 传给消防中心,以利其可快速到达灾害地点,快速灭火与抢救受害者。


*具语音警报功能--发生火灾或地震时,语音装置会发出语音,以供使用者做出相对应的处理。


*具手机提醒功能--发生火灾或地震时,系统会透过蓝牙传送讯 息至使用者手机,以提醒使用者。


创新性

本作品的创新性在於,当有地震或火灾时,系统将会在发生的第一时间透过手机通知使用者,并连线至警卫室,再将门与窗户自动开启,如此一来,可以避免门窗因地震或火灾而导致门窗变形或过热热无发开启。当发生火灾时,本系统将透过洒水系统自动洒水,以降低温度并减缓火势,进一步降低因灾害所造成的伤亡,并且开启排烟系统,然後传送灾害地点给消防中心。


实用性

因本作品具备了上述的创新性与功能性,所以其实用性是显而易见的。由於地震与火灾是每个人都会经历到的,相信只要家中使用本系统的话,一定可让使用者用的安安心心,远离危险,活的长长久久。


控制电路及工作原理

具智慧安全的灾害管控装置的完整电路图

图1所示为本作品具创新性与实用性的「具智慧安全的灾害管控装置」之完整电路图,制作方法是以盛群HT66FU70A单晶片为主要控制核心,来控制该作品的其他周边产品,例如烟雾感测模组、地震感测模组、蓝牙模组、洒水模组、微动开关、LED、红外线发射/接收器、步进马达与语音模组等。元件互相的沟通方法就藉由盛群微控制器来当作沟通桥梁,让整体系统更加完善,以下是本作品中HT66FU70A微控制器与周边相关元件的控制电路与工作原理。



图1 : 具智慧安全的灾害管控装置的完整电路
图1 : 具智慧安全的灾害管控装置的完整电路

烟雾感测模组

关於烟雾感测模组的控制电路,其中DOUT接至HT66FU70A微控制器的PC.5接脚,若所测烟雾的浓度值超过设定的阀值时,则DOUT会输出低电位,反之,所测气体的浓度值低於设定的阀值时,则DOUT 输出高电位。


当DOUT输出低电位,即PG.3=0时,微控制器会立即透过语音装置发出相对应的语音以及控制电磁阀进行洒水的动作,以避免烟雾过大造成某种程度上的损失与伤害。


电磁阀

图2为电磁阀之控制电路图,其中(a)图中的电磁阀用於控制门的开与关,单晶片透过PG.1接脚控制电磁阀的开与关。当电磁阀通电时,门会打开,反之若电磁阀处於不导通状态时,则门不会打开。当微控制器接收到发生地震或是火灾的讯号时,它会过接脚 PG.1送出一低电位的信号,即PG.1=0,令继电器导通←电磁阀通电←门打开,让屋内的人可以很迅速地脱离灾害现场,以降低伤害与避免死亡。


至於(b)图中的电磁阀则用於控制洒水器的开与关,单晶片透过PD.1接脚控制电磁阀的开与关,当电磁阀通电时,洒水器会开始洒水,反之则否。当微控制器接收到来自烟雾感测模组的讯号时,它会透过接脚PD.1送出一个低电位的信号,即PD.1=0,令继电器导通←电磁阀通电←洒水器开始洒水,以降低温度与减缓火势的蔓延。



图2 : 电磁阀的控制电路
图2 : 电磁阀的控制电路

地震感测模组

地震感测模组的控制电路图,主要是用於侦测是否有地震发生,其中S接脚接至单晶片的PC.4接脚,当模组上的感测器侦测到摇晃时,若摇晃程度过大时,则S接脚输出高电位,反之则输出低电。当HT66FU70A所连接的地震感测器侦测到过度的摇晃时,会立即透过语音装置发出相对应的语音以及驱动电磁阀将门打开。


红外线发射/接收器

红外线感测模组的控制电路,一共有二组主要是用来侦测是否有有人进出门之用,其中第一组的红外线的接收端 (装在门外) 接至HT66FU70A的PG.2 接脚,第二组的红外线的接收端(装在门内) 则接至微控制器的PG.3接脚。若有人从门外进入门内,则PG.2与PG.3会依序分别为高电位,反之若有人从门内走出门外,则PF.4与PF.3会依序分别为高电位,以此为依据就可判断人是进门或出门,进而计算出家里是否有人或无人了。


步进马达

图3为步进马达的控制电路图,主要是用来控制窗户的开/关之用,其中ULN2803A为一具有8个通道的高电压,大电流特性的达灵顿电晶体阵列。因一个四相步进马达需四个达灵顿电晶体方能驱动,所以ULN2803A可同时驱动二个步进马达。於本系统中只要经由PC.0~PC.3接脚送出步进马达之单相正/反转激磁信号,即可令步进马达转动,进而带动窗户开与关。



图3 : 步进马达的控制电路
图3 : 步进马达的控制电路

蓝牙模组

本系统蓝牙模组(FBT06) 的控制电路,由於二者之间的通讯是采用UART的方式,所以只需将模组上的TxD、RxD 与微控制器的PA.3(RxD) 与PA.1(TxD) 连接就可以进行串列资料的传输,串列资料的传输的传输速度为9600 bps。HT66FU70A可透过蓝牙模组将相关资料传给手机上以及读取手机传过来的资料。


语音与音频放大器模组

图4为本系统语音与音频放大器模组的控制电路图,主要是用来令喇叭发出相关的中文语音之用。图中语音模组(MP380) 的控制方法有很多种,有普通直放模式与UART模式,在此是采用普通直放模式。其中语音模组上的P5与P6分别接至HT66FU70A微控制器的PC.7与PC.6接脚。想要令语音模组拨出已录制好的相对应的语音档案,HT66FU70A必须透过PC.7与PC.6分别送出一个下降缘的触发信号。输出的语音经TDA7266音频功率放大模组可将声音放大。注意,直放模式只能操作根目录内的文件,也就是说使用此一模式前,必须确保根目录内有可识别的 MP3 格式的音乐。



图4 : 语音与音频放大器模组之控制电路
图4 : 语音与音频放大器模组之控制电路

七段显示器

图5为本系统驱动七段显示器的控制电路,主要是用来显示室内人数之用,HT66FU70A微控制器只要经由PE.0~PE.3接脚送出0~9的二进制码,就可以令七段显示器显示相对应的数值。图中74LS47为一个 BCD 到七段解码器/驱动器的元件,用来驱动共阳型的七段显示器之用。



图5 : 七段显示器的控制电路
图5 : 七段显示器的控制电路

断电系统

图6为断电系统的控制电路图,主要是用於切断电源之用,HT66FU70A单晶片透过PD.0接脚控制继电器的导通与否,当继电器导通时,电灯因电源被切断而熄灭,反之则否。当微控制器接收到来自地震感测器或烟雾感测器的信号时,它会透过接脚 PD.0 送出一个低电位的信号,即 PD.0=0,令继电器导通←电灯熄灭以示电源被切断,以避免电线走火而发生火灾。



图6 : 断电系统的控制电路
图6 : 断电系统的控制电路

微动开关

微动开关的控制电路主要是用於判断窗户是否已全开,当窗户在开启碰到装在窗边的微动开关时,即全开时,PG.0接脚的电压准位会因接地之故而为低电位,即PG.0=0,当HT66FU70A侦测到PG.0=0时,会立即停止步进马达的转动,以免马达继续转动而受损。


警示灯

图7为警示灯的控制电路图,主要是用於控制警卫室的警示灯之用,当发生地震或火灾时,HT66FU70A微控制器会经由PB.6与PB.7接脚分别送出一个低电位的信号,令相对应的警示灯点亮,以提醒警卫有状况发生了,可供其能在第一时间做出相对应的处理。



图7 : 警示灯的控制电路图
图7 : 警示灯的控制电路图

风扇

图8为风扇的控制电路图,主要是排烟之用,当发生火灾时,微控制器会经由PG.4 接脚送出一个低电位的信号,即PG.4=0,令电晶体导通←风扇开启代表启动排烟系统,避免被烟呛伤与阻挡视线。



图8 : 风扇之控制电路图
图8 : 风扇之控制电路图

作品结构

图9为本作品『具智慧安全的灾害管控装置』的系统方块图,以 HT66FU70A 为主要的系统核心,来控制周边诸如,红外线感测器,门与窗户的开启,烟雾感测模组、蓝牙模组、洒水模组、微动开关、步进马达与语音模组等元件,以完成整个系统的运作,本作品之系统功能描述如下所示:


当发生火灾或地震时,智慧逃生系统的功能就会马上启动,其功能包含发出警报声与传送警告讯息至使用者机,来提醒使用者发生火灾或地震,并连线至警卫室,使警卫能在第一时间做妥善的处理,为了避免门窗变形并节省逃生的时间,所有的门窗会自动打开,另外打开窗户的时候,火灾发生时产生的浓烟也可以排出去,不会因为没有打开窗户而造成浓烟聚集在屋里,从窗户救灾的时候也便利许多,此外本系统在灾害发生时,会将家中电器的电源切断,以免发生电线走火,造成更严重的灾害。在发生火灾时,会自动洒水,以降低温度并减缓火势,并且开启风扇可以加速排烟。



图9 : 具智慧安全的灾害管控装置之系统方块图
图9 : 具智慧安全的灾害管控装置之系统方块图
图10 :  具智慧安全的灾害管控装置控制流程图
图10 : 具智慧安全的灾害管控装置控制流程图

测试方法

本作品『具智慧安全的灾害管控装置』的相关元件有烟雾感测模组、地震感测模组、蓝牙模组、洒水模组、微动开关、步进马达与语音模组等,这些相关元件的测试方法如下。


*烟雾感测模组测试--当模组上的感测器检测到烟雾时,相对应的 LED 会点亮,表示正常。


*地震感测模组测试--当模组上的感测器检测到震动时,相对应的 LED 点亮时,表示正常。


*风扇测试--烟雾模组侦测到浓烟时,若风扇会启动表表示相关电路OK,反之则否需检测之。


*开门装置测试--室内有人且发生地震或火灾时,若会自动弹开,表示相关电路正常,反之则检测相 关电路与程式。


*语音模组测试--发生地震或火灾时,若语音会发出对应的 语音提示使用者,表示正常。


*警卫室LED 测试--发生地震或火灾时,若对应的 LED 点亮 时,表示相关电路是没问题的。


*红外线发射/接收器测试1.利用手代替人的进出,以测试红外线发射/接收器能否感应正常;2.若感应正常,则七段显示器会显示人数是否正常加减,反之表示相关电路有问题。


*七段显示器测试--若红外线感应正常,则七段显示器会显示 相对应的数值,反之则表示相关电路与软 体有问题,需检测之,直到OK为止。


*模拟电灯测试1.将电灯开关打开/关闭,然後检测电灯是否正常动作;2.当窗户全开碰到微动开关时,电灯会自动关闭。


*微动开关测试1.当窗户全开碰到微动开关时,若电灯会自动关闭,表示微动开关控制电路OK。


*步进马达测试--发生地震或火灾时,若步进马达可带动窗户开启,表示步进马达控制电路OK。


*自动洒水装置测试--当发生火灾时,若自动洒水装置可开始洒水,表示自动洒水装置是没问题的。


*蓝牙模组测试方法1.将蓝牙连线看是否有正常连线到;2.发生地震或火灾时,若手机接收到蓝牙发出的对应提示讯息,表示正常。


(作者刘铭中1、魏世丞2、魏子翔3、宋??平4、黄楷翔5为台北城市科技大学资讯工程系1教授及2-5学生;本文为第十一届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告)


叁考文献

[1] Ching-Ying Hsu,中央大学地球物理研究系(所) 硕士论文 , Estimation of The Potential Earthquake Probabilities in Taiwan,民国97年。


[2] Tsung-hsien Wu,成功大学建筑学系(所)硕士论 文,Performance-Base Design Criteria Based on the Earthquake Damage of Emergency Doors And Window Glass,民国90年


[3] Kuo-Lin Liao,高雄第一科技大学风险管理 与 保 险 所 系 ( 所 ) 硕 士 论 文 , An Empirical Research of the Factors of Injury and Death from Fire in Taiwan,民国95年。


[4] Ming-Chi Tsai,中央大学土木工程学系(所) 硕 士论文,Guidelines for Developing a Disaster Prevention Plan,民国91年。


[5] 王安邦,MIT App Inventor2易学易用 (开发Android应用程式),上奇资讯,2014年3月。


[6] 刘铭中、叶治宏,具ISP功能的 AT89S51/W78E516B单晶片原理与应用(KEIL C 版),2009年12月。


[7] 王振裕、林纯民编,微电脑控制-8051/8052专题实习(c 语言)。


[8] 张义和、王敏男编,例说8051 (蓝牙版)。


[9] 8051 microcontroller datasheet of Intel Corporation.


[10] Infrared transmitter/receiver data sheet of Everlight Electronics Co., Ltd.


[11] Voice IC MP380 and MP381 data sheet of Hangzhou Bai dream Electric Technology Co., Ltd.


[12] Audio Amplifiers (TDA7266) data sheet of STMicroelectronics N.V.


[13] 烟雾感测器MQ-2产品说明书,郑州凫盛电子科技。


[14] 框架推拉式电磁铁使用手册,富同公司


[15] 常闭式进水电磁阀使用手册,东莞市金禄电子 科技。


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