摘要：設(shè)計一款家用安全防護系統(tǒng)，能對家庭中燃氣泄露、火災和盜竊等突發(fā)事件進行實時監(jiān)測和信息傳輸。系統(tǒng)由主機和從機兩部分組成，紅外遙控開關(guān)控制整個系統(tǒng)的開閉，通過從機單片機實時地采集和處理燃氣、煙霧、人員入室等事故信息，并由NRF24L01無線模塊發(fā)送給主機；主機通過NRF24L01接收事故信號，處理后將報警信息通過GSM通訊模塊以短信形式第一時間發(fā)送至用戶手機。系統(tǒng)具有成本低康、功耗低、操作簡單等特點，應用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：單片機；NRF24L01無線模塊；GSM模塊；安全智能居家
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，報警系統(tǒng)已從原來的簡單化、局部化向智能化、集成化方向發(fā)展。而各種防盜報警系統(tǒng)之間的主要區(qū)別在于分機與主機、分機與用戶之間進行通訊的方式。手機作為信息爆炸時代的產(chǎn)物已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｗ顬楸憷耐ㄓ嵐ぞ摺?jù)悉，我國手機用戶已達7．4億，手機使用成本特別是短信息成本逐漸降低。如果能把報警裝置以短消息的形式與手機之間建立遠程控制，人們會在第一時間收到消息，并做出迅速反應，大大減少悲劇的發(fā)生。本文基于此思想設(shè)計了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的新型家庭安全檢測系統(tǒng)，可通過手機實時接收到故障及報警信息。
1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理
該系統(tǒng)以廣泛使用的GSM網(wǎng)絡(luò)為通信媒介，用于家庭安防，可實時檢測室內(nèi)氣體(燃氣，煙霧)濃度以及人體移動情況，實現(xiàn)防火，防氣體泄漏和防盜等功能。該裝置由主機和分機兩部分組成，從機用于檢測家庭室內(nèi)燃氣、煙霧濃度和是否有人員進入室內(nèi)，并負責把檢測信息無線傳送給主機，主機對信息進行實時判斷和處理，若有異常情況，則通過GSM網(wǎng)絡(luò)將報警信息以短信形式通知用戶。
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主機和從機系統(tǒng)均采用51兼容內(nèi)核的STC單片機作為控制器。從機系統(tǒng)由控制器、普敏煙霧氣體傳感器、人體紅外傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器、NRF24L01無線模塊等模塊組成。普敏煙霧氣體傳感器內(nèi)部是一個氣敏電阻，當“聞”到燃氣時，傳感器電阻隨燃氣濃度而變化，燃氣達列一定濃度，即電阻達到一定水平時，傳感器就發(fā)出報警信號。人體紅外傳感器模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長
方形，雙元位于較長方向的兩端，當人體從左到右或從右到左走過時，紅外光譜到達雙元的時間、距離有差異，差值越大；感應越靈敏。如果有人體在其感應范圍內(nèi)活動。其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖?。以上的報警和信號變化?jīng)單片機采集、數(shù)據(jù)分析后，由無線模塊將相關(guān)信息發(fā)送至主機，交與主機做進一步處理。主機主要由控制器、遙控開關(guān)、穩(wěn)壓電源、EEPROM、液晶顯示器、鍵盤、GSM手機模塊TC35及NRF24L01無線模塊組成。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2.1 從機
1)氣體傳感器：半導體普敏型氣體傳感器MQ-2具有廣泛探測范圍、高靈敏度、快速恢復響應、壽命長及驅(qū)動電路簡單等特點，適用于液化氣，甲烷，丙烷，丁烷及煙霧的檢測。此傳感器有兩個電壓輸入，加熱電壓和電路電壓，本方案均采用直流5 V。傳感器基本工作原理是在傳感器內(nèi)爐絲加熱后傳感器阻值會隨外部氣體的濃度而變化，阻值變化范圍3～30 kΩ，基本工作電路如圖2所示。該傳感器用于家庭安防中檢測燃氣的泄露，極大程度地減免了意外發(fā)生。
圖2中ADIN接A／D輸入端口，監(jiān)測氣體濃度變化通過負載R3上的分壓值來體現(xiàn)。由于本方案對A／D精度要求不高，故采用8位單通道逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器ADC0804。
2)紅外傳感器：人體紅外感應模塊HC-SR501，感應角度≤100度，感應距離≤7 m，靈敏度高，可靠性強，可通過調(diào)節(jié)負載電位器調(diào)節(jié)其靈敏度。該模塊可以檢測到房間里人的存在，進而通過短信告知用戶，以防失竊等事故發(fā)生。用戶配置有遙控，可根據(jù)需要對主機進行設(shè)置，屏蔽其功能，以防誤報。
3)通訊模塊：NRF2401無線模塊為工作在2.4～2.5GHzISM頻段的無線收發(fā)模塊，其傳輸距離約100m，低電壓(1．9～3．6 V)，低功耗，可直接與單片機IO口連接。發(fā)射模式下無線發(fā)射速率1Mbps或2Mbps，抗干擾能力強。模塊內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信控制，并有自動應答和無應答自動再發(fā)射功能，內(nèi)部寄存器可設(shè)置發(fā)射無回應重復發(fā)射次數(shù)，若超過該值則產(chǎn)生中斷由IRQ引腳輸出，發(fā)送或接受完畢后也產(chǎn)生中斷由IRQ輸出，可避免單片機查詢，節(jié)約單片機資源及簡化程序設(shè)計。模塊與控制器間采用SPI總線接口通信，用以配置及讀寫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)率取決于單片機的接口速度，以單片機的低速接口寫入數(shù)據(jù)后高速發(fā)射，以實現(xiàn)低功率，同時減少數(shù)據(jù)無線傳輸時間，增強抗干擾性。由于51單片機無專用SPI總線接口，故采用通用IO口模擬。連接電路如圖3所示。除VCC、GND及IRQ外，其余引腳均與單片機通用IO口連接，用于SPI串行通訊；IRQ與單片機的外部中斷引腳連接。
2．2 主機
1)GSM手機模塊：西門子TC35是目前市場上廣泛使用的低成本、高性能手機模塊，工作在EGSM900／GSM1800雙頻段，工作電壓為直流3．8～5 V。模塊提供ZIF接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。采用AT指令傳輸指令和數(shù)據(jù)(AT+XXXX=XXXX)，數(shù)據(jù)口設(shè)置為可選波特率300 bps～115 kbps，或自動波特率1．2～115 kbps。本方案采用自動波特率設(shè)置，單片機串口工作于方式1，波特率9．6 kbps，數(shù)據(jù)格式為1起始位，8數(shù)據(jù)位，1停止位，無校驗位。TC35與單片機及SIM卡連接電路如圖4所示。TC35數(shù)據(jù)接口(CMOS 3．3V)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后可與單片機進行數(shù)據(jù)傳輸，單片機RXD接口可識別3．3VCMOS電平，可直接連接；而在單片機TXD接口和TC35的RXD接口間采用74HC系列邏輯門芯片轉(zhuǎn)換電平；IGT接口用于上電配置后由單片機加脈沖啟動模塊；SYNC接口為狀態(tài)指示接口，接LED指示燈，啟動后等間隔(600 ms間隔亮滅)閃爍表示無SIM卡或者未接入網(wǎng)絡(luò)，不等間隔閃爍(75 ms亮，3s滅)表示接入網(wǎng)絡(luò)。
2)通訊模塊：同從機。
3)電源部分：由于TC35模塊對電源要求嚴格，其短信發(fā)送峰值電流可達1．5 A，且若電源部分有超過400 mV壓降會自動關(guān)閉，本方案采用LM2576(5 V，3 A)作為穩(wěn)壓芯片，并在VCC和GND之間并入1 000μF電解電容以維持電壓穩(wěn)定，可使模塊及外圍器件正常工作。無線通訊模塊及起電平轉(zhuǎn)換作用的74HC系列邏輯芯片采用ASM1117(3．3 V，1 A)供電。
4)EEPROM存儲器：AT24C02為采用IIC串行總線的電可擦寫存儲器，容量256B，主要用以存儲用戶號碼配置。
5)矩陣鍵盤及液晶模塊：本方案采用1602液晶用以顯示工作狀態(tài)或輔助鍵盤輸入設(shè)置，4x4矩陣鍵盤用來輸入用戶號碼等配置信息。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件采用模塊化設(shè)計方法，主要由主程序、鍵盤掃描、液晶驅(qū)動、SPI總線讀寫、IIC總線讀寫、短消息發(fā)送、數(shù)據(jù)采集及處理等模塊組成。采用C語言編寫，編譯環(huán)境為Keilμvision3，使用部分環(huán)境庫函數(shù)。系統(tǒng)程序流程如圖5所示。
1)啟動與配置
主機上電后會有10秒的等待設(shè)置時間，用戶此時可按SET鍵設(shè)置或Q鍵退出設(shè)置。按SET鍵后，會出現(xiàn)用戶列表(User0-User3)，最多支持4用戶發(fā)送，此時可使用數(shù)字鍵選擇相應用戶設(shè)置號碼。若10秒無按鍵按下，主機自動進入初始化。先檢查用戶狀態(tài)，若所有用戶號碼為空，則提示用戶配置，重復以上過程。用戶設(shè)置完畢后，單片機啟動TC35并配置無線通訊模塊，開始接入GSM網(wǎng)絡(luò)，用戶可通過液晶顯示或狀態(tài)指示燈了解是否接入網(wǎng)絡(luò)。此后，主機給從機發(fā)送握手信號，檢測從機是已經(jīng)正常工作，若一切正常，主機進人工作狀態(tài)；若從機未開啟或不在主機無線信號范圍內(nèi)，則提示用戶檢查從機后再開始。
從機上電后將無線通訊模塊配置為接收狀態(tài)，待收到主機握手信號后啟動檢測程序，其中對于人體的檢測程序兩分鐘(可設(shè)定)后啟動，以免對用戶自身誤報。
2)工作狀態(tài)
主機進入工作狀態(tài)后，將TC35置于低功耗模式，無線通訊模塊配置為接收狀態(tài)。從機不斷地采樣檢測，采樣頻率50 Hz，以定時器中斷方式進行。對紅外傳感器的檢測僅需對其高低電平進行檢測；對A／D采樣數(shù)據(jù)以每采樣10次取平均值的方法進行運算后，與閾值比較，單片機內(nèi)部設(shè)置三個閾值，分別對應燃氣或煙霧濃度的低、中、高水平。當判斷有火災、燃氣泄漏或人員進入時，從機即刻將相應報警代碼經(jīng)無線通訊模塊發(fā)送給主機(程序都設(shè)置為僅一次觸發(fā))，主機此后喚醒TC35讀取EEPROM中號碼將報警短信發(fā)送給用戶。
4 結(jié)論
實際應用時可根據(jù)需要放置主機和從機的位置。實驗調(diào)試時，將主機和從機分別置于兩間相鄰的室內(nèi)，分別開啟并設(shè)置報警號碼，進入工作狀態(tài)后，當人進入房間時，用戶手機可在短時間內(nèi)收到短信；采用向從機附近釋放少許煙霧及可燃氣體(為安全起見，此處以打火機丁烷實驗)，也可以及時收到報警短信。系統(tǒng)實物和部分實驗結(jié)果如圖6所示。實驗結(jié)果表明本套方案具有報警及時準確、操作簡單、方便實用等特點。
隨著人們生活水平和質(zhì)量的不斷提高，家庭智能安防將越來越受剄人們的關(guān)注。本方案的主要創(chuàng)新點是能將家庭無人時的突發(fā)事件信息第一時間以短信的形式告知主人，起到了實時防災防盜的作用，有著廣闊的應用前景。
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