Разработка автономной бытовой системы пожарной безопасности на базе микроконтроллера Arduino Uno

Введение

Пожары в жилых и подсобных помещениях остаются одной из наиболее распространенных и разрушительных угроз безопасности жизни и имущества. Статистика свидетельствует, что основными причинами возгораний являются неисправности электропроводки, нарушение правил эксплуатации бытовых приборов и неосторожное обращение с огнем [2, с. 5]. Несмотря на широкое распространение на рынке коммерческих пожарных извещателей, существует ниша применений, где их использование экономически нецелесообразно или функционально ограничено. Это такие области, как гаражи, частные мастерские, дачные дома, теплицы, сельскохозяйственные постройки, где требуется недорогое, гибкое и легко настраиваемое решение для локального мониторинга.

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью разработки доступных и эффективных технических решений для раннего обнаружения пожара, позволяющих минимизировать ущерб. Платформа Arduino, благодаря своей низкой стоимости, простоте освоения и широким возможностям интеграции с различными датчиками и исполнительными устройствами, представляет собой идеальную основу для создания подобных прототипов и нишевых продуктов [1, с. 15; 5, с. 24].

Целью проекта является разработка и сборка функционирующего прототипа автономной системы раннего обнаружения возгорания по открытому пламени для домашнего или дачного использования на базе микроконтроллера Arduino Uno, обеспечивающего своевременное звуковое и световое оповещение.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Провести сравнительный анализ существующих коммерческих решений и датчиков для обнаружения пожара;
2. Изучить архитектуру платформы Arduino и принципы взаимодействия с периферийными устройствами;
3. Разработать структурную и принципиальную электрическую схему системы;
4. Написать и отладить программный код (скетч) в среде Arduino IDE;
5. Собрать работоспособное автономное устройство и провести его всесторонние испытания.

Методы исследования

Исследование проводилось в несколько последовательных этапов, на каждом из которых применялись соответствующие методы.

На подготовительном этапе был проведен сравнительный анализ коммерческих систем пожарной безопасности (бюджетные автономные извещатели, профессиональные проводные системы, умные датчики) по ключевым параметрам: стоимость, функционал, надежность, сложность установки (Таблица 1). Также был выполнен анализ типов датчиков пламени (инфракрасный, ультрафиолетовый, матричный ИК-датчик), совместимых с Arduino, по критериям стоимости, чувствительности, скорости срабатывания и сложности обработки сигнала [3, с. 110]. На основе анализа в качестве сенсора был выбран инфракрасный датчик пламени KY-026, как оптимальный по соотношению цена/качество для задач обнаружения открытого огня.

Таблица 1. Сравнительный анализ систем пожарной безопасности

Аппаратная часть системы включает микроконтроллер Arduino Uno, ИК-датчик пламени KY-026, исполнительные устройства – пьезоэлектрический зуммер и два светодиода (красный и зеленый), а также источник автономного питания – батарею 9V. Сборка принципиальной электрической схемы была первоначально смоделирована в симуляторе Tinkercad для верификации корректности соединений (рис. 1).

Рисунок 1. Схема подключения компонентов в симуляторе Tinkercad

Программная часть реализована в среде разработки Arduino IDE. Алгоритм работы системы представляет собой непрерывный цикл (рис. 2). После инициализации пинов (настройка режимов INPUT/OUTPUT) микроконтроллер циклически опрашивает цифровой выход датчика пламени. При отсутствии пламени горит зеленый светодиод, сигнализируя о режиме ожидания. При обнаружении пламени активируется режим тревоги: включается зуммер и начинает мигать красный светодиод. Для обеспечения стабильности работы и предотвращения ложных срабатываний в алгоритм добавлены временные задержки.

Рисунок 2. Алгоритм работы системы пожарной безопасности

Этап тестирования и отладки включал проверку чувствительности датчика с помощью подстроечного резистора, тестирование срабатывания системы на открытое пламя (зажигалку) на различных расстояниях и углах, а также настройку порогов срабатывания для минимизации ложных положительных откликов.

Результаты и обсуждение

В результате работы был собран функционирующий прототип автономной системы пожарной безопасности (рис. 3). Испытания подтвердили корректную работу всех компонентов системы.

Рисунок 3. Собранный прототип системы с датчиком и исполнительными устройствами

Система продемонстрировала способность надежно обнаруживать открытое пламя зажигалки на расстоянии до 1 метра в пределах угла обзора 60°. Время отклика от момента обнаружения пламени до активации сигнализации составило менее 500 мс, что является удовлетворительным показателем для бытового применения. Настройка чувствительности позволила снизить количество ложных срабатываний от других источников тепла.

Проведенное исследование и практическая реализация позволили выявить ключевые преимущества разработанного решения:

1. Экономическая эффективность: себестоимость прототипа на порядок ниже коммерческих аналогов.
2. Гибкость и кастомизация: программный код и аппаратная конфигурация легко модифицируются под конкретные задачи (настройка порогов, добавление новых сценариев).
3. Масштабируемость: архитектура системы позволяет легко интегрировать дополнительные датчики (дыма, температуры, газа), коммуникационные модули (GSM, Wi-Fi) и исполнительные механизмы (реле, сервоприводы).
4. Автономность: питание от батареи обеспечивает работу системы при отключении основной электросети.
5. Образовательная ценность: проект служит эффективным инструментом для изучения основ схемотехники, программирования микроконтроллеров и создания автономных устройств.

Основным ограничением разработанного прототипа является его экспериментальный статус. В отличие от сертифицированных промышленных образцов, он не прошел всех необходимых испытаний и не может рассматриваться как полноценная замена профессиональной системы пожарной сигнализации для объектов с повышенными требованиями к безопасности [4, с. 20]. Его надежность в значительной степени зависит от качества сборки и корректности программного кода.

Выводы

В рамках данного проекта был успешно разработан, собран и протестирован прототип автономной бытовой системы пожарной безопасности на базе микроконтроллера Arduino Uno. Практически подтверждена ее работоспособность и эффективность в выполнении основной задачи – обнаружении открытого пламени и оперативном оповещении с помощью звуковой и световой сигнализации.

Разработанное устройство является экономичным, гибким и масштабируемым решением, представляющим практический интерес для применения в гаражах, мастерских, на дачах и других подсобных помещениях, где использование дорогостоящих коммерческих систем нецелесообразно. Проект также имеет высокую образовательную ценность, демонстрируя полный цикл создания электронного устройства – от проектирования до реализации.

Перспективы дальнейшего развития системы включают:

1. Повышение надежности за счет введения резервного питания и использования более помехозащищенных компонентов.
2. Расширение функциональности путем интеграции GSM- или Wi-Fi-модуля для отправки push-уведомлений на смартфон.
3. Создание распределенной сети датчиков для мониторинга больших площадей.
4. Добавление мультисенсорной системы обнаружения, включающей датчики дыма (MQ-2) и температуры (DHT22), для комплексного анализа пожарной обстановки.

1. Блум Дж. Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства / Джереми Блум; пер. с англ. – СПб.: БХВ-Петербург, 2015. – 336 с.
2. Бурькова Е. В. Системы охранно-пожарной сигнализации: учебное пособие / Е. В. Бурькова. – Оренбург: ОГУ, 2019. – 134 с.
3. Карвинен Т. Делаем сенсоры: проекты сенсорных устройств на базе Arduino и Raspberry Pi / Теро Карвинен, Киммо Карвинен, Вилле Валтокари; пер. с англ. – М.: Вильямс, 2015. – 432 с.
4. Логин В. М. Системы пожарной сигнализации: учебно-метод. пособие / В. М. Логин, И. Н. Цырельчук. – Минск: БГУИР, 2013. – 92 с.
5. Ревич Ю. В. Занимательная электроника / Ю. В. Ревич. – 3-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2015. – 576 с.