基于NBIOT的云端語音報警系統設計方案

系統概述

基于NBIOT的云端語音報警系統是一種集環境感知、數據傳輸、云端處理和語音播報于一體的智能報警裝置，適用于家庭、工業、倉儲等場景的火災、溫度異常、設備故障等緊急事件的實時監測與預警。該系統通過NBIOT模塊實現低功耗、廣覆蓋的無線通信，結合云端平臺實現數據的遠程存儲與分析，并通過語音模塊實現本地化報警提示，形成“感知-傳輸-處理-反饋”的完整閉環。

系統架構設計

系統由前端感知層、網絡傳輸層、云端處理層和用戶交互層組成，各層功能模塊如下：

1. 前端感知層

前端感知層負責采集環境數據并觸發報警，核心元器件包括：

• 主控芯片：STM32F103C8T6

• 作用：系統核心控制單元，負責傳感器數據采集、邏輯判斷、通信協議處理及語音模塊控制。

• 選型理由：STM32F103C8T6基于ARM Cortex-M3內核，主頻72MHz，內置64KB Flash和20KB SRAM，支持多路ADC、UART、SPI等外設接口，性價比高且開發資源豐富，適合嵌入式報警系統的快速開發。

• 功能擴展：可通過GPIO擴展外設，如按鍵、LED指示燈等。

• 環境傳感器

• 作用：檢測火焰發出的特定波長紅外線（940nm±50nm）。

• 選型理由：PH302響應速度快（<1ms），抗干擾能力強，適合明火檢測。

• 功能：輸出數字信號，直接連接主控GPIO口。

• 作用：監測環境溫度，輸出電阻值隨溫度變化。

• 選型理由：MF52-103F3950阻值10kΩ（25℃），B值3950K，精度±1%，適合寬溫范圍（-40℃~+125℃）應用。

• 功能：通過分壓電路將電阻變化轉換為電壓信號，經ADC采樣后計算溫度值。

• 作用：檢測空氣中的可燃氣體及煙霧濃度，輸出模擬電壓信號。

• 選型理由：MQ-2對液化氣、丙烷、氫氣等敏感，響應時間快（<10秒），適合火災早期預警。

• 功能：通過ADC接口與主控連接，將模擬信號轉換為數字量。

• 煙霧傳感器：MQ-2氣體傳感器

• 溫度傳感器：NTC熱敏電阻（如MF52-103F3950）

• 火焰傳感器：紅外接收管（如PH302）

• 語音模塊：SYN6288/JQ8900

• 作用：預存語音片段，通過串口指令或引腳電平控制播放。

• 選型理由：JQ8900支持MP3、WAV格式音頻，存儲容量靈活（可選4MB-32MB），適合簡單語音提示場景。

• 功能：通過SPI/I2C接口與主控連接，降低開發復雜度。

• 作用：將文本轉換為自然語音，支持中文、英文及中英文混讀。

• 選型理由：SYN6288內置TTS引擎，支持GB2312、UNICODE編碼，語音合成速度3-4字/秒，音質清晰，適合報警信息播報。

• 功能：通過UART接口與主控通信，接收文本指令并驅動揚聲器發聲。

• SYN6288

• JQ8900（備選）

• 聲光報警器：有源蜂鳴器+LED指示燈

• 作用：本地化聲光報警，提醒現場人員。

• 選型理由：有源蜂鳴器（如SMT-12095）工作電壓3.3V-5V，聲壓級≥85dB，LED指示燈（如3mm紅色高亮LED）亮度高，適合嘈雜環境。

• 功能：蜂鳴器通過NPN三極管驅動，LED通過GPIO直接控制。

2. 網絡傳輸層

網絡傳輸層負責將前端數據上傳至云端，核心元器件為NBIOT模塊：

• NBIOT模塊：BC95-B5/BC28

• BC95-B5：基于華為海思Boudica 120芯片，支持B3/B5/B8頻段，工作電壓3.1V-4.2V，休眠電流<5μA，適合電池供電場景。

• BC28：移遠通信模塊，支持B1/B3/B5/B8頻段，內置TCP/IP協議棧，開發難度低。

• 作用：實現低功耗廣域網（LPWAN）通信，支持CoAP、MQTT等協議。

• 選型理由：

• 功能：通過UART接口與主控通信，發送傳感器數據至云端平臺，接收云端指令并反饋至主控。

3. 云端處理層

云端處理層負責數據存儲、分析與指令下發，核心平臺為阿里云IoT平臺：

• 阿里云IoT平臺

• 設備接入：通過MQTT協議與NBIOT模塊通信，支持TLS加密。

• 數據存儲：將傳感器數據存入時序數據庫（如TimeScaleDB），支持歷史數據查詢。

• 規則引擎：配置報警閾值（如溫度>50℃、煙霧濃度>1000ppm），觸發報警時通過短信、電話、微信推送通知。

• 作用：提供設備接入、數據存儲、規則引擎及消息推送服務。

• 功能：

4. 用戶交互層

用戶交互層提供報警信息展示與設備控制接口，核心工具為App Inventor開發的Android應用：

• App Inventor

• 實時監控：顯示傳感器數據曲線（如溫度、煙霧濃度）。

• 報警推送：接收云端消息并彈出通知，支持聲音、震動提醒。

• 設備控制：遠程復位報警、調整傳感器閾值。

• 作用：快速開發圖形化界面APP，支持MQTT協議接入阿里云IoT平臺。

• 功能：

硬件電路設計

1. 主控與傳感器接口電路

• ADC采樣電路：NTC熱敏電阻與10kΩ固定電阻串聯，分壓點接STM32的ADC輸入引腳（如PA0），通過軟件算法計算溫度值。

• 煙霧傳感器接口：MQ-2輸出端接10kΩ下拉電阻，分壓點接PA1，通過ADC采樣獲取煙霧濃度。

• 火焰傳感器接口：PH302輸出端接STM32的PC13引腳（配置為輸入模式），檢測到火焰時輸出低電平。

2. 語音模塊接口電路

• SYN6288接口：

• TXD接STM32的PA2（USART2_TX），RXD接PA3（USART2_RX）。

• BUSY引腳接PC14（配置為輸入模式），用于檢測語音播放狀態。

• JQ8900接口：

• BUSY接PC15，PLAY接PB0（配置為輸出模式），通過電平控制播放。

3. NBIOT模塊接口電路

• BC95-B5接口：

• TXD接STM32的PA9（USART1_TX），RXD接PA10（USART1_RX）。

• PWRKEY接PB1（配置為輸出模式），通過短按（>100ms）啟動模塊。

• RST接PB2，用于模塊復位。

4. 電源管理電路

• 穩壓芯片：AMS1117-3.3將5V輸入轉換為3.3V，為STM32、傳感器及語音模塊供電。

• 電池接口：支持3.7V鋰電池供電，通過TP4056充電芯片實現充電管理。

軟件設計

1. 主控程序流程

1. 初始化：配置時鐘、GPIO、ADC、UART、定時器等外設。

2. 傳感器數據采集：

• 定時（如1秒）讀取ADC通道值，計算溫度、煙霧濃度。

• 檢測火焰傳感器電平狀態。

3. 報警邏輯判斷：

• 若溫度>50℃或煙霧濃度>1000ppm或檢測到火焰，觸發本地報警（蜂鳴器+LED）并啟動語音播報。

4. NBIOT通信：

• 通過MQTT協議將數據上傳至阿里云IoT平臺。

• 接收云端指令（如復位報警、調整閾值）并執行。

2. 關鍵代碼片段

// ADC初始化（以溫度采樣為例）

void ADC_Init(void) {

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);



ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;

ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);



ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

ADC_ResetCalibration(ADC1);

while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));

ADC_StartCalibration(ADC1);

while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

}



// 溫度計算函數

float Get_Temperature(void) {

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));

uint16_t adc_value = ADC_GetConversionValue(ADC1);

float voltage = adc_value * 3.3 / 4095.0;

float resistance = 10000.0 * voltage / (3.3 - voltage); // 分壓電阻10kΩ

float temp = 1.0 / (1.0 / 298.15 + (1.0 / 3950.0) * log(resistance / 10000.0)) - 273.15; // 轉換為攝氏度

return temp;

}



// MQTT消息發送函數

void MQTT_Send_Data(float temp, uint16_t smoke) {

char payload[128];

sprintf(payload, "{"temp":%.1f,"smoke":%d}", temp, smoke);

MQTT_Publish(mqtt_client, "/topic/sensor", payload, strlen(payload), 1, 0);

}

3. 云端規則引擎配置

• 規則1：當temp > 50時，觸發“溫度超限”報警，推送短信至管理員手機。

• 規則2：當smoke > 1000時，觸發“煙霧超限”報警，推送微信消息至用戶。

• 規則3：當檢測到火焰信號時，觸發“火焰報警”，撥打電話至緊急聯系人。

系統測試與優化

1. 功能測試

• 傳感器校準：使用標準溫度計、煙霧發生器校準NTC熱敏電阻和MQ-2傳感器。

• 通信穩定性測試：在弱信號環境下（如地下室）測試NBIOT模塊的丟包率（<1%）。

• 語音播報測試：驗證SYN6288的語音清晰度及JQ8900的預存語音播放效果。

2. 功耗優化

• 休眠模式：STM32進入STOP模式，NBIOT模塊進入PSM（Power Saving Mode），系統整體功耗<10μA。

• 定時喚醒：每10分鐘喚醒一次，上傳數據并檢查報警狀態。

3. 可靠性優化

• 看門狗：啟用STM32的獨立看門狗（IWDG），防止程序死機。

• 數據冗余：云端存儲3份傳感器數據副本，防止丟失。

應用場景與擴展性

1. 應用場景

• 家庭防火：監測廚房、臥室溫度及煙霧濃度，防止火災。

• 工業安全：監測倉庫、車間可燃氣體泄漏及明火。

• 農業監測：監測溫室溫度，防止設備過熱引發火災。

2. 擴展性

• 多傳感器接入：通過I2C接口擴展CO2、PM2.5等傳感器。

• 多平臺支持：接入騰訊云IoT Explorer、AWS IoT等平臺。

• AI分析：在云端部署機器學習模型，預測火災風險。

總結

基于NBIOT的云端語音報警系統通過集成STM32F103C8T6、MQ-2煙霧傳感器、NTC熱敏電阻、SYN6288語音模塊及BC95-B5 NBIOT模塊，實現了環境感知、數據傳輸、云端處理和語音播報的完整功能。該系統具有低功耗、高可靠性、易擴展等優點，適用于家庭、工業、農業等多場景的火災預警與安全監控。未來可通過增加AI分析、多傳感器融合等技術進一步提升系統智能化水平。