無線煙火遠程報警系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計了一種無線煙火報警系統(tǒng)，采用超靈敏的微小電流傳感器檢測煙火報警器的工作狀態(tài)，STC89C51單片機通過A／D轉(zhuǎn)換器檢測電流傳感器的狀態(tài)，控制GSM模塊發(fā)送短信到目的手機。采用GSM無線通信的方式，實現(xiàn)了待監(jiān)測房屋和房屋主人的信息溝通，不受時間、地域、距離的限制，如果發(fā)生火災(zāi)，能夠立即發(fā)送短信到屋主，最大限度地降低火災(zāi)損失；采用電流感應(yīng)的方式，能與市面上各種煙火報警器結(jié)合使用而不用改變硬件設(shè)計。
關(guān)鍵詞：TC35；STC89C51；煙火報警；GSM

0 引言
    一次又一次的火災(zāi)給人們不斷的警示，要最小限度地降低火災(zāi)的發(fā)生，一方面要樹立火災(zāi)安全意識，防患于未然；另一方面，要最大限度地利用科技的進步，開發(fā)出更加可靠、更加及時的火災(zāi)報警裝置。市面上通用的煙霧傳感器器可以實現(xiàn)適時報警，價格低廉，但往往不
具備遠程報警功能，大型的報警系統(tǒng)雖然具有遠程報警功能，但系統(tǒng)大，成本高，不適合小型場合。對于小型家庭或倉庫等環(huán)境，設(shè)計一種低成本的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守，通過GPRS模塊實現(xiàn)遠程報警功能，具有一定的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。煙火報警器采用市面上通用的報警器，如監(jiān)測到火災(zāi)，報警器會發(fā)出報警聲，同時其電源線的電流會突然增大。報警器報警時的電流只有10 mA左右，故選用型號為TDC10LTA直流型微小電流傳感器，可檢測電流范圍為0～20 mA，輸出電壓范圍為0～5V。系統(tǒng)控制核心采用STC89C51單片機，通過A／D模塊TLC1549，采集電流傳感器的輸出電壓，當電壓突然增大并持續(xù)，MCU判斷發(fā)生了火災(zāi)會控制GSM模塊TC35，向預(yù)存的屋主手機號碼發(fā)送火災(zāi)報警信息。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
    基于TC35的GSM無線煙火報警器主要由STC89C51單片機、GSM模塊TC35、A／D采集TLC1549、電流傳感器和普通煙火報警器組成，如圖2所示，系統(tǒng)可分為兩部分：煙火檢測部分和控制部分。煙火檢測部分是普通的煙火報警器，和9 V電池連接，其中一根電源線穿過電流傳感器；控制部分是由單片機通過A／D采集電流傳感器的輸出，控制GSM無線通信模塊發(fā)送短信。

2．1 STC89C51單片機電路
    STC89C51單片機是MCS-51系列單片機的派生產(chǎn)品，它在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標準8051單片饑完傘兼容。STC89C51單片機功耗低，速率高，最高可達90MHz，帶有4 KB的內(nèi)存和程序保護系統(tǒng)，便于程序的調(diào)試修改和保密。單片機引腳在本系統(tǒng)中的功能如下：P1.0口輸出用于啟動GSM模塊正常上作；RXD，TXD引腳用于和GSM通信，設(shè)置GSM模塊工作模式和發(fā)送短信；P1．1，P3．5和P3.6引腳用于控制A／D模塊的工作狀態(tài)，讀取電流傳感器的輸出電壓。
2．2 GSM模塊電路設(shè)計
    TC35足一款支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍是3．3～4．8 V，電流消耗如下：休眠狀態(tài)為3．5 mA，空閑狀態(tài)為25 mA，發(fā)射狀態(tài)平均為：300mA，峰值為2．5 A；可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號，功耗在EGSM900和GSM1800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。TC35的數(shù)據(jù)接口通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，使用串口通信，支持Text和PDU格式的短信息。
    TC35的電路設(shè)計包括電源電路、啟動電路、串口電路和SIM卡電路。GSM的發(fā)射電流峰值可達2．5 A，對電源要求比較高，故采用開關(guān)電源芯片LM2576進行電源轉(zhuǎn)換，提供4．2 V電源給TC35。TC35上電后，要進入工作狀態(tài)，必須給IGT加一延時大于100ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時間不可超過1 ms。啟動后，IGT應(yīng)保持3．3 V高電平，因此，通過STC89C51單片機的P1．0口輸出所需電平，控制TC35工作狀態(tài)。由于單片機輸出電平為TTL，故需要通過7407電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成符合TC35的COMS電平。串口通信電路也是如此，需通過7407進行電平轉(zhuǎn)換，TC35的COMS電平在3．3 V左右，因此還要選擇合適的上拉電阻。TC35使用外接式SIM卡，SIM卡的CCRST，CCIO，CCCLK，CCVCC和CCGND引腳通過SIM卡座與TC35的同名端直接相連，ZIF連接座的CCIN引腳用來檢測SIM卡是否插好，如果連接正確，則CCIN輸出高電平，否則為低電平。
2．3 煙火報警器
    市面上煙火報警器的種類多種多樣，如果在煙火報警器電路上進行改進，加入狀態(tài)監(jiān)測電路，雖然也能實現(xiàn)本系統(tǒng)的功能，但如果報警器換了，所有電路都得換；對于已經(jīng)安裝廠煙火報警器的地方，還要更換等等，都會使得系統(tǒng)不具有廣泛的適用性。因此本系統(tǒng)的創(chuàng)新思路是：煙火報警器電路不需進行任何改動，當報警器監(jiān)測到火災(zāi)時會發(fā)出高分貝報警聲，電源電流變化明顯，因此可以采用電流感應(yīng)的方式檢測報警器的狀態(tài)。這樣對于市面上幾乎所有的煙火報警器，都可以使用本系統(tǒng)，即使屋主已經(jīng)安裝了普通煙火報警器，只要加入本系統(tǒng)電路，就可以實現(xiàn)無線監(jiān)控火災(zāi)情況，發(fā)生火災(zāi)，能夠第一時間收到報警短信。
2．4 電流傳感器電路
    為了不破壞普通煙火報警器的電路，以感應(yīng)電流的方式檢測煙火報警器的工作狀態(tài)，選用了直流型電流傳感器。經(jīng)測試得知，普通煙火報警器的靜態(tài)電流小于10μA，報警時的工作電流只有10～30 mA，這么微弱的電流一般的電流傳感器根本檢測不出。本系統(tǒng)選用的TDC-LTA系列直流漏電流傳感器是應(yīng)用磁調(diào)制原理研制而成的一種新型電流傳感器，其小電流的穩(wěn)定性好，初級與次級之間高度絕緣，額定輸出電壓為0～5 V，非常適合本系統(tǒng)。電路連接比較簡單，將煙火報警器的一根電源線穿過電流傳感器，上電后，電流傳感器的輸出電壓就代表感應(yīng)電流的大小。

3 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件的功能是實時檢測報警器工作狀態(tài)，發(fā)生火災(zāi)時，控制GSM模塊發(fā)送報警短信息到屋主手機。程序設(shè)計可分為三個部分：啟動部分、監(jiān)控部分和發(fā)送部分，主程序流程圖如圖3所示。

3．1 啟動部分
    啟動部分的程序主要負責初始化單片機，配置A／D模塊和啟動GSM模塊。系統(tǒng)上電后，必須對微控制器的定時器、端口、中斷和串口等進行初始化。A／D模塊TLC1549是10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出為串行方式，以中斷的方式讀取采集到的數(shù)據(jù)。GSM模塊上電后，要進入工作狀態(tài)，必須給IGT加一延時大于100 ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時間不可超過1 ms。啟動后，IGT應(yīng)保持3．3 V高電平，因此，通過STC89C51單片機的P1．0口輸出所需電平，控制TC35工作。
3．2 監(jiān)控部分
    監(jiān)控部分的程序主要實現(xiàn)的功能是通過A／D采樣，檢測電流傳感器的輸出電壓有沒有發(fā)生變化，進而決定是否觸發(fā)發(fā)送程序。
    首先是調(diào)用A／D采樣程序，通過控制A／D芯片TLC1549的CLK，DATA和CS的時序，讀取10位A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。通過試驗發(fā)現(xiàn)，正常情況下，電流傳感器輸出的電壓幾乎為零；而在煙火報警器工作時，輸出電壓為4 V以上。因此在程序中，設(shè)置了一個A／D采樣值的閾值，當A／D采樣值超過這個閾值，則判定發(fā)生火災(zāi)。為了防止出現(xiàn)假報警的情況，程序中設(shè)置了一個計數(shù)器，只有當檢查到超過閾值的次數(shù)大于1 0次時，才最終判定發(fā)生了火災(zāi)。
3．3 短信息發(fā)送部分
    監(jiān)控程序檢測出有火災(zāi)發(fā)生時，即調(diào)用發(fā)送程序發(fā)送短信到目標手機。本系統(tǒng)所用到的短消息規(guī)范為GSM07．05，發(fā)送模式有Text模式和PDU模式，Text模式的編碼規(guī)范比較簡單，只能發(fā)送英文，為了發(fā)送中文，這里選擇PDU模式。PDU串是一串ASCII碼，由數(shù)字0～9和字母A～F組成，它們是8位字節(jié)的十六進制數(shù)。PDU信息不僅包含需要發(fā)送的消息本身，還包含很多其他的信息。PDU模式信息編碼有一定的規(guī)則，需要編碼三個部分：短信息中心號碼、目標手機號碼和短信息內(nèi)容，最后要將這三部分進行組合，并加入特定的字符串即可。發(fā)送中文短信息使用的AT命令。主要有：AT+CMGF=0，AT+CMGS=短信字節(jié)數(shù)，和待發(fā)送的PDU編碼。
    為了判斷短信是否發(fā)送成功，程序中在短信發(fā)送后，檢測TC35模塊同傳的信息，如果接收到“OK”，則表示短信發(fā)送成功，如果未接收到，則再次發(fā)送短信。同時，為了防止在一次火災(zāi)中多次發(fā)送短信息的情況，程序中在成功發(fā)送短信息后，將延時一段時間再啟動監(jiān)控程序。

4 結(jié)語
    本報警系統(tǒng)充分利用了51單片機價格優(yōu)廉、控制性強的特點，采用直流電流傳感器檢測煙火報警器的工作狀態(tài)，不需改動市面上所有普通報警器電路和結(jié)構(gòu)，只需外加GSM模塊即可實現(xiàn)遠程報警功能。
    通過實際反復(fù)測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有準確可靠、性能良好等優(yōu)點，本報警系統(tǒng)適用于家庭或公共場合的火災(zāi)監(jiān)測和適時遠程報警，能在很大程度上減少和避免因無法及時了解火災(zāi)發(fā)生而帶來的損失，具有較強的應(yīng)用價值。