本文針對變電站火災易危及人員設備安全的問題，聚焦煙霧識別與風險預警需求，設計了一種基于STM32單片機的煙霧識別系統，并探究其在變電站環境中的應用可行性。該系統以STM32為控制核心，搭載MQ-2煙霧傳感器、DHT11溫濕度傳感器及MQ-135空氣污染傳感器，可實時采集煙霧濃度、溫濕度、可燃氣體含量等關鍵環境參數，結合報警模塊、顯示模塊及WiFi通信模塊，與機智云物聯網平臺建立遠程連接。

采集的數據經STM32處理后，將同步上傳至機智云物聯網平臺與本地終端，當監測到任一參數超出預設安全閾值時，系統會立即觸發現場報警與云端預警。相較于傳統單一報警裝置，該系統通過多傳感器融合與云端協同，拓展了火災監測維度、提升了預警可靠性，為變電站安全穩定運行提供有力保障。

01系統總體設計

本文提出了一種基于STM32單片機的變電站煙霧識別系統，若DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器和MQ-135空氣污染傳感器檢測到火情時，即單片機判定采集數據達到閾值，就會控制相應I/O口輸出高、低電平控制蜂鳴器實現報警功能并把采集到的數據發送到STM32單片機，且把數據發送到OLED顯示屏上，同時通過WiFi模塊將數據發送到機智云，操作人員可通過機智云監測變電站情況，降低火災發生風險。

系統主要由STM32單片機模塊、多傳感器模塊、WiFi模塊、OLED顯示屏、蜂鳴器和機智云六個部分組成，系統總體功能框架如圖1所示。

圖1系統總體功能框架

02系統硬件設計

系統采用基于Cortex-M3內核的STM32F103C8T6作為主控芯片，通過其72 MHz主頻和豐富的外設接口實現高效數據處理與設備調度。系統配置了DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器以及MQ-135空氣污染傳感器，通過多傳感器實現溫度、濕度、煙霧濃度等環境參數的精準采集，然后再利用WiFi模塊將數據上傳至機智云，使作業人員可遠程監控變電站環境中的各項數據并實時控制。

2.1 STM32F103C8T6芯片

目前適用于嵌入式開發的單片機有AVR、ARM、PIC和STM32等，相比AVR和PIC,STM32性價比更高且可處理更復雜的控制任務和算法；對比ARM系列，STM32在成本、開發友好度和市場普及率上更具競爭力。故本文選擇STM32系列單片機中的STM32F103C8T6芯片。

STM32F103C8T6芯片工作電壓范圍為2.0～3.6 V，主頻最高支持72 MHz。該芯片在保持出色運算性能的同時，具備優異的能效表現，特別適合需要長時間運行的嵌入式應用場景。該器件集成了128 KB可編程Flash存儲器和20 KB SRAM，內置完善的電源管理系統，包括電源監控單元、電壓調節器和高精度振蕩電路。在接口設計方面，提供了豐富的外設資源，支持多種通信協議，極大簡化了外圍電路設計。此外，該芯片還支持包含待機、停止和睡眠三種節能模式，可以顯著降低系統功耗，延長系統電池壽命。憑借出色的性價比和穩定的運行表現，該芯片已在智能控制系統、環境監測設備、自動化生產線、醫療電子設備以及智能機器人等多個領域獲得廣泛應用。STM32F103C8T6引腳圖見圖2。

圖2 STM32F103C8T6引腳圖

2.2 WiFi模塊

低功耗WiFi芯片ESP8266具有內置的32位微處理器內核，可以獨立運行，也可作為其他主機微控制器單元(MCU)的組件運行。本文選擇的ESP-01S是一款以ESP8266為核心的WiFi模塊，在智能家居控制系統、工業無線傳感網絡等領域獲得了廣泛應用。其具有雙工作模式特性，既可作為獨立控制器運行，也能作為協助處理器配合MCU使用，在物聯網中展現出卓越的靈活性。

ESP-01S引腳圖如圖3所示。1號引腳連接至STM32單片機的A2-TXD接口，用于將采集到的溫度、濕度和煙霧濃度發送到遠程設備；2號引腳接3.3 V電壓；3號引腳為通用的輸入、輸出引腳；4、5、6號引腳置空；7號引腳接地；8號引腳接至STM32單片機的A3-RXD接口，用于接收遠程設備發送過來的數據信息。

圖3 ESP-01S引腳圖

2.3 DHT11溫濕度傳感器

方案一：采用DS18B20溫度傳感器。該傳感器測量精度較高，但只能測量溫度，不能測量濕度，且價格相對較高，性價比較低。

方案二：采用DHT11溫濕度傳感器。該傳感器作為一款基于單總線協議的溫濕度檢測元件，具有連接方式簡便、外形結構緊湊、數據采集迅速以及經濟實用等顯著優勢。其適用于0～50℃的溫度測量，測量偏差在±2℃以內，供電要求為3.0～5.5 V，且運行電流極小，僅需幾微安培電流。在非工作狀態下，傳感器會自動進入低功耗模式，以優化能源利用。

根據上述分析，本文選用DHT11溫濕度傳感器，引腳圖如圖4所示。5 V電壓接入1號引腳；2號引腳連接至STM32單片機的C15接口，實時傳輸環境溫度、濕度參數；3號引腳置空；4號引腳則接地。

圖4 DHT11溫濕度傳感器引腳圖

2.4 MQ-2煙霧傳感器

方案一：采用MQ-5煙霧傳感器。該傳感器相較MQ-2煙霧傳感器測量精度更高，但測量靈活性更小，且使用前需預熱，啟動時間較長。

方案二：采用MQ-2煙霧傳感器。該傳感器采用先進的微電子制造工藝，能夠實時檢測環境中可燃氣體和煙霧的濃度變化，例如一氧化碳、甲烷等，同時具備較長的使用壽命和穩定的工作性能，響應和恢復速度也較快。且該傳感器基于金屬氧化物半導體(MOS)技術原理，通過氣敏元件電阻值變化實現氣體濃度檢測，已廣泛應用于工業安全系統、家庭報警系統以及環境監測設備等領域。

根據上述分析，且針對變電站火災“起火迅速”的特點，本文選用MQ-2煙霧傳感器能更快監測到火災煙霧，減少火災風險，引腳圖如圖5所示。5 V電壓接入1號引腳；2號引腳接地；3號引腳連接至STM32單片機的A1接口，實現煙霧濃度數據的采集傳輸；4號引腳置空。

圖5 MQ-2煙霧傳感器引腳圖

2.5 MQ-135空氣污染傳感器

針對變電站火災可能引發次生災害，釋放有毒氣體的特點，采用MQ-135空氣污染傳感器來實時檢測空氣中氨氣、硫化物等有害氣體，為火災預警和應急響應提供數據支持，且該傳感器價格低廉、驅動電路簡單，可方便地集成到變電站的環境監測系統中。但其對可燃氣體敏感度較低，因此搭配MQ-2煙霧傳感器使用，實現對可燃氣體和空氣質量的雙重檢測。MQ-135空氣污染傳感器引腳圖如圖6所示。5 V電壓接入1號引腳；2號引腳連接至STM32單片機的A0接口，實現空氣質量數據的采集傳輸；3號引腳置空；4號引腳接地。

圖6 MQ-135空氣污染傳感器引腳圖

2.6 蜂鳴器

方案一：采用有源蜂鳴器。其驅動簡單，但需要電源持續供電，功耗較高。

方案二：采用無源蜂鳴器。其特點是不自帶振蕩器，依靠外部交變電流驅動發聲，驅動需要使用2～5 kHz的方波信號。無源蜂鳴器因其具有音調靈活可控、制造成本低、應用擴展性好等優勢而被廣泛應用于智能家居、工業控制等場景。

根據上述分析，本文選用無源蜂鳴器，電路連接如圖7所示。在該電路中，三極管SS8050作為開關管，用于放大微弱的控制信號，高效地控制流過蜂鳴器的電流通斷；二極管IN5819則起續流保護作用，可吸收蜂鳴器線圈產生的反向感應電動勢，防止高壓尖峰損壞電路元件。其工作原理是當交流電通過線圈時產生交變磁場，磁場與永磁體相互作用使振動膜片周期性振動，然后通過膜片振動帶動周圍空氣振動從而產生聲波來實現報警功能。

圖7無源蜂鳴器電路連接圖

2.7 OLED顯示屏

方案一：采用液晶顯示屏(LCD)。其使用壽命較長，但體積厚重、功耗較高，且響應時間對比OLED顯示屏較慢。

方案二：采用OLED顯示屏。OLED顯示屏以其卓越的顯示性能在工業監測設備中展現出獨特優勢，它支持全字符集顯示，同時集高清晰度、廣視角和自發光等優勢于一體。此外，OLED顯示屏響應迅速、能耗較低且具備良好的高溫耐受性，非常適用于火災監測設備的環境參數可視化呈現。

OLED顯示屏引腳圖如圖8所示。1號引腳連接至STM32單片機的SDA＿B7接口，用于傳輸顯示數據；2號引腳連接至SCL＿B6接口，為IC通信提供時鐘信號；3號引腳接入3.3 V電壓；4號引腳接地。

圖8 OLED顯示屏引腳圖

03系統軟件設計

系統啟動后依次完成以下初始化操作：配置串口通信模塊，設置延時功能，初始化OLED顯示屏，建立ESP8266無線連接，啟動DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器以及MQ-135空氣污染傳感器，同時配置報警蜂鳴器。隨后系統實時采集環境溫度、濕度、煙霧和空氣質量數據等參數，通過OLED顯示屏界面動態顯示當前環境狀態，并借助WiFi模塊將監測數據上傳至機智云。系統流程圖見圖9。

圖9系統流程圖

系統實現

為實現對煙霧識別系統的遠程操控與實時監測，本系統采用機智云平臺自動生成手機端控制界面，通過機智云App實現對設備狀態的讀取與功能控制。機智云平臺提供可視化數據點綁定界面。在完成產品建模與數據點配置后，平臺將自動生成對應的數據點控件，如開關、滑動條、數值顯示等。用戶可根據系統功能需求，拖拽控件至頁面并配置其綁定的數據點與屬性。本文所設計的界面實時顯示了溫度、濕度、煙霧濃度等環境數據。手機App顯示界面如圖10所示。

圖10手機App顯示界面

04試驗與結果

為測試MQ-2煙霧傳感器靈敏度，使用打火機點燃紙巾產生煙霧進行模擬測試。正常環境下當前顯示的煙霧濃度為0.011 3%。將蜂鳴器報警閾值設為煙霧濃度大于0.02%。經多次試驗表明，該煙霧傳感器靈敏度較高，能準確采集煙霧數據，且蜂鳴器報警功能正常，部分測試結果如表1所示。

為測試DHT11溫濕度傳感器靈敏度，在一天內每間隔3 h進行一次環境溫度、濕度測量。經多次試驗表明，該傳感器能準確采集環境溫度、濕度數據，部分測試結果如表2所示。

在沒有其他可燃氣體的環境里，將打火機里的丁烷噴出，用于測試MQ-135空氣污染傳感器采集有毒氣體濃度數據的精確度和可靠性。將報警閾值設為丁烷濃度大于0.05%，經多次試驗表明，該傳感器能準確采集環境空氣質量數據，部分測試結果如表3所示。

05結語

本文設計的變電站煙霧識別系統，契合變電站設備集中、起火快、可能釋放有毒氣體的特點，借助WiFi模塊實現監測數據穩定上傳與遠程交互。試驗驗證，系統搭載的多類傳感器可快速準確感知環境變化并上傳數據至機智云平臺，參數超閾值時同步觸發本地報警。相較于傳統單一報警裝置，本系統通過多傳感器融合與云端協同，提升了火災監測的維度與可靠性，對保障變電站安全運行具有重要實際意義與應用價值。