陳帥華，許艷英，包宋建

(1.重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，重慶 永川 402160;2.重慶文理學(xué)院電子電氣學(xué)院，重慶 永川 402160)

隨著人民生活水平日益提高，人們對生活質(zhì)量提出了更高的要求.由于一些家庭疏忽大意，會(huì)出現(xiàn)一些火災(zāi)或煤氣泄露等險(xiǎn)情，給家庭和社會(huì)帶來巨大的損失，因此迫切需要利用智能化的技術(shù)手段，為家庭提供一個(gè)安全舒適的生活環(huán)境.本設(shè)計(jì)適用范圍廣，可用于家居、倉庫等室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測、控制與遠(yuǎn)程報(bào)警.其創(chuàng)新點(diǎn)在于集室內(nèi)環(huán)境檢測、智能控制與利用GSM網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程報(bào)警為一體，借助可靠、成熟的GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，以最直觀的中文短消息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警和監(jiān)控.

1 工作原理

本設(shè)計(jì)的前端主要有溫度傳感器、煙感傳感器或煤氣泄漏傳感器、熱釋電紅外線傳感器，將采集到的報(bào)警信號傳送給HT46單片機(jī)［1］，單片機(jī)負(fù)責(zé)接收、處理感應(yīng)器信號，并判定是否有險(xiǎn)情發(fā)生.通過不斷對各種傳感器進(jìn)行巡檢，當(dāng)檢測到高電平，系統(tǒng)控制GSM網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)短消息報(bào)警，將報(bào)警信息通過GSM服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的用戶手機(jī)上，同時(shí)根據(jù)需要啟動(dòng)聲光報(bào)警器發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)信號，并對通風(fēng)系統(tǒng)和室內(nèi)電源總開關(guān)實(shí)施智能控制.對已實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)，還會(huì)給聯(lián)網(wǎng)中心的小區(qū)管理中心機(jī)發(fā)送報(bào)警信息.

該設(shè)計(jì)主要包含四大部分:第一，利用鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換界面，由鍵盤輸入手機(jī)號碼，用LCD顯示，并存儲在 AT24C02中;第二，利用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行室內(nèi)溫度的檢測，用LCD顯示當(dāng)前溫度值;第三，利用MQ2、MQ5、熱釋電紅外線傳感器對室內(nèi)氣體、煙霧濃度及安全進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測以及對通風(fēng)系統(tǒng)和門窗進(jìn)行相應(yīng)的智能控制和對室內(nèi)電源、煤源總開關(guān)實(shí)施智能控制;第四，利用通信TC35I模塊通過GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警.其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總的電路框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)

該室內(nèi)安防報(bào)警系統(tǒng)主要有HT46單片機(jī)、TC35I通信模塊、鍵盤輸入模塊、LCD液晶顯示屏、MQ2和MQ5傳感器、DS18B20溫度傳感器、熱釋電紅外線傳感器 D203S、聲光報(bào)警器和AT24C02存儲器等，其HT46RU232單片機(jī)各端口分配如圖2所示.

圖2 單片機(jī)各端口分配

系統(tǒng)中HT46單片機(jī)起核心控制作用，利用DS18B20溫度傳感器［2］進(jìn)行室內(nèi)溫度的檢測，通過單片機(jī)控制LCD顯示當(dāng)前溫度值.當(dāng)MQ2、MQ5可燃性氣體傳感器檢測到有煙霧或者可燃性氣體的時(shí)候，會(huì)給單片機(jī)輸入相應(yīng)的信號，當(dāng)單片機(jī)采集到有險(xiǎn)情信號發(fā)生時(shí)，會(huì)判斷為不同的情況后對通風(fēng)系統(tǒng)及門窗進(jìn)行相應(yīng)的智能控制，然后利用通信TC35I模塊通過GSM網(wǎng)絡(luò)對預(yù)先設(shè)定的用戶手機(jī)發(fā)送短信進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警.當(dāng)有物體靠近大門的時(shí)候，單片機(jī)會(huì)利用安裝在門口的熱釋電紅外線傳感器D203S進(jìn)行聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)防盜功能.下面以分模塊闡述設(shè)計(jì)方法.

2.1.1 人機(jī)交換界面設(shè)計(jì)

鍵盤輸入電路主要是用來輸入數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互.該系統(tǒng)的鍵盤設(shè)計(jì)是采用掃描方式實(shí)現(xiàn)的矩陣鍵盤.該矩陣掃描鍵盤由行線和列線組成，鍵盤的行線作為鍵盤的控制輸出端，鍵盤的列線作為鍵盤的輸入端.鍵盤的列線通過上拉電路將兩個(gè)管腳拉高，這樣在沒有按鍵按下的情況下，這兩個(gè)管腳的電平為高電平，如果有按鍵按下，則相應(yīng)的列線管腳為低電平，從而觸發(fā)中斷進(jìn)入中斷服務(wù)程序，進(jìn)而獲得輸入的數(shù)據(jù).液晶顯示采用的是1602顯示模塊.由鍵盤輸入手機(jī)號碼，用LCD顯示，并存儲在AT24C02中.系統(tǒng)設(shè)計(jì)鍵盤一次性最多輸入3個(gè)手機(jī)號碼，而最終在LCD顯示的是最后一個(gè)號碼.當(dāng)復(fù)位后可重設(shè)或修改電話號碼.當(dāng)檢測系統(tǒng)或短信報(bào)警時(shí)，3個(gè)手機(jī)號碼均能收到相應(yīng)的短信.

2.1.2 溫度采集及顯示電路設(shè)計(jì)

使用DS18B20時(shí)往往采用單片機(jī)的I/O端口實(shí)現(xiàn)與該器件的通信，這種方法雖然比較容易和方便，但是，因?yàn)镈S18B20的一線式串行總線對時(shí)序要求比較嚴(yán)格，因此，為了保證與DS18B20的通信可靠性，微處理器與DS18B20通信時(shí)需要采用關(guān)閉中斷的辦法，以防止操作時(shí)序被中斷服務(wù)破壞.通電后，LCD上時(shí)實(shí)顯示室內(nèi)溫度值，也可通過鍵盤設(shè)置溫度值.DS18B20電路如圖3所示.

圖3 溫度傳感器電路

2.1.3 防火、防盜、防煤氣泄露電路設(shè)計(jì)

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2).當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大.使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號.MQ-2S氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想.這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器.基本測試回路如圖4所示.

圖4 MQ-2測試電路

燃?xì)獍踩O(shè)備是安全使用城市燃?xì)獾淖詈笠坏辣Ｗo(hù)，燃?xì)庑孤﹫?bào)警器通過MQ-5煤氣泄漏傳感器探測周圍環(huán)境中的低濃度煤氣，通過采樣電路，將探測信號用模擬量或數(shù)字量傳遞給控制器或控制電路.當(dāng)煤氣濃度超過控制器或控制電路中的設(shè)定值時(shí)，控制器通過執(zhí)行器或執(zhí)行電路發(fā)出報(bào)警信號或執(zhí)行關(guān)閉燃?xì)忾y門等動(dòng)作.熱釋電紅外線傳感器D203S是利用溫度變化的特征來探測紅外線的輻射，人流量檢測系統(tǒng)的檢測電路需要兩個(gè)人體檢測傳感器，無人經(jīng)過時(shí)輸出高電平，當(dāng)有人進(jìn)入有效區(qū)域時(shí)，低電平輸出，人離開后再恢復(fù)高電平輸出.傳感器電路圖設(shè)計(jì)如圖5所示.

圖5 MQ-2、MQ-5傳感器放大電路

2.1.4 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TC35i新版西門子工業(yè)GSM模塊［3］是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍為直流3.3 ～4.8 V ，電流消耗在休眠狀態(tài)時(shí)為3.5mA，空閑狀態(tài)時(shí)為25mA，發(fā)射狀態(tài)時(shí)為300mA(平均)，2.5 A為其峰值.可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，EGSM900(4類)和GSM1800(1類)功耗分別為2 W和1 W，通過接口連接器和天線連接器分別連接 SIM卡讀卡器和天線.SIM電壓為3 V/1.8 V，TC35i的數(shù)據(jù)接口(CMOS 電平)通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為0.3～115 kb/s，自動(dòng)波特率為1.2～115 kb/s.它支持Text和PDU格式的SMS(Short Message Service，短消息)，可通過 AT 命令［4］或 關(guān) 斷 信號實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù).其硬件電路圖如圖6所示.

2.2 其它硬件電路設(shè)計(jì)

采用1602LCD液晶顯示屏和4×4矩陣式鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換界面設(shè)計(jì).1602LCD液晶顯示屏顯示所檢測的溫度值和預(yù)存的手機(jī)號碼.為了實(shí)現(xiàn)對預(yù)設(shè)電話號碼的存儲、報(bào)警信息的記錄以及對中英文字符的字模點(diǎn)陣的存儲，本設(shè)計(jì)采用了能夠保證斷電數(shù)據(jù)不丟失的片外存儲器AT24C02.同時(shí)采用了防火、防盜、防煤氣泄露等傳感器，設(shè)計(jì)中選擇精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的傳感器，提高安防系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的C語言編寫［5］，軟件部分重點(diǎn)在于對傳感器信號的檢測和對TC35i短信模塊的控制.系統(tǒng)檢測傳感器開關(guān)量中斷程序流程圖如圖7所示.系統(tǒng)首先對單片機(jī)中斷和TC35i短信模塊初始化，HT46單片機(jī)不斷對其余傳感器接口電路的I/O口循環(huán)進(jìn)行檢測.當(dāng)檢測到有傳感器的開關(guān)量為1(高電平)時(shí)，則說明需要報(bào)警，開關(guān)中斷進(jìn)入中斷處理子函數(shù)，中斷處理子函數(shù)完成對相應(yīng)防火、防燃?xì)庑孤┑仁录亩绦畔l(fā)送，同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警器.利用單片機(jī)通過串口通信向TC35i GSM模塊發(fā)送一系列AT指令，就能實(shí)現(xiàn)基于GSM的短信息SMS的收發(fā)、查尋和管理.

圖6 TC35I通信模塊電路圖

圖7 中斷子程序流程圖

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于單片機(jī)技術(shù)的室內(nèi)險(xiǎn)情遠(yuǎn)程短信報(bào)警及應(yīng)急處理系統(tǒng).在整機(jī)測試中，將所有模塊連接在規(guī)定的環(huán)境中測試一切正常，實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)溫度的檢測與顯示和對煙霧和危險(xiǎn)氣體的報(bào)警以及對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的智能控制，實(shí)現(xiàn)了利用通信TC35I模塊通過GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警和防盜等功能.

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