肖家文,,茅勝榮,陳小平
?。ㄌK州大學(xué) 電子信息學(xué)院,,江蘇 蘇州 215000)
摘要:大部分火災(zāi)的發(fā)生是由于在火災(zāi)初期沒有及時采取應(yīng)急防火措施,,如果能夠有效檢測異常火苗或者氣體并及時報警采取措施,,就能大大降低火災(zāi)對人類的威脅,。設(shè)計了煙霧報警系統(tǒng),能使外出的人及時收到家中的報警信息,。該系統(tǒng)由24 V直流電源供電,,使用低功耗單片機(jī)MSP430F5529搭載靈敏度高、可靠性好,、價格低廉的煙霧傳感器MQ2實現(xiàn)煙霧監(jiān)測,,并通過GSM模塊SIM900A對報警信息進(jìn)行無線遠(yuǎn)距離傳輸。經(jīng)測試,,系統(tǒng)能夠在7~10 s內(nèi)將警報通知到用戶,,這對減少火災(zāi)引起的損失起到了十分關(guān)鍵的作用。
關(guān)鍵詞: 煙霧報警,;傳感器,;MSP430;GSM通信
中圖分類號:TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.02.029
引用格式:肖家文,,茅勝榮,,陳小平.低功耗遠(yuǎn)程煙霧報警系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2017,36(2):96-99.
0引言
隨著社會節(jié)奏加快,,住宅往往處于長期無人的狀態(tài),,全國每年因居住場所無人而引發(fā)的火災(zāi)逐年增多,造成了巨大的財產(chǎn)損失[1],。煙霧傳感器是一種典型的火災(zāi)監(jiān)測傳感器,,它能夠?qū)⒖諝庵挟惓怏w的濃度或者火焰光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成電信號。傳統(tǒng)的煙霧報警器只能夠在檢測到火災(zāi)的情況下發(fā)出警報聲響,,傳播距離短,,有很大的局限性。本文利用低功耗單片機(jī)MSP430將煙霧傳感器MQ2的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,,一旦檢測到異?;瘜W(xué)氣體超標(biāo)便通過GSM網(wǎng)絡(luò)將警報信息以短信或電話的形式告知遠(yuǎn)方的用戶,系統(tǒng)反應(yīng)迅速并且成本低廉,。
1系統(tǒng)硬件架構(gòu)
圖1展示了遠(yuǎn)程煙霧報警系統(tǒng)的硬件架構(gòu),整個系統(tǒng)由6個模塊構(gòu)成,,分別是電源模塊,、傳感器模塊、邏輯控制模塊,、顯示模塊,、GSM通信模塊和手機(jī)接收端,。
1.1煙霧傳感器MQ-2
火災(zāi)傳感器按原理可以分為熱傳感器、光電子傳感器,、離子傳感器,、空氣采樣監(jiān)測器、半導(dǎo)體氣體傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?。其中,,熱傳感器正確率高但反應(yīng)速度慢,光電傳感器,、離子傳感器和空氣采樣檢測器主要在特殊環(huán)境中發(fā)揮作用,,火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^檢測光的波長來監(jiān)測火災(zāi)和爆炸,可靠性高,,反應(yīng)速度極快,,但是價格昂貴。本文采用的傳感器MQ2屬于半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器,,火災(zāi)現(xiàn)場產(chǎn)生的煙霧及氣體與傳感器中的半導(dǎo)體材料二氧化錫發(fā)生化學(xué)反應(yīng),,造成表面勢壘降低,材料的導(dǎo)電性能顯著提高,,通過外圍電子電路檢測這種變化能夠準(zhǔn)確發(fā)出火災(zāi)警報[2],。MQ2傳感器體積小、易安裝,、安全性好,,非常適合檢測液化石油氣、甲烷,、丙烷,、酒精、一氧化碳等可燃?xì)怏w引起的火災(zāi),。圖2所示的是MQ2的工作原理圖,,傳感器輸出的模擬電壓與滑動變阻器的預(yù)設(shè)電壓值一同輸入比較器,當(dāng)傳感器輸出電壓超過預(yù)設(shè)值,,比較器輸出低電平,,點(diǎn)亮LED燈。
1.2電源模塊
考慮到GSM模塊在搜索網(wǎng)絡(luò)與接收發(fā)送短消息的功率比較大,,因此本系統(tǒng)使用24 V直流供電,,通過DC/DC芯片LM2596將24 V轉(zhuǎn)換成5 V為GSM提供充足的電能[3]。通過LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)芯片AMS1117將5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V為MCU提供穩(wěn)定且紋波低的工作電壓,。圖3展示了DC/DC電源的工作原理圖,,其中的續(xù)流二極管D6選擇肖特基快速整流管1N5825,最大電流可達(dá)5 A,。反饋端的電阻R6與R5需要選擇1%的精密電阻,,電感L2的DCR(直流電阻)越小越好,,一般選擇在0.03 Ω左右即可,電容C10,、C8的ESR(等效串聯(lián)電阻)對輸出電壓的紋波起著關(guān)鍵作用,,ESR越低,電源的紋波越小,,一般ESR在幾毫歐附近即可,。
1.3MCU與顯示模塊
整個系統(tǒng)并不需要實現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯算法,因此選擇超低功耗的單片機(jī)MSP430F5529,,該MCU內(nèi)部有一顆16位的RISC CPU,,此外還集成了4個16位定時器和1個高性能的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器[4],可以用來采集MQ2輸出的模擬信號量,。為了方便人機(jī)交互,,本系統(tǒng)使用了一款102×64像素的LCD顯示屏來顯示一些必要的系統(tǒng)信息,它與MCU通過SPI總線進(jìn)行通信,,圖4展示了它們的連接圖,。其中的TPS75105為液晶屏的恒流源驅(qū)動,支持使用PWM來調(diào)節(jié)液晶的背光亮度,。圖4MCU與液晶屏的連接圖∶
1.4GSM模塊
SIM900A是目前市面上比較通用的一款GSM通信模塊,,它有兩個工作頻段,分別是EGSM 標(biāo)準(zhǔn)的900 MHz和DCS 標(biāo)準(zhǔn)的1 800 MHz,。它的功耗很低,,在睡眠模式下僅消耗1 mA的電流[5]。圖5所示是SIM900A的工作原理圖,,通過長按開關(guān)機(jī)鍵可以強(qiáng)制GSM模塊開機(jī)或者關(guān)機(jī),,在開機(jī)瞬間,SIM900A需要非常大的驅(qū)動電流,,一旦搜索到信號便會穩(wěn)定下來,,需要的電流也會大幅下降,這種特性對電源要求比較嚴(yán)苛,,可以為SIM900A的電源引腳并聯(lián)一個大電容,,使其平滑開機(jī)過程中的電流脈沖。SIM900A通過串口與MCU進(jìn)行通信,,波特率通常選擇為9 600 b/s,。MCU使用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令來配置GSM模塊,并完成發(fā)送短信警報的功能,。,、
2系統(tǒng)軟件架構(gòu)
如圖6所示,系統(tǒng)上電后,SIM900A模塊開機(jī),,MCU完成初始化,通過串口發(fā)送AT指令給SIM900A模塊使SIM900A初始化,,配置SIM900A進(jìn)入中文短信發(fā)送模式,。當(dāng)煙霧傳感器檢測到異常,其輸出的模擬信號電壓超過了設(shè)定的閾值,,比較器輸出端會產(chǎn)生一個下降沿,,觸發(fā)MCU的外部中斷,MCU將立即發(fā)送AT指令及報警短信的編碼數(shù)據(jù)給SIM900A模塊,。
2.1MCU初始化
MCU一上電默認(rèn)開啟看門狗,,為了測試方便,主程序中首先將看門狗關(guān)閉,,接著配置系統(tǒng)時鐘至24 MHz,,設(shè)置好外部中斷并打開全局中斷,初始化液晶顯示屏,,打開背光燈,,調(diào)整好對比度。最后,,將MSP430的串行通信接口圖5SIM900A工作原理圖,、
USCI配置成UART模式,波特率為9 600 b/s,,禁止奇偶校驗,,8位數(shù)據(jù)格式,1位停止位,,發(fā)送和接收低位優(yōu)先,。通過串口發(fā)送ATI指令,SIM900A如果工作正常會返回設(shè)備信息和“OK”,。
2.2SIM900A搜索設(shè)備運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)
發(fā)送指令“AT+COPS”,,如果成功則會收到“+COPS:0,0”、“CHINA MOBILE”和“OK”的回復(fù)信息,,其中CHINA MOBILE表示中國移動運(yùn)營商,,不同運(yùn)營商的SIM卡會返回不同的字符串。程序通過檢測接收字符串中是否包含OK字樣來判斷是否成功搜索到運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò),。
2.3SIM900A獲取信息中心號碼
信息中心號碼是一種短信息服務(wù)器,,各個地區(qū)都有自己的信息中心號碼,例如蘇州短信中心號碼為8613802001500,。短信的收發(fā)必須交由信息中心進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)才能成功發(fā)送,,所以獲取本地信息中心號碼十分關(guān)鍵。通過發(fā)送“AT+CSCA?”可以獲取信息中心的號碼。
2.4SIM900A短信模式配置
短信編碼主要有三種:BLOCK模式,、TEXT模式和PDU(Protocol Data Unit)模式,,其中BLOCK模式幾乎已經(jīng)被淘汰;TEXT模式收發(fā)短信代碼簡單,,實現(xiàn)容易,,但是最大的缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信;而PDU模式被所有手機(jī)支持,,可以使用任何字符集,。PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼:7 bit、8 bit和UCS2編碼,,其中7 bit編碼用于發(fā)送普通ASCII字符,,8 bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息,比如圖片和鈴聲等,,UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符,。本報警系統(tǒng)主要面向國內(nèi)用戶,所以采用支持中文的PDU模式,。因此通過發(fā)送指令A(yù)T+CMGF=0來選擇使用PDU模式,,發(fā)送指令A(yù)T+CSCS="UCS2"使SIM900A模塊支持UCS2編碼。
2.5發(fā)送端中文短信的PDU編碼
PDU作為一種數(shù)據(jù)單元,,它必須包含源/目的地址,、有效時間、數(shù)據(jù)格式,、協(xié)議類型和正文內(nèi)容,,正文長度可以達(dá)到140字節(jié)。本節(jié)以發(fā)送中文短信“火災(zāi)報警”為例,,根據(jù)表1所示, 按照發(fā)送端PDU的格式來進(jìn)行編碼得到的結(jié)果為:0891683108502105F011000D91688168121489 F200080008706B707E62A58B66,。
SCA即服務(wù)中心號,共由3個字段組成,,分別是SCA區(qū)的字節(jié)數(shù),、服務(wù)中心的類型和服務(wù)中心的地址。本例中SCA區(qū)為0891683108502105F0,,其中08表示除去08外后面的字節(jié)數(shù),,十六進(jìn)制表示的91683108502105F0正好8個字節(jié)。緊跟其后的91表示后面的服務(wù)中心號為國際格式,。683108502105F0就是編碼后的服務(wù)中心號,,每個字節(jié)先編碼低4位,再編碼高4位,,如果號碼個數(shù)為奇數(shù),,則最后一個字節(jié)的4~7位全部設(shè)置為1,由此便可將蘇州地區(qū)的服務(wù)中心號碼8613802001500編碼成683108502105F0。
PDUType即協(xié)議數(shù)據(jù)單元類型,,發(fā)送方的典型值為11,,表示消息類型是發(fā)送。MR即短消息參考,,表示手機(jī)向消息服務(wù)中心提交的短消息序號,,從0到255,一般手機(jī)端會自動改動,,所以默認(rèn)為00。DA即目的手機(jī)地址,,由三個字段組成,,分別是長度、地址類型和編碼后的具體地址,,本例中的DA為0D91688168121489F2,,其中0D即目標(biāo)地址的數(shù)字的個數(shù),不包括國際格式91和號碼奇數(shù)的補(bǔ)位F在內(nèi)共13個十進(jìn)制數(shù),,688168121489F2即為目標(biāo)電話號碼8618862141982的編碼,,編碼方式同服務(wù)中心號碼。PID即協(xié)議標(biāo)識,,00表示普通GSM類型,,點(diǎn)到點(diǎn)通信。DCS即數(shù)據(jù)編碼方法,,08表示采用UCS2編碼,。VP即有效時間,表示服務(wù)中心收到短消息后,,在沒有發(fā)送到目標(biāo)機(jī)前可以保證消息有效的時間,,00代表5分鐘。UDL即用戶數(shù)據(jù)長度,,UCS2編碼的情況下表示用戶數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)數(shù),,中文“火災(zāi)報警”在Unicode編碼后共占8個字節(jié),因此這里是08,。UD即用戶數(shù)據(jù),,這里填入“火災(zāi)報警”的Unicode編碼,為706B707E62A58B66,。
2.6SIM900A發(fā)送中文短信
在完成上述步驟之后,,發(fā)送AT指令A(yù)T+CMGS=<length>,來通知服務(wù)中心待發(fā)送數(shù)據(jù)長度,,其中<length>代表要發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù),,應(yīng)當(dāng)從PDU編碼后的PDUType段開始計算,在這里即計算11000D91688168121489 F200080008706B707E62A58B66的長度,即23,。發(fā)送成功后,,延遲1 s,檢查是否收到‘>’字符,,如果收到,,便可以將上一節(jié)編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)中心。發(fā)送短信的UML序列圖如圖7所示,。
3運(yùn)行測試
當(dāng)MCU板與SIM900A通信板的通信串口使用杜邦線連接好后,,給整個系統(tǒng)接上24 V直流電壓,系統(tǒng)迅速上電啟動,。SIM900A上電會自動搜尋網(wǎng)絡(luò),,這個過程需要消耗一段時間。當(dāng)系統(tǒng)成功運(yùn)行起來后,,GSM模塊的LED燈以1 PPS的速度閃爍,,液晶顯示屏上打印出了相應(yīng)的啟動信息。另外,,若要煙霧傳感器的數(shù)據(jù)穩(wěn)定,,需要20 s左右的預(yù)熱時間。為了模擬火災(zāi)情形,,使用打火機(jī)釋放微量的混合烷烴氣體并逐漸靠近MQ2傳感器,,傳感器迅速發(fā)出了警報,在測試中,,7~10 s后手機(jī)收到了火災(zāi)警報的短信,。
4結(jié)論
本文介紹的煙霧報警系統(tǒng)通過MQ2半導(dǎo)體煙霧傳感器能夠及時感知火情的發(fā)生,GSM通信網(wǎng)寬廣的覆蓋范圍能夠使遠(yuǎn)離住宅區(qū)上班的用戶收到家中的警報信息并在第一時間采取急救措施,,這將大大降低了火災(zāi)帶來的巨大的財產(chǎn)損失,。成熟穩(wěn)定的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施使得整套遠(yuǎn)程煙霧報警系統(tǒng)具有非常高的性價比。此外MSP430單片機(jī)具有出色的低功耗特性,,符合智能家居綠色節(jié)能的主題,。
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