帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
具智慧安全的災害管控裝置
第十一屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 劉銘中、魏世丞等】   2017年06月26日 星期一

瀏覽人次:【1894】
  


台灣位在地震活躍區環太平洋火山帶中,菲律賓海板塊和歐亞板塊交界上。菲律賓海板塊以每年平均 82mm 朝西北碰撞歐亞板塊,因此地震頻繁,每當地震來臨時常常會在新聞媒體看見門窗變形造成逃生不易,許多人家中都有電器產品,很多人為了貪圖方便使用延長線,常常看到一個延長線上插滿了許多的電器產品,使延長線超過負荷或是電線破損造成電線短路引發火災,使得生命與財產受到威脅。


目前市面上的逃生系統,都只有在災害發生時會亮起導引裝置,並無實際上可降低災害的傷亡 率,而本組希望利用盛群微控制器與電子相關領域的知識,以及所參考的相關書籍與文獻設計出一套當地震或火災發生時,語音會發出提醒,且傳送警告訊息至使用者手機,提醒使用者,讓使用者有較 寬裕的時間逃生,在地震發生時,為了避免門窗變 形導致逃生的時間延誤或是因為濃煙造成窒息與嗆暈,門窗會自動打開,並將家中電器的電源切斷,以免發生電線走火,造成更嚴重的災害。若是發生火災,會啟動灑水功能,一方面降低溫度,一方面減緩火勢的蔓延,進一步降低因災害所造成的傷亡,並且開啟排煙系統加速排煙。本作品的功能性、創新性與實用性如下所示:


功能性

*可偵測家中是否有人--發生火災或地震時,系統會自動偵測家中是 否有人,以判斷是否要將門自動開啟,若有 人時會自動開門,反之則否。


*可自動開門/窗功能


--發生火災或地震時,門窗會自動打開,避免 門窗因地震或火災,變形或過熱無法開啟。


--開啟窗戶後,火災發生時產生的濃煙可以排 出去,不會因為沒有打開窗戶而造成濃煙聚 集在屋裡。


--窗戶開啟後,有利於消防人員或相關人員的 救災行動。


*可與警衛室連線--發生火災或地震時,警衛室的 LED 燈會點 亮,使警衛能在第一時間做出適當的處理。


*可自動斷電--發生火災或地震時,將自動斷電以降低電線 走火的機率。


*可自動灑水--發生火災時,會自動灑水,以降低溫度並減 緩火勢蔓延。


*可自動排煙--發生火災時,會自動排煙,避免被煙嗆傷與 阻擋視線。


*可顯示屋內人數--當救災人員到場時,可以確認當時家中是否 有人。


*可自動撥打119--發生火災時,會自動撥打 119 給消防中心,可加速救災行動。


*可傳送災害地點給消防中心--發生火災時,系統會自動將發生火災的地點 傳給消防中心,以利其可快速到達災害地點,快速滅火與搶救受害者。


*具語音警報功能--發生火災或地震時,語音裝置會發出語音,以供使用者做出相對應的處理。


*具手機提醒功能--發生火災或地震時,系統會透過藍牙傳送訊 息至使用者手機,以提醒使用者。


創新性

本作品的創新性在於,當有地震或火災時,系統將會在發生的第一時間透過手機通知使用者,並連線至警衛室,再將門與窗戶自動開啟,如此一來,可以避免門窗因地震或火災而導致門窗變形或過熱熱無發開啟。當發生火災時,本系統將透過灑水系統自動灑水,以降低溫度並減緩火勢,進一步降低因災害所造成的傷亡,並且開啟排煙系統,然後傳送災害地點給消防中心。


實用性

因本作品具備了上述的創新性與功能性,所以其實用性是顯而易見的。由於地震與火災是每個人都會經歷到的,相信只要家中使用本系統的話,一定可讓使用者用的安安心心,遠離危險,活的長長久久。


控制電路及工作原理

具智慧安全的災害管控裝置的完整電路圖

圖1所示為本作品具創新性與實用性的「具智慧安全的災害管控裝置」之完整電路圖,製作方法是以盛群HT66FU70A單晶片為主要控制核心,來控制該作品的其他周邊產品,例如煙霧感測模組、地震感測模組、藍牙模組、灑水模組、微動開關、LED、紅外線發射/接收器、步進馬達與語音模組等。元件互相的溝通方法就藉由盛群微控制器來當作溝通橋樑,讓整體系統更加完善,以下是本作品中HT66FU70A微控制器與週邊相關元件的控制電路與工作原理。



圖1 : 具智慧安全的災害管控裝置的完整電路
圖1 : 具智慧安全的災害管控裝置的完整電路

煙霧感測模組

關於煙霧感測模組的控制電路,其中DOUT接至HT66FU70A微控制器的PC.5接腳,若所測煙霧的濃度值超過設定的閥值時,則DOUT會輸出低電位,反之,所測氣體的濃度值低於設定的閥值時,則DOUT 輸出高電位。


當DOUT輸出低電位,即PG.3=0時,微控制器會立即透過語音裝置發出相對應的語音以及控制電磁閥進行灑水的動作,以避免煙霧過大造成某種程度上的損失與傷害。


電磁閥

圖2為電磁閥之控制電路圖,其中(a)圖中的電磁閥用於控制門的開與關,單晶片透過PG.1接腳控制電磁閥的開與關。當電磁閥通電時,門會打開,反之若電磁閥處於不導通狀態時,則門不會打開。當微控制器接收到發生地震或是火災的訊號時,它會過接腳 PG.1送出一低電位的信號,即PG.1=0,令繼電器導通→電磁閥通電→門打開,讓屋內的人可以很迅速地脫離災害現場,以降低傷害與避免死亡。


至於(b)圖中的電磁閥則用於控制灑水器的開與關,單晶片透過PD.1接腳控制電磁閥的開與關,當電磁閥通電時,灑水器會開始灑水,反之則否。當微控制器接收到來自煙霧感測模組的訊號時,它會透過接腳PD.1送出一個低電位的信號,即PD.1=0,令繼電器導通→電磁閥通電→灑水器開始灑水,以降低溫度與減緩火勢的蔓延。



圖2 : 電磁閥的控制電路
圖2 : 電磁閥的控制電路

地震感測模組

地震感測模組的控制電路圖,主要是用於偵測是否有地震發生,其中S接腳接至單晶片的PC.4接腳,當模組上的感測器偵測到搖晃時,若搖晃程度過大時,則S接腳輸出高電位,反之則輸出低電。當HT66FU70A所連接的地震感測器偵測到過度的搖晃時,會立即透過語音裝置發出相對應的語音以及驅動電磁閥將門打開。


紅外線發射/接收器

紅外線感測模組的控制電路,一共有二組主要是用來偵測是否有有人進出門之用,其中第一組的紅外線的接收端 (裝在門外) 接至HT66FU70A的PG.2 接腳,第二組的紅外線的接收端(裝在門內) 則接至微控制器的PG.3接腳。若有人從門外進入門內,則PG.2與PG.3會依序分別為高電位,反之若有人從門內走出門外,則PF.4與PF.3會依序分別為高電位,以此為依據就可判斷人是進門或出門,進而計算出家裡是否有人或無人了。


步進馬達

圖3為步進馬達的控制電路圖,主要是用來控制窗戶的開/關之用,其中ULN2803A為一具有8個通道的高電壓,大電流特性的達靈頓電晶體陣列。因一個四相步進馬達需四個達靈頓電晶體方能驅動,所以ULN2803A可同時驅動二個步進馬達。於本系統中只要經由PC.0~PC.3接腳送出步進馬達之單相正/反轉激磁信號,即可令步進馬達轉動,進而帶動窗戶開與關。



圖3 : 步進馬達的控制電路
圖3 : 步進馬達的控制電路

藍牙模組

本系統藍牙模組(FBT06) 的控制電路,由於二者之間的通訊是採用UART的方式,所以只需將模組上的TxD、RxD 與微控制器的PA.3(RxD) 與PA.1(TxD) 連接就可以進行串列資料的傳輸,串列資料的傳輸的傳輸速度為9600 bps。HT66FU70A可透過藍牙模組將相關資料傳給手機上以及讀取手機傳過來的資料。


語音與音頻放大器模組

圖4為本系統語音與音頻放大器模組的控制電路圖,主要是用來令喇叭發出相關的中文語音之用。圖中語音模組(MP380) 的控制方法有很多種,有普通直放模式與UART模式,在此是採用普通直放模式。其中語音模組上的P5與P6分別接至HT66FU70A微控制器的PC.7與PC.6接腳。想要令語音模組撥出已錄製好的相對應的語音檔案,HT66FU70A必須透過PC.7與PC.6分別送出一個下降緣的觸發信號。輸出的語音經TDA7266音頻功率放大模組可將聲音放大。注意,直放模式只能操作根目錄內的文件,也就是說使用此一模式前,必須確保根目錄內有可識別的 MP3 格式的音樂。



圖4 : 語音與音頻放大器模組之控制電路
圖4 : 語音與音頻放大器模組之控制電路

七段顯示器

圖5為本系統驅動七段顯示器的控制電路,主要是用來顯示室內人數之用,HT66FU70A微控制器只要經由PE.0~PE.3接腳送出0~9的二進制碼,就可以令七段顯示器顯示相對應的數值。圖中74LS47為一個 BCD 到七段解碼器/驅動器的元件,用來驅動共陽型的七段顯示器之用。



圖5 : 七段顯示器的控制電路
圖5 : 七段顯示器的控制電路

斷電系統

圖6為斷電系統的控制電路圖,主要是用於切斷電源之用,HT66FU70A單晶片透過PD.0接腳控制繼電器的導通與否,當繼電器導通時,電燈因電源被切斷而熄滅,反之則否。當微控制器接收到來自地震感測器或煙霧感測器的信號時,它會透過接腳 PD.0 送出一個低電位的信號,即 PD.0=0,令繼電器導通→電燈熄滅以示電源被切斷,以避免電線走火而發生火災。



圖6 : 斷電系統的控制電路
圖6 : 斷電系統的控制電路

微動開關

微動開關的控制電路主要是用於判斷窗戶是否已全開,當窗戶在開啟碰到裝在窗邊的微動開關時,即全開時,PG.0接腳的電壓準位會因接地之故而為低電位,即PG.0=0,當HT66FU70A偵測到PG.0=0時,會立即停止步進馬達的轉動,以免馬達繼續轉動而受損。


警示燈

圖7為警示燈的控制電路圖,主要是用於控制警衛室的警示燈之用,當發生地震或火災時,HT66FU70A微控制器會經由PB.6與PB.7接腳分別送出一個低電位的信號,令相對應的警示燈點亮,以提醒警衛有狀況發生了,可供其能在第一時間做出相對應的處理。



圖7 : 警示燈的控制電路圖
圖7 : 警示燈的控制電路圖

風扇

圖8為風扇的控制電路圖,主要是排煙之用,當發生火災時,微控制器會經由PG.4 接腳送出一個低電位的信號,即PG.4=0,令電晶體導通→風扇開啟代表啟動排煙系統,避免被煙嗆傷與阻擋視線。



圖8 : 風扇之控制電路圖
圖8 : 風扇之控制電路圖

作品結構

圖9為本作品『具智慧安全的災害管控裝置』的系統方塊圖,以 HT66FU70A 為主要的系統核心,來控制周邊諸如,紅外線感測器,門與窗戶的開啟,煙霧感測模組、藍牙模組、灑水模組、微動開關、步進馬達與語音模組等元件,以完成整個系統的運作,本作品之系統功能描述如下所示:


當發生火災或地震時,智慧逃生系統的功能就會馬上啟動,其功能包含發出警報聲與傳送警告訊息至使用者機,來提醒使用者發生火災或地震,並連線至警衛室,使警衛能在第一時間做妥善的處理,為了避免門窗變形並節省逃生的時間,所有的門窗會自動打開,另外打開窗戶的時候,火災發生時產生的濃煙也可以排出去,不會因為沒有打開窗戶而造成濃煙聚集在屋裡,從窗戶救災的時候也便利許多,此外本系統在災害發生時,會將家中電器的電源切斷,以免發生電線走火,造成更嚴重的災害。在發生火災時,會自動灑水,以降低溫度並減緩火勢,並且開啟風扇可以加速排煙。



圖9 : 具智慧安全的災害管控裝置之系統方塊圖
圖9 : 具智慧安全的災害管控裝置之系統方塊圖
圖10 :  具智慧安全的災害管控裝置控制流程圖
圖10 : 具智慧安全的災害管控裝置控制流程圖

測試方法

本作品『具智慧安全的災害管控裝置』的相關元件有煙霧感測模組、地震感測模組、藍牙模組、灑水模組、微動開關、步進馬達與語音模組等,這些相關元件的測試方法如下。


*煙霧感測模組測試--當模組上的感測器檢測到煙霧時,相對應的 LED 會點亮,表示正常。


*地震感測模組測試--當模組上的感測器檢測到震動時,相對應的 LED 點亮時,表示正常。


*風扇測試--煙霧模組偵測到濃煙時,若風扇會啟動表表示相關電路OK,反之則否需檢測之。


*開門裝置測試--室內有人且發生地震或火災時,若會自動彈開,表示相關電路正常,反之則檢測相 關電路與程式。


*語音模組測試--發生地震或火災時,若語音會發出對應的 語音提示使用者,表示正常。


*警衛室LED 測試--發生地震或火災時,若對應的 LED 點亮 時,表示相關電路是沒問題的。


*紅外線發射/接收器測試—1.利用手代替人的進出,以測試紅外線發射/接收器能否感應正常;2.若感應正常,則七段顯示器會顯示人數是否正常加減,反之表示相關電路有問題。


*七段顯示器測試--若紅外線感應正常,則七段顯示器會顯示 相對應的數值,反之則表示相關電路與軟 體有問題,需檢測之,直到OK為止。


*模擬電燈測試—1.將電燈開關打開/關閉,然後檢測電燈是否正常動作;2.當窗戶全開碰到微動開關時,電燈會自動關閉。


*微動開關測試—1.當窗戶全開碰到微動開關時,若電燈會自動關閉,表示微動開關控制電路OK。


*步進馬達測試--發生地震或火災時,若步進馬達可帶動窗戶開啟,表示步進馬達控制電路OK。


*自動灑水裝置測試--當發生火災時,若自動灑水裝置可開始灑水,表示自動灑水裝置是沒問題的。


*藍牙模組測試方法—1.將藍牙連線看是否有正常連線到;2.發生地震或火災時,若手機接收到藍牙發出的對應提示訊息,表示正常。


(作者劉銘中1、魏世丞2、魏子翔3、宋翊平4、黃楷翔5為台北城市科技大學資訊工程系1教授及2-5學生)


參考文獻

[1] Ching-Ying Hsu,中央大學地球物理研究系(所) 碩士論文 , Estimation of The Potential Earthquake Probabilities in Taiwan,民國97年。


[2] Tsung-hsien Wu,成功大學建築學系(所)碩士論 文,Performance-Base Design Criteria Based on the Earthquake Damage of Emergency Doors And Window Glass,民國90年


[3] Kuo-Lin Liao,高雄第一科技大學風險管理 與 保 險 所 系 ( 所 ) 碩 士 論 文 , An Empirical Research of the Factors of Injury and Death from Fire in Taiwan,民國95年。


[4] Ming-Chi Tsai,中央大學土木工程學系(所) 碩 士論文,Guidelines for Developing a Disaster Prevention Plan,民國91年。


[5] 王安邦,MIT App Inventor2易學易用 (開發Android應用程式),上奇資訊,2014年3月。


[6] 劉銘中、葉治宏,具ISP功能的 AT89S51/W78E516B單晶片原理與應用(KEIL C 版),2009年12月。


[7] 王振裕、林純民編,微電腦控制-8051/8052專題實習(c 語言)。


[8] 張義和、王敏男編,例說8051 (藍牙版)。


[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] 煙霧感測器MQ-2產品說明書,鄭州煒盛電子科技。


[14] 框架推拉式電磁鐵使用手冊,富同公司


[15] 常閉式進水電磁閥使用手冊,東莞市金祿電子 科技。


相關文章
居家老人關懷系統
自行車導航照明與防盜器
車用盲區偵測搭載 HUD 系統設計
出騎不意
第三條腿
comments powered by Disqus
相關討論
CB
  相關新品
Platform Manager Devices
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:Power
Power Manager II Hercules Development Kit
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:Power
Processor PM Development Kit
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:Power
  相關新聞
» 輔具創新添助力 智慧照護整合方案成趨勢
» Type-C時代來臨 TI推出單晶片降/升壓電池充電控制器
» 借力研華、英特爾IoT技術支援 全台首座智慧零售店在家樂福 !
» SEMICON Taiwan 2017即將登場
» Intel:落實工業4.0 需借助科技業力量
  相關產品
» 凌力爾特高整合度36V降壓電池充電器提供無縫備份電源
» 意法半導體新款USB Type-C控制器內建保護機制
» 威鋒電子VL820取得USB 3.1 Gen2集線器控制晶片協會認證
» 凌力爾特105V、2.3A 同步降壓穩壓器以超低EMI/EMC輻射提供高效
» 大聯大世平集團推出以恩智浦晶片為基礎的智慧音訊功率放大器解決方案

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2017 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw