基于NBIOT的云端语音报警系统设计方案

系统概述

基于NBIOT的云端语音报警系统是一种集环境感知、数据传输、云端处理和语音播报于一体的智能报警装置，适用于家庭、工业、仓储等场景的火灾、温度异常、设备故障等紧急事件的实时监测与预警。该系统通过NBIOT模块实现低功耗、广覆盖的无线通信，结合云端平台实现数据的远程存储与分析，并通过语音模块实现本地化报警提示，形成“感知-传输-处理-反馈”的完整闭环。

系统架构设计

系统由前端感知层、网络传输层、云端处理层和用户交互层组成，各层功能模块如下：

1. 前端感知层

前端感知层负责采集环境数据并触发报警，核心元器件包括：

• 主控芯片：STM32F103C8T6

• 作用：系统核心控制单元，负责传感器数据采集、逻辑判断、通信协议处理及语音模块控制。

• 选型理由：STM32F103C8T6基于ARM Cortex-M3内核，主频72MHz，内置64KB Flash和20KB SRAM，支持多路ADC、UART、SPI等外设接口，性价比高且开发资源丰富，适合嵌入式报警系统的快速开发。

• 功能扩展：可通过GPIO扩展外设，如按键、LED指示灯等。

• 环境传感器

• 作用：检测火焰发出的特定波长红外线（940nm±50nm）。

• 选型理由：PH302响应速度快（<1ms），抗干扰能力强，适合明火检测。

• 功能：输出数字信号，直接连接主控GPIO口。

• 作用：监测环境温度，输出电阻值随温度变化。

• 选型理由：MF52-103F3950阻值10kΩ（25℃），B值3950K，精度±1%，适合宽温范围（-40℃~+125℃）应用。

• 功能：通过分压电路将电阻变化转换为电压信号，经ADC采样后计算温度值。

• 作用：检测空气中的可燃气体及烟雾浓度，输出模拟电压信号。

• 选型理由：MQ-2对液化气、丙烷、氢气等敏感，响应时间快（<10秒），适合火灾早期预警。

• 功能：通过ADC接口与主控连接，将模拟信号转换为数字量。

• 烟雾传感器：MQ-2气体传感器

• 温度传感器：NTC热敏电阻（如MF52-103F3950）

• 火焰传感器：红外接收管（如PH302）

• 语音模块：SYN6288/JQ8900

• 作用：预存语音片段，通过串口指令或引脚电平控制播放。

• 选型理由：JQ8900支持MP3、WAV格式音频，存储容量灵活（可选4MB-32MB），适合简单语音提示场景。

• 功能：通过SPI/I2C接口与主控连接，降低开发复杂度。

• 作用：将文本转换为自然语音，支持中文、英文及中英文混读。

• 选型理由：SYN6288内置TTS引擎，支持GB2312、UNICODE编码，语音合成速度3-4字/秒，音质清晰，适合报警信息播报。

• 功能：通过UART接口与主控通信，接收文本指令并驱动扬声器发声。

• SYN6288

• JQ8900（备选）

• 声光报警器：有源蜂鸣器+LED指示灯

• 作用：本地化声光报警，提醒现场人员。

• 选型理由：有源蜂鸣器（如SMT-12095）工作电压3.3V-5V，声压级≥85dB，LED指示灯（如3mm红色高亮LED）亮度高，适合嘈杂环境。

• 功能：蜂鸣器通过NPN三极管驱动，LED通过GPIO直接控制。

2. 网络传输层

网络传输层负责将前端数据上传至云端，核心元器件为NBIOT模块：

• NBIOT模块：BC95-B5/BC28

• BC95-B5：基于华为海思Boudica 120芯片，支持B3/B5/B8频段，工作电压3.1V-4.2V，休眠电流<5μA，适合电池供电场景。

• BC28：移远通信模块，支持B1/B3/B5/B8频段，内置TCP/IP协议栈，开发难度低。

• 作用：实现低功耗广域网（LPWAN）通信，支持CoAP、MQTT等协议。

• 选型理由：

• 功能：通过UART接口与主控通信，发送传感器数据至云端平台，接收云端指令并反馈至主控。

3. 云端处理层

云端处理层负责数据存储、分析与指令下发，核心平台为阿里云IoT平台：

• 阿里云IoT平台

• 设备接入：通过MQTT协议与NBIOT模块通信，支持TLS加密。

• 数据存储：将传感器数据存入时序数据库（如TimeScaleDB），支持历史数据查询。

• 规则引擎：配置报警阈值（如温度>50℃、烟雾浓度>1000ppm），触发报警时通过短信、电话、微信推送通知。

• 作用：提供设备接入、数据存储、规则引擎及消息推送服务。

• 功能：

4. 用户交互层

用户交互层提供报警信息展示与设备控制接口，核心工具为App Inventor开发的Android应用：

• App Inventor

• 实时监控：显示传感器数据曲线（如温度、烟雾浓度）。

• 报警推送：接收云端消息并弹出通知，支持声音、震动提醒。

• 设备控制：远程复位报警、调整传感器阈值。

• 作用：快速开发图形化界面APP，支持MQTT协议接入阿里云IoT平台。

• 功能：

硬件电路设计

1. 主控与传感器接口电路

• ADC采样电路：NTC热敏电阻与10kΩ固定电阻串联，分压点接STM32的ADC输入引脚（如PA0），通过软件算法计算温度值。

• 烟雾传感器接口：MQ-2输出端接10kΩ下拉电阻，分压点接PA1，通过ADC采样获取烟雾浓度。

• 火焰传感器接口：PH302输出端接STM32的PC13引脚（配置为输入模式），检测到火焰时输出低电平。

2. 语音模块接口电路

• SYN6288接口：

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

• BUSY引脚接PC14（配置为输入模式），用于检测语音播放状态。

• JQ8900接口：

• BUSY接PC15，PLAY接PB0（配置为输出模式），通过电平控制播放。

3. NBIOT模块接口电路

• BC95-B5接口：

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

• PWRKEY接PB1（配置为输出模式），通过短按（>100ms）启动模块。

• RST接PB2，用于模块复位。

4. 电源管理电路

• 稳压芯片：AMS1117-3.3将5V输入转换为3.3V，为STM32、传感器及语音模块供电。

• 电池接口：支持3.7V锂电池供电，通过TP4056充电芯片实现充电管理。

软件设计

1. 主控程序流程

1. 初始化：配置时钟、GPIO、ADC、UART、定时器等外设。

2. 传感器数据采集：

• 定时（如1秒）读取ADC通道值，计算温度、烟雾浓度。

• 检测火焰传感器电平状态。

3. 报警逻辑判断：

• 若温度>50℃或烟雾浓度>1000ppm或检测到火焰，触发本地报警（蜂鸣器+LED）并启动语音播报。

4. NBIOT通信：

• 通过MQTT协议将数据上传至阿里云IoT平台。

• 接收云端指令（如复位报警、调整阈值）并执行。

2. 关键代码片段

// ADC初始化（以温度采样为例）

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);

}



// 温度计算函数

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); // 分压电阻10kΩ

float temp = 1.0 / (1.0 / 298.15 + (1.0 / 3950.0) * log(resistance / 10000.0)) - 273.15; // 转换为摄氏度

return temp;

}



// MQTT消息发送函数

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. 云端规则引擎配置

• 规则1：当temp > 50时，触发“温度超限”报警，推送短信至管理员手机。

• 规则2：当smoke > 1000时，触发“烟雾超限”报警，推送微信消息至用户。

• 规则3：当检测到火焰信号时，触发“火焰报警”，拨打电话至紧急联系人。

系统测试与优化

1. 功能测试

• 传感器校准：使用标准温度计、烟雾发生器校准NTC热敏电阻和MQ-2传感器。

• 通信稳定性测试：在弱信号环境下（如地下室）测试NBIOT模块的丢包率（<1%）。

• 语音播报测试：验证SYN6288的语音清晰度及JQ8900的预存语音播放效果。

2. 功耗优化

• 休眠模式：STM32进入STOP模式，NBIOT模块进入PSM（Power Saving Mode），系统整体功耗<10μA。

• 定时唤醒：每10分钟唤醒一次，上传数据并检查报警状态。

3. 可靠性优化

• 看门狗：启用STM32的独立看门狗（IWDG），防止程序死机。

• 数据冗余：云端存储3份传感器数据副本，防止丢失。

应用场景与扩展性

1. 应用场景

• 家庭防火：监测厨房、卧室温度及烟雾浓度，防止火灾。

• 工业安全：监测仓库、车间可燃气体泄漏及明火。

• 农业监测：监测温室温度，防止设备过热引发火灾。

2. 扩展性

• 多传感器接入：通过I2C接口扩展CO2、PM2.5等传感器。

• 多平台支持：接入腾讯云IoT Explorer、AWS IoT等平台。

• AI分析：在云端部署机器学习模型，预测火灾风险。

总结

基于NBIOT的云端语音报警系统通过集成STM32F103C8T6、MQ-2烟雾传感器、NTC热敏电阻、SYN6288语音模块及BC95-B5 NBIOT模块，实现了环境感知、数据传输、云端处理和语音播报的完整功能。该系统具有低功耗、高可靠性、易扩展等优点，适用于家庭、工业、农业等多场景的火灾预警与安全监控。未来可通过增加AI分析、多传感器融合等技术进一步提升系统智能化水平。